專利名稱：具有多個陽極的雙圓筒靶磁控管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及用真空濺射法在襯底上淀積薄膜的技術，更具體地涉及借助用兩靶的這類磁控管對導電膜的淀積。
用濺射法在各種襯底上淀積薄膜有許多應用場合。這類應用之一是在諸如建筑物窗戶玻璃車輛防風玻璃之類的大襯底上進行涂敷。為控制不同波長的光帶的反射和/或透射，將若干薄膜層一層疊在另一層上地彼此層疊在一起。這些層的每一層是借助根據(jù)普通生產技術(common commercial technique)的在真空室內濺射形成的。在這類應用中，最好形成薄膜時精心地控制其在襯底表面上的厚度。在大多數(shù)情況下，人們希望在整個襯底上的厚度是均勻的，但在另外一些情況下，人們希望在襯底表面上的厚度受到不同變化的控制。
這種磁控管包括固定在界定靶表面上的一個腐蝕(erosion)區(qū)的磁構件附近，組成待濺射元件的靶。也就是說，該磁構件約束和導向鄰近靶表面形成的，以高速撞擊靶的腐蝕區(qū)的等離子體的離子，以便將需要濺射元件的原子移去。一個電源連到作為陰極的靶和在真空室內作為陽極的另一表面。在該靶等離子體內某種比例的自由電子通常圍繞有時稱為“跑道”的規(guī)定腐蝕區(qū)移動。然而，這些電子的某些部分在其圍繞跑道移動時會脫離磁場遏制逸出，然后被陽極收集。人們知道除其他因素以外，陽極的大小和位置能影響在襯底上的淀積率的分布(profile)。
靶可為靜態(tài)的往往具有一個平坦表面。然而，一般最好在一環(huán)繞其縱軸旋轉的圓筒的外側表面上形成靶。這樣，該靶表面處于連續(xù)不斷地通過靜磁場運動狀態(tài)。此時靶表面受到更均勻的腐蝕于是更好地得到利用。常常將兩組旋轉磁控管組件并排地置于單個真空室內。
本發(fā)明的一個主要目的是提供一種雙靶磁控管，以及利用這樣一種裝置的技術，即該裝置當襯底移過各靶時，具有在襯底上的均勻淀積率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種雙靶磁控管的改進型陽極結構。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)沿靶構件一側伸展的細長陽極只是在陽極的較小區(qū)域中為主要的有效區(qū)。該區(qū)域鄰近靶跑道的一端在電子在跑道一端急轉彎時從圍繞跑道漂移出來的移動電子所直對的一側上?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，對一種細長靶和窄，長跑道來說，大約總陽極電流的百分之九十集中在陽極表面的這些較小部分中。這導致對襯底的淀積率極不均勻，即在具有該活性(active)陽極區(qū)的靶端淀積得極多，而在靶的相對端的位置上，很快地變成僅僅是那個淀積率的一小部分。
當將兩個這樣的靶構件一起使用時，其每一個帶有自已的置于鄰近離另一靶最遠的靶外側邊緣的細長陽極，靶的每一端產生大量淀積但在中部存在較低淀積率?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)將一個細長陽極定位于兩靶之間會使沿靶長度方向上的分布率基本一致?？磥砗孟筮@樣一個中間陽極只會直接進一步增大靶兩端的淀積率而不會使淀積率分布更均勻。對于外側陽極，僅僅鄰近中間陽極的兩端一小區(qū)域是集中了由陽極吸取大部分電流的活性區(qū)。不過，這種中間陽極的一個出乎意外的效果是使襯底上的淀積率基本一致。這對許多應用場合均是極理想的效果，特別適用于在大而平坦襯底上，例如商業(yè)大廈的窗戶上進行薄膜淀積。
