專利名稱：平面磁控濺鍍的方法和設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及在襯底上濺鍍材料的方法和設備。具體地說，本發(fā)明開發(fā)了一種平面磁控濺鍍的方法和設備。
在物體或襯底表面鍍上各種導電或絕緣材料薄膜的濺鍍加工方法是眾所周知的。要濺鍍到襯底上的靶材料受到離子的轟擊，被撞出靶板，濺射到襯底上。靶板和襯底通常置于一個含有諸如氬那樣的重惰性氣體、保持在相當?shù)蜌鈮旱恼婵帐抑?。所產(chǎn)生的離子在與靶板前表面垂直的方向上受到加速，達到相當高的速度。
靶板安裝在強負電位偏置的陰極上，由于輝光放電濺射，產(chǎn)生了高密度的離子化轟擊粒子。陰極和靶板與保持在地電位的裝置一起形成一個基本與靶板的暴露的前表面垂直的電場，對正離子進行加速，轟擊靶材料，從中濺出的靶原子聚集到襯底表面上，形成薄膜。
增加轟擊靶板表面的離子的數(shù)量可以改善濺鍍效率。平面磁控濺鍍設備利用安裝在靶板附近的一些磁鐵來產(chǎn)生一個截獲和控制靶板處的電子的磁場，因此增加了離子產(chǎn)生率，從而也就增加了靶板附近的離子密度。由陰極和地電位裝置所產(chǎn)生的電場E基本上與靶板表面垂直，而磁場B的磁力線從靶板表面穿出再返回，形成閉合的弧線。處在電場E和磁場B基本相互垂直處的自由電子得到的速度與靶板表面平行，表示為電場E和磁場B的矢量積(即E×B)。
可以將一些磁體件配置成限制電子在一條與靶板表面平行的閉合環(huán)形通道內(nèi)運動的結(jié)構(gòu)。由于電離氣體撞出靶材料而在靶板上形成的撞蝕圖形與電子通道相應，呈環(huán)形凹陷形狀。當這環(huán)形的蝕槽深入靶板表面時，一般就需要更換靶板。
目前流行的這種平面磁控濺鍍工藝有一些缺點。首先，現(xiàn)有的這些設備在低真空壓力(即小于1毫乇)下工作時效率不高。在低壓力情況下的一些測試表明濺射等離子體不夠穩(wěn)定，為了正常工作通常要加更高的電壓。第二，由于受到高能量離子的不斷轟擊和暴露在建立負電位所必需的高功率之中，所以靶板過熱。因此，要求對靶材料進行有效冷卻。最后，現(xiàn)行的磁配置形成的薄膜不均勻，靶板表面的利用率不高。一般靶材料只用了20％至30％時，就需更換。
業(yè)已提出了一些類型的磁控濺鍍設備，以克服現(xiàn)有技術(shù)的某些缺點。例如，Manley的美國專利No.5,262,028介紹了一種用一組磁鐵的設備，這種設備有一個中央輔助磁體，靶板很厚，中間部分切掉。這種配置意在使磁場能產(chǎn)生更寬、更均勻的撞蝕圖形。然而，采用不同場強和極性的幾個磁體引起的磁場畸變雖然可以增加靶板的撞蝕效率，然而是以鍍膜不均勻為代價的。此外，由于磁力線可能與靶板的位置有關(guān)，從而隨著靶板的撞蝕，也要改變。用一組磁體產(chǎn)生使磁力線與靶材料平行必需的磁節(jié)點的磁控裝置的設計和制造都比較復雜。最后，復雜的磁體組件插在靶板和冷卻系統(tǒng)之間會干擾靶板的溫度調(diào)節(jié)。
因此，需要開發(fā)一種既能改善鍍膜質(zhì)量使鍍層均勻，又能在低氣壓和低電壓下工作、有利于對靶板有效冷卻、制造簡便的平面磁控濺鍍設備。
本發(fā)明所開發(fā)的磁控濺鍍設備有一個帶有內(nèi)導管的冷卻塊。在靶板的第一表面上開了第一、第二兩個槽。靶板第一表面至少有一部分與冷卻塊的第一表面接觸。在第一槽內(nèi)嵌了一個第一磁極件，而在第二槽內(nèi)嵌了一個第二磁極件。一個具有第一極性的第一磁體與第一磁極件接觸安裝。一個極性與第一磁體相反的第二磁體與第二磁極件接觸安裝。一塊平板與冷卻塊的第二表面和第一、第二磁體相接觸。還有向冷卻塊內(nèi)導管提供冷卻劑和將一個電壓加到冷卻塊上的裝置。第一和第二磁極件將第一和第二磁體產(chǎn)生的磁通導向相對的靶板第二表面。