前面僅僅簡要地概述了本發(fā)明的主要方面。本發(fā)明各方面的其他特點，目的和優(yōu)點包含在以下結合附圖對其最佳實施例的說明中。


圖1以簡要表示方式示出了一個雙靶磁控管的主要組成部分；
圖2A是圖1所示那種類型，但有單靶和不同陽極結構的磁控管的截面視圖；圖2B是當沿圖2A箭頭2B—2B方向看去時的該單靶磁控管的仰視圖；圖2C表示在圖2A和2B的單靶磁控管中陽極作不同組合時的若干淀積率分布曲線；圖3A是圖1所示類型具備第一種陽極配置的一個雙靶磁控管的截面視圖；圖3B是當沿圖3A箭頭3B—3B方向觀看時的該雙靶磁控管的仰視圖；圖3C是表示對圖3A和3B裝置中不同陽極結構而言的若干淀積率曲線；圖4A是圖1所示類型但具有第二種陽極配置的一個雙靶磁控管的截面視圖；圖4B是當沿圖4A箭頭4B—4B方向觀看時的該雙靶磁控管的仰視圖；圖4C表示圖4A和4B系統(tǒng)的淀積率分布曲線；圖5A是圖1所示類型但有第三種陽極配置的一個雙靶磁控管的截面視圖；以及圖5B是沿圖5A的箭頭5B—5B方向觀看時的該雙靶磁控管的仰視圖。
作為
背景技術：
，圖1示出構成一個雙靶磁控管的主要組成部分。襯底11沿箭頭方向移動通過用虛輪廓線表示壁13的真空室。第一圓筒靶15以可圍繞靶的圓筒表面的軸21旋轉的方式由端塊17和19夾持。同樣，第二靶23以可圍繞那個靶圓筒表面的軸29旋轉的方式由端塊25和27支承。靶15和23是相對它們的端塊以恒定速度旋轉的?？偟挠梅綁K31表示的機械裝置用于通過它們的端塊17和25如此驅動靶和將冷卻液供至靶內部。通過33表示的真空系統(tǒng)使真空室內保持真空。
為在襯底11的頂表面上淀積薄膜所必需的氣體通過由35表示的供氣系統(tǒng)加到真空室。該氣體或為惰性氣體或為同靶表面濺射出來元素反應的氣體，或兩者。若干襯底支承輥37是借助驅動電動機39旋轉，以便在垂直于靶的旋轉軸21和29的方向上移動襯底11通過真空室。電源41具有其通過端塊19和27連到各自靶表面15和23的負端，從而形成磁控管陰極。電源41的正端連接到圖1中一般性表示的陽極43。本發(fā)明的主題，即這種陽極形狀的配置，如下所述。組成真空室的外壁13是由金屬制成的并保持地電位，多層薄膜的淀積可在電源41提供或低頻或高達射頻范圍的交流輸出條件下實現(xiàn)，但較高淀積率是在采用直流供電時獲得的。
靶15和23各包括一個沿靶長延伸的細長永久磁鐵構件。這種構件概略地示于圖2A中，在那里一個類似于靶15的靶的截面視圖表明了由液體冷卻劑管47支承的這種構件45。磁結構45大體上沿靶15的整個長度伸展。用了三個磁極，一個北極置于兩個南極之間。該磁構件45被夾持固定并不隨圓筒靶15旋轉。該磁場形成沿南和北磁極之間的靶表面長度延伸的窄區(qū)49和51。這些就是將離子限制在真空室中所形成的等離子體內的區(qū)域。致使這些區(qū)內的離子以高速撞擊靶表面，從而移去構成靶表面的一種或多種元素的原子。
如從圖2B中靶15的仰視圖可見，由于磁區(qū)49和51的作用，在靶15表面上產生一腐蝕區(qū)，該腐蝕區(qū)是一條通過鄰近磁構件45的兩端部53和55連接細長的平行部49和51的連續(xù)通道。該腐蝕區(qū)部49，51，53和55一起形成一條連續(xù)“跑道”，電子即圍繞該“跑道”沿箭頭所示單一方向移動。該方向取決于磁構件的磁極的相對位置。若磁構件45中部為南極而其兩側為北極時，則該方向是相反的。
在說明雙靶磁控管中這種改進的陽極結構之前，先說明在單靶管所用陽極方面已發(fā)現(xiàn)的某些事實是有益的。圖2A，2B和2C為討論起見圖示了在圖1系統(tǒng)的真空室內使用的一種單靶結構。在靶的兩側設置有陽極57和59。這兩陽極電氣連接在一起并連到電源41(圖1)的正端，以替代圖1所示陽極43。陽極57和59的每一個基本上在靶15表面上形成的跑道全長上延伸。它們可由一塊連續(xù)的金屬材料制成，使其或是有足夠強度支承其本身或是借助其他剛性元件支承。這些陽極的每個表面不必連續(xù)，而是寧可由沿陽極長度分割成有小間隙的兩段或更多段金屬片構成，以便允許熱膨脹。任何這種陽極段是由金屬絲編帶或同類物電氣相連的。示出的每段陽極在以下條件下定位，即它們的長度在平行于靶15的旋轉軸21并基本垂直于其上淀積薄膜的襯底11的方向上伸展，但這些幾何約束條件對于正要說明的操作并不是必要條件。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)僅僅細長陽極57和59的一小部分接收由陽極攜帶的大部分電(子)流。參照圖2B，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，圖中占陽極57一小段長度的陰影區(qū)61接收了整個陽極57所接收的大約百分之90的來自鄰近等離子體的電子。同樣，陽極59的小陰影區(qū)63接收整個陽極59所接收電子的大約百分之90的電子?，F(xiàn)已斷定無論用陽極57或59的一個或兩者都是如此。這種活性陽極區(qū)出現(xiàn)在圍繞靶的跑道移動，而在跑道端53和55處急轉彎時逸出跑道漂移的電子的路徑上。這種極端不一致的電流分布是通過將細長陽極斷成各分面并測量每一段接收電流的多次實驗而確定的。
僅采用陽極57或59任一個，以及一起采用兩陽極的兩種結果示于圖2C中。若僅設置陽極57并將其連接到電源，則在襯底上沿靶15長度方向上的淀積率遵循曲線65的分布。同樣，若僅使用陽極59，可得到曲線67所示的淀積率分布。并經(jīng)發(fā)現(xiàn)僅僅陽極57和59的小區(qū)61和63帶有絕大部分電子電流，這些極不一致的淀積率分布曲線65和67可基于以下兩點來解釋，即存在位于鄰近活性陽極區(qū)陽極等離子體，以及在存在這種等離子體的位置的襯底上材料的淀積率是最高的。
于是人們予料當采用陽極57和59兩者時，襯底上的淀積率分布將遵循曲線69的分布?？梢杂杵谠诖嬖诨钚躁枠O區(qū)61和63的靶15兩端處的淀積率較高，同時在中部淀積率較低。將每次僅用陽極57和59中之一個時獲得的兩曲線65和67相加，即應大致是人們予期的分布曲線69。然而，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如圖2C的曲線71所示，在沿靶15長度方向上襯底獲得了均勻一致的分布率。這樣圖2A和2B的單靶磁控管系統(tǒng)的操作不同于人們從分別單獨用兩個陽極之一時其操作的以上觀測中可予期得到的操作。
圖3A，3B和3C表示圖1的用兩個靶組件的磁控管系統(tǒng)的結構和操作。細長陽極71和73分別設置在沿靶15和23各離開另一個最遠的表面外側。如先前就圖2B所示說明那樣，經(jīng)已證實活性區(qū)75和77分別存在于沿陽極表面71和73的陽極中。當僅用陽極71時，襯底上的淀積率分布由圖3C的曲線79表示。淀積率曲線扭向存在活性陽極區(qū)75的靶那端。同樣，若僅用陽極73，則獲得曲線81所示的淀積率分布。采用兩陽極時，獲得大致是曲線79和81之和的淀積率分布83。帶有其各自陽極71和73的每個靶15和23似乎與另一個不相關地獨立操作著。這種獨立操作是人們期望的性能。