本發(fā)明所提出的在濺鍍室內(nèi)將材料濺鍍到襯底上的方法包括下列步驟。將一塊由濺鍍材料制成的靶板放入濺鍍室，使得第一、第二磁極件分別嵌在靶板第一表面上的第一、第二槽內(nèi)。靶板第一表面朝著冷卻塊的第一表面和第一、第二磁體，與冷卻塊緊貼，使得第一、第二磁體與第一、第二磁極件相應接觸。將一塊平板與冷卻塊的第二表面和第一、第二磁體連接安裝。第一、第二磁體產(chǎn)生的磁通由第一、第二磁極件導至靶板第二表面。襯底放置在濺鍍室內(nèi)，與靶板第二表面相對，在濺鍍室內(nèi)形成了一個在襯底與靶板第二表面之間的濺鍍區(qū)。濺鍍材料從靶板第二表面濺出，越過濺鍍室內(nèi)的濺鍍區(qū)，鍍到襯底上。
通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例的詳細說明，熟悉本發(fā)明所屬技術(shù)領域的人們就能更充分地理解怎樣實際實現(xiàn)本發(fā)明所提出的方法。在這些附圖中

圖1為本發(fā)明所提出的設備的一個優(yōu)選實施例的分解透視圖2為圖1所示設備沿線2—2剖取的剖視圖；圖3為作為本發(fā)明優(yōu)選實施例的一個濺鍍室的局剖頂視圖；以及圖4為圖3設備沿線4—4剖取的剖視圖。
圖1所示的作為本發(fā)明優(yōu)選實施例的平面磁控濺鍍設備10有一塊可以是銅或者是諸如鈦或防止銅鈦相互腐蝕的鈦鈀合金之類的其他非磁性金屬材料的靶板12。也可以濺鍍其他材料，如三元金屬。靶板12安在與磁性的支撐板15連接的冷卻塊14上。靶板12、冷卻塊14和支撐板15都安裝在門組件16內(nèi)。靶板12的第一表面18上開有一條第一槽19和一條第二槽21(以虛線表示)，第一內(nèi)磁極件20和第二外磁極件22分別嵌入這兩條槽內(nèi)。內(nèi)磁極件20和外磁極件22分別與第一內(nèi)磁體24和第二外磁體26的邊緣接觸。靶板12緊貼冷卻塊14，由幾個穿過靶板12的螺釘28卡住。在本優(yōu)選實施例中，裝有靶板12和磁體24、26的門組件16放入可抽真空的濺鍍室(未示出)中，與安裝在其中的襯底100相對。在濺鍍室內(nèi)，濺鍍區(qū)60就是襯底和相對的靶板12的第二表面32之間的這個區(qū)域。
如圖1所示，這種濺鍍設備包括永久性的內(nèi)磁體24和外磁體26，這兩個磁體最好是諸如亞硝酸鋇那樣的陶瓷磁體。內(nèi)磁體24可以就是一根直磁棒，也可以象這個實施例那樣做成一對，中間用非磁性(最好是鋁)的襯墊25隔開，以便于靶板12的中心安裝。外磁體26做成框式結(jié)構(gòu)，圍著內(nèi)磁體24。在這個優(yōu)選實施例中，包括一組直的磁體，圍成八角形，以使各段離內(nèi)磁體24基本等距。內(nèi)磁體24定在冷卻塊14的中央開口中，而外磁體26則圍著冷卻塊14。冷卻塊14的頂表面與內(nèi)磁體24和外磁體26的上邊緣基本共面。永久磁體24和26的極性配置成使內(nèi)磁體24的和內(nèi)磁極件20接觸的磁極與外磁體26的和外磁極件22接觸的磁極極性相反。由圖2可見，從一個磁體發(fā)出的磁力線穿過靶板12后返回，再穿過靶板12至另一個磁體，形成弧30。磁性支撐板與磁體24和26接觸，構(gòu)成磁路通路31。支撐板15可以用一種諸如軟鐵之類的非磁體但可磁化的材料制成表面鍍鎳，以防腐蝕。內(nèi)磁體24和外磁體26配置成基本同心，因而形成一連串的弧形磁力線，延展成夾在內(nèi)磁體24和外磁體26之間的一條閉合的隧道形通路的形狀。