參照圖4A，4B和4C，研究在圖3A和3B的結構中兩靶間附加第三陽極85的效果。該中間靶的兩端有活性電流區(qū)，活性電流區(qū)87接收陽極85從靶15的跑道中接收的漂移電流的大約90％。同樣小區(qū)89接收陽極85從鄰近靶23表面的類似跑道中接收的漂移電流的大約90％電流。陽極71，73和85最好全都一起電氣連接到兩個電源的正端。其中一個電源有其連到靶15的負端，而另一個有其連到靶23的負端。
人們或許予料附加的鄰近靶15和23端部的活性陽極區(qū)87和89會直接加重(accentuate)由圖3C曲線83所示的非均勻的淀積率。然而，與就圖2A，2B和2C所述的發(fā)現(xiàn)相一致，該淀積分布率反變得均勻一致，如圖4C的曲線91所示。
第二靶23也包括由冷卻管道95支承的基本延伸在靶的整個長度上的磁構件93(圖3A和4A)。與對靶15的描述類似，由該磁構件形成沿靶表面的跑道97。由此可見，接收來自與靶23關聯(lián)的等離子體的電子流的活性陽極區(qū)77和89位于跑道97的相對兩端，在電子在跑道端急轉彎情況下漂移出來的路徑中的相對兩側上。
磁性組件45和93的北極與南極的這種配置控制著由圖3B和4B箭頭所示該漂移電流的方向。若這些磁性組件之一的相對極性被重新配置成中部為南極和外側為北極，則圍繞其跑道的漂移電流取與圖示相反的方向。這結果是在圖4A和4B的實施例中，區(qū)域87和89兩者均形成在中間陽極85的同一端，而不是在相對端。有許多理由說明這點是人們不希望的，一個主要原因是這很可能會超出該陽極結構的有限電流容量。
雙靶磁控管的一種最佳陽極配置示于圖5A和5B中。用了兩個相鄰細長陽極99和101來取代靶15和23之間的單個細長陽極。這些陽極分別提供對應于圖4B的區(qū)87和89的高電流區(qū)87′和89′。電源41包括兩個分開的D.C.電源103和105。電源103有其同陽極71和99兩者連接的正端，和其同靶表面15連接的負供電端線。同樣，電源105有其連接到陽極73和101兩者的正端，而其負端連接到靶表面23。這種配置產生如圖4A和4B系統(tǒng)所示的相同淀積率分布91。在用分開的中間陽極99和101的情況下，可使磁構件45和93的相對磁極性不同，因為這兩個獨立陽極將攜帶來自它們各自靶的電流。
前面已就雙旋轉圓筒靶結構作了說明，但這些原理同樣適用于使用或呈平面構型或其他形狀的兩個細長靜止靶表面。
本文所描述的這些雙靶磁控管配置可用于在不同大小和形狀的襯底上淀積各種各樣類型的薄膜。不過用反應性濺射(reactivespattering)淀積電介質薄膜是困難的，因為經(jīng)過一段短時期操作之后陽極表面便涂敷以該電介質，因而變得無效，至少在用直流電源時是這樣。所以這些構型對淀積導電膜來說作用最佳。普遍受歡迎的實例是氮化鈦(TiN)和二氧化錫(SnO2)。對于長時間淀積，最好被淀積薄膜具有小于10千歐/厘米2的電阻率。
雖然現(xiàn)已就本發(fā)明的最佳實施例對本發(fā)明的各個方面作了說明，但不說自明，本發(fā)明的保護范圍由所附權利要求書的全部范圍來確定。
權利要求
1.一種至少有第一和第二靶的磁控管，以將被濺射的該靶材淀積成膜于襯底上，所述第一和第二靶各呈軸對稱形狀，所述靶其所述軸被彼此平行取向地所夾持并所述靶之間在垂直所述軸方向上相隔一定空間，其中一個改進的陽極裝置包括其長度方向與所述軸平行設置的第一和第二細長陽極，所述第一和第二陽極在所述靶遠離所述空間的側面與所述靶相隔一定距離，以及至少一個第三細長陽極，平行所述軸置于所述第一和第二靶之間的空間中。
2.權利要求1的磁控管，其特征在于所述第一，第二和第三細長陽極具有基本在第一和第二靶長度上延伸的長度。