內(nèi)磁極件20和外磁極件22的作用是使磁通更接近靶板12的上表面32。磁極件20和22都是用諸如軟鐵或冷軋銅之類的非磁體但可磁化的材料制成，具有導磁作用。在這個優(yōu)選實施例中，磁極件20和22做成與永久磁體24和26基本相同的平面形狀，安置在這兩個磁體上。如圖1中虛線所示，靶板12的第一表面18銑成磁極件20和22的平面形狀，深度標稱超過磁極件的高度，使得磁極件20和22可以埋入靶板12。磁極件20和22起著分別將下面的磁體24和26的磁極延伸的作用，因此極性相互相反。使磁極件接近靶板12的第二表面32，磁通線就近似與表面32平行，而磁場強度也基本上增大到了接近最大的強度。磁場強度增大，使得濺鍍設備10可以在較低的電壓和較低的氣壓下工作。鍍層的均勻性可以根據(jù)要鍍的襯底情況通過改變磁極件20和22的大小和形狀加以控制。
冷卻塊14既為靶板12提供了溫度調(diào)整又用作將靶板12連接到一個負電位源的導體。靶板12的第一表面18上的槽銑成比磁極件20、22的高度更深一些，這樣公差使得靶板12可以緊緊地貼在冷卻塊14上，以提供一個良好的靶板冷卻和導電的界面。
在本實施例中，冷卻塊14有一個下溝道部34，其截面基本呈U形(見圖2)，而外形呈環(huán)形(見圖1)。冷卻塊14還有一塊蓋板36，外形呈環(huán)線，蓋在冷卻塊溝道部34上，形成一個可讓諸如水之類的冷卻劑在其中循環(huán)的管道38。在這個優(yōu)選實施例中，管道38的截面積盡量做大，占據(jù)內(nèi)磁體24和外磁體26之間的絕大部分的空間，以便最有效地冷卻靶板12。由諸如不銹鋼那樣的導電材料制成的冷卻水輸入管40從冷卻水源(未示出)伸到開在溝道部34的下表面的一個開口。冷卻劑流過管道38，冷卻靶板12，再通過從溝道部34的另一個口伸出的回流管42返回，循環(huán)致冷。此外，冷卻塊14，具體地說是溝道部34，與支撐板15接觸，這有利于對支撐板15和磁體24、26的溫度調(diào)整。
在濺鍍設備10工作期間，高壓通過連接高壓電纜46和卡在冷卻劑輸入管40回流管42上的電卡圈44加到冷卻塊14上。由于冷卻塊14和冷卻管40、42都是用導電材料制成的，因此就將負電位加到靶板12上。濺鍍設備10，特別是門組件16，對于冷卻塊14和靶板12來說是處在接地的電位。所以，用了聚四氟乙烯之類材料制成的絕緣套筒48和絕緣的O形墊圈49將門組件16與冷卻管40、42隔離。為了改善隔離性能，絕緣套筒48可以做成相互分離的幾段。在這個優(yōu)選實施例中，每個套筒48包括一個帶有螺紋部、插入支撐板15的第一套筒段56，一個也帶有螺紋、插入門組件16的第二套筒段8，以及圍著水管40和42使濺鍍室與外界大氣之間真空密封的一個絕緣卡圈60和一個O型墊圈62。所形成的電場基本上垂直于靶板12的上表面32。陶瓷隔離墊50為冷卻塊14、靶板12和支撐板15提供支持。隔離墊50的高度經(jīng)最佳化，以防在支撐板15和門組件16之間形成等離子區(qū)，從而阻止了這兩個構(gòu)件產(chǎn)生會污染正沉積在襯底100上的薄膜的濺射。
濺鍍設備10可以與襯底100或需涂的工件一起放入可抽真空的室內(nèi)進行工作。濺鍍設備10和襯底100可以水平配置，使襯底材料可以有次序地傳送到靶板12下，從而提高了生產(chǎn)率。然而，垂直配置在有些方面要比水平配置更為優(yōu)越。由于靶板表面32的平面垂直放置，如圖2所示，因此通常從靶板12剝落的靶料就會落到濺鍍室的底部，而不致落到襯底100上。此外，垂直放置還解除了某些加在冷卻管40和42上的應力。
圖3和圖4示出了一種典型的濺鍍室200。濺鍍室200例如可以做成基本上是圓筒形的結(jié)構(gòu)，包括一個外圓筒壁構(gòu)件202、一個內(nèi)圓筒壁構(gòu)件204、一個水平蓋板206和一個水平底板208。分別帶有如上述那樣安裝在其中的靶板12的各個門組件16相應通過環(huán)形密封墊54安裝到壁構(gòu)件202、204上的矩形口上。密封墊54用來防止濺鍍處理過程中的壓力損失或污染。濺射的混合氣體通過一個口(未示出)引入濺鍍室，而使濺鍍室200成真空的設備在這個技術(shù)領域中是眾所周知的。
可轉(zhuǎn)動的傳送盤210包括一系列沿圓周分隔的向上豎起的支柱212，這些支柱212的下端固定在傳送盤210上。每一個支柱212都有一個導向組件214，使得內(nèi)、外平板被一塊寬度較小的中間平板分隔，以規(guī)定襯底支架邊緣接納導軌216。一對平面襯底100裝入一個矩形框式的支架或“托架”218。襯底100可以通過圓盤傳送方式傳送到各靶板12前?？梢杂靡粋€真空裝料鎖定裝置在保持相當?shù)偷臍鈮簵l件下取下已濺鍍的襯底和換上新的襯底。
雖然以上就本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明作了說明，但熟悉該技術(shù)領域的人們顯然很容易根據(jù)本發(fā)明的精神進行種種變動或修改，這些均應屬于所附權(quán)利要求提出的本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁控濺鍍設備，其特征是所述設備包括一個具有一個內(nèi)導管的冷卻塊；一塊在其第一表面上開有一個第一槽和一個第二槽的靶板，所述靶板第一表面至少部分與所述冷卻塊的一個第一表面接觸；一個嵌在所述第一槽內(nèi)的第一磁極件；一個嵌在所述第二槽內(nèi)的第二磁極件；一個與所述第一磁極件接觸、具有一個第一極性的第一磁體；一個與所述第二磁極件接觸、具有與所述第一磁體相反的極性的第二磁體；一塊與所述冷卻塊的一個第一表面以及所述第二、第二磁體接觸的平板；一個向所述冷卻塊內(nèi)導管供一種冷卻劑的裝置；以及一個將一個電壓加到所述冷卻塊上的裝置；其中，所述第一、第二磁極件用來將由所述第一、第二磁體所產(chǎn)生的磁通導向所述靶板的一個第二表面。
2.權(quán)利要求1所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述第二磁體圍著所述第一磁體，所述第二磁體有一個與所述第一磁體的一個邊緣基本共面的邊緣。
3.權(quán)利要求2所提出的磁控濺鍍設備，其特征是所述靶板中的第二槽是一個圍繞所述第一槽的閉合槽。
4.權(quán)利要求3所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述第二磁極件圍繞著所述第一磁極件。
5.權(quán)利要求4所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述冷卻塊是一個有著一個中央開口的閉環(huán)形構(gòu)件。
6.權(quán)利要求5所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述第一磁體安置在所述冷卻塊中央開口中，而所述第二磁體安置成圍著所述冷卻塊。
7.權(quán)利要求6所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述冷卻塊的表面與所述第一、第二磁體邊緣基本共面。
8.權(quán)利要求1所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述靶板上的所述槽的標稱深度超過嵌在其中的所述第一、第二磁極件的厚度。
9.權(quán)利要求1所提出的磁控濺鍍設備，其特征是所述設備還包括一個將所述靶板與所述冷卻塊第一表面緊密接觸的貼合裝置。
10.權(quán)利要求1所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述第一、第二磁極件均由軟鐵制成。
11.權(quán)利要求1所提出的磁控濺鍍設備，其特征是其中所述靶板是一種由銅、鈦和鈦鈀合金組成的組中所選出的材料。