3.權利要求1的磁控管，其特征在于還包括一個第四細長陽極——置于所述第一和第二靶之間的空間中，其中所述第三陽極面對所述第一靶，所述第四陽極面對所述第二靶；還包括第一和第二電源，所述第一電源被連接在所述第一靶與所述第一和第三陽極之間，所述第二電源連接在所述第二靶與所述第二和第四陽極之間。
4.用于在一真空室內在一襯底上淀積一種材料薄膜的設備，該設備包括第一和第二相鄰細長靶表面和陽極表面，所述真空室外側與所述靶和陽極表面相連接的電源，所述設備還包括分別同所述第一和第二靶表面每一個相關聯(lián)的第一和第二磁構件，所述磁構件的每一個在其關聯(lián)靶表面上界定一個細長閉合回路濺射區(qū)，該關聯(lián)靶表面對沿靶表面長度延伸的中心軸對稱，借此電子在圍繞鄰近靶表面的濺射區(qū)的一個規(guī)定方向上漂移，所述第一和第二磁構件的中心軸被保持彼此平行，以及所述陽極表面包括第一和第二表面區(qū)，所述第一和第二表面區(qū)鄰近所述第一靶表面相對側的其相對角的對角線應有位置以便捕獲當其在各自端上一角轉彎時逸出濺射區(qū)的漂移電子，并包括第三和第四表面區(qū)，該第三和第四表面區(qū)鄰近所述第二靶表面相對側的其相對角的對角線應有位置，以便捕獲當其在各自端一角轉彎時逸出濺射區(qū)的漂移電子。
5.根據(jù)權利要求4的設備，其特征在于所述第一、第二，第三和第四陽極表面區(qū)各作為各自細長的第一，第二，第三和第四陽極構件的組成部分而提供，這些構件均平行于所述濺射區(qū)中心軸取向并基本延伸一個所述濺射區(qū)的整個長度。
6.根據(jù)權利要求4的設備，其特征在于所述漂移電流規(guī)定方向在圍繞所述第一和第二靶表面的每一個時是相同的。
7.用于在一真空室內的襯底上淀積材料薄膜的設備，包括至少第一和第二圓筒形靶表面，位于彼此鄰近和可繞彼此保持平行的其各自圓筒軸旋轉，一個不可旋轉地夾持在第一和第二靶每一個范圍內的細長磁構件，從而界定一個磁構件的一區(qū)內的一個濺射范圍，其相關聯(lián)的靶表面通過該范圍，用于在垂直于靶表面軸方向上移動襯底的裝置，第一和第二細長陽極，具有平行于靶軸方向上取向的長度并分別沿第一和第二靶表面相對側定位，第三和第四細長陽極，具有平行于靶軸方向上取向的長度并位于第一和第二靶之間，該第三陽極面向第一靶和第四陽極面向第二靶，第一電源，具有連接到第一靶的負極性和連接到第一和第三陽極的正極，以及第二電源，具有連接到第二靶的負極性和連到第二和第四陽極的正極性。
8.在真空室內的襯底上淀積導電膜的方法，在真空室包括有導電材料和配備磁構件的至少第一和第二靶，以形成靶表面上的各自第一和第二細長閉合回路濺射區(qū)，從而形成圍繞濺射區(qū)漂移的電子區(qū)，該方法包括使用鄰近第一和第二靶的四個陽極表面區(qū)，使所述四個陽極表面區(qū)之一位于所述第一和第二細長濺射區(qū)的各端，其取向以捕獲離開其端部所述濺射區(qū)的電子。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其特征在于所述四個陽極表面區(qū)的每一個作為基本延伸濺射區(qū)長度的細長陽極的組成部分而設置。
全文摘要
以真空濺射系統(tǒng)的一個特定形式使用兩個相鄰旋轉圓筒靶，以在一襯底上淀積材料膜。細長陽極以使襯底上的淀積率更均勻一致的方式設置在兩靶相對側和之間。
文檔編號H01J37/34GK1126365SQ9510953
公開日1996年7月10日 申請日期1995年9月6日 優(yōu)先權日1994年9月6日
發(fā)明者P·A·西克 申請人:美國Boc氧氣集團有限公司