12.一種將從靶板濺射出來的粒子鍍到襯底上的磁控濺鍍系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)包括一個具有用來安裝所述襯底和一個門組件的裝置的可抽真空的室；一個安置在所述門組件中、與所述門組件電絕緣的冷卻塊；一塊具有一個開有一個第一槽和一個第二槽的第一表面和一個與所述襯底相鄰的第二表面的靶板，所述第一表面至少部分與所述冷卻塊的一個第一表面接觸；一個嵌在所述第一槽內(nèi)的第一磁極件；一個嵌在所述第二槽內(nèi)的第二磁極件；一個與所述第一磁極件接觸、具有一個第一極性的第一磁體；一個與所述第二磁極件接觸、具有與所述第一磁體相反的極性的第二磁體；一塊與所述冷卻塊的一個第二表面以及所述第一、第二磁體接觸的平板；一個向所述冷卻塊內(nèi)導管提供一種冷卻劑的裝置；以及一個將一個電壓加到所述冷卻塊上的裝置，用來產(chǎn)生一個基本與所述靶板垂直的電場，以使離子加速，撞擊所述靶板，從所述靶板第二表面濺射出粒子；其中，所述第一、第二磁極件用來將由所述第一、第二磁體所產(chǎn)生的磁通導向所述靶板第二表面。
13.權(quán)利要求12所提出的濺鍍系統(tǒng)，其特征是其中所述第二磁體加工成一個圍繞所述第一磁體的閉合環(huán)。
14.權(quán)利要求13所提出的濺鍍系統(tǒng)，其特征是其中所述靶板中的第二槽是一個圍繞所述第一槽的閉合槽。
15.權(quán)利要求14所提出的濺鍍系統(tǒng)，其特征是其中所述第二磁極件圍繞著所述第一磁極件。
16.權(quán)利要求12所提出的濺鍍系統(tǒng)，其特征是其中所述靶板上的所述槽的標稱深度超過嵌在其中的所述第一、第二磁極件的厚度。
17.一種在一個濺鍍室內(nèi)將材料濺鍍到襯底上的方法，其特征是所述方法包括下列步驟將一塊用所述濺鍍材料制成的靶板安置在所述濺鍍室內(nèi)，使得第一、第二磁極件分別嵌入所述靶板的第一表面上的第一、第二槽內(nèi)，所述靶板的第一表面朝向一個冷卻塊的第一表面和產(chǎn)生磁通的第一、第二磁體；將所述靶板第一表面緊貼所述冷卻塊，使得所述第一、第二磁體與所述第一、第二磁極件接觸，由所述第一、第二磁極件將磁通導向所述靶板第二表面；將一塊平板與所述冷卻塊的第二表面以及所述第一、第二磁體相接觸；將所述襯底安置在所述濺鍍室內(nèi)，與所述靶板的第二表面相對，從而在所述濺鍍室內(nèi)形成一個隔在所述襯底和所述靶板第二表面之間的濺鍍區(qū)；以及從所述靶板第二表面上濺射出材料，使得濺射材料越過所述濺鍍室內(nèi)的所述濺鍍區(qū)鍍到所述襯底上。
18.權(quán)利要求17所提出的方法，其特征是所述方法還包括在濺鍍期間通過向與所述靶板接觸的所述冷卻塊的內(nèi)導管提供冷卻劑來冷卻所述靶板的步驟。
19.權(quán)利要求17所提出的方法，其特征是其中所述第二磁體配置成圍繞著所述第一磁體，而所述第二磁極件配置成圍繞著所述第二磁極件。
20.權(quán)利要求17所提出的方法，其特征是其中所述靶板上的第一、第二槽都加工成標稱深度大于所述第一、第二磁極件的厚度。
全文摘要
本發(fā)明所開發(fā)的磁控濺鍍設備有一個帶有內(nèi)導管的冷卻塊。靶板的開有第一、第二槽的第一表面至少部分與冷卻塊的第一表面緊貼。分別嵌在第一、第二槽內(nèi)的第一、第二磁極件相應與極性相反的第一、第二磁體接觸，將第一、第二磁體產(chǎn)生的磁通導向靶板的第二表面。有一塊平板與冷卻塊的第二表面以及第一、第二磁體接觸安裝。設備中還裝有向冷卻塊內(nèi)導管供冷卻劑的裝置和將電壓加到冷卻塊上的裝置。
文檔編號H01J37/34GK1130215SQ9512027
公開日1996年9月4日 申請日期1995年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月30日
發(fā)明者丹尼斯·萊爾·克勞斯, 大衛(wèi)C·沃耶武達 申請人:美國電報電話公司