高功率濺射源的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種磁控管濺鍍方法，利用該方法可以將材料從靶表面濺射，使得所濺射的材料以離子形式高百分比地存在。根據本發明，這借助于簡單的發生器來實現，該發生器的功率以分布在時間間隔中的方式饋入到多個磁控管濺鍍源中，也就是說，在一時間間隔給一個濺鍍源供應最大功率，并且在接下來的時間間隔中給下一個濺鍍源供應最大功率。通過這種方式，實現了大于0.2A/cm2的放電電流密度。在關斷時間期間，濺鍍靶具有冷卻的可能性，使得溫度極限不被超過。
【專利說明】高功率濺射源
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種借助于磁控管濺射給襯底鍍層的方法。
【背景技術】
[0002]在本說明書的范圍內，以相同含義使用“濺鍍(Sputtern)”和“濺射(Zerstauben )，，。
[0003]在濺射情況下，用離子轟擊靶(陰極)，這導致靶的材料被侵蝕。離子在由等離子體構成的靶表面方向上的加速借助于電場來實現。在磁控管濺鍍的情況下，在靶表面上構造磁場。通過這種方式，迫使等離子體中的電子進入到螺旋軌跡上并且在靶表面上環行。通過其延長的路程，電子與原子或離子的碰撞次數顯著提高，這導致靶表面上的該區域中的較高電離。由此導致對直接處于該區域之下的靶上的提高的濺鍍侵蝕。這導致對于磁控管濺鍍典型的侵蝕溝槽，該侵蝕溝槽具有處于其上的軌跡(Racetrack)。這樣的侵蝕溝槽所具有的缺點是，靶的大區域基本上未被侵蝕。但是靶材料常常是昂貴的材料。因此，構造磁場的磁系統有時在靶之下被設計為使得這如圖1中所示導致腎形軌跡。在圓形陰極的情況下，磁系統繞圓形陰極的中心軸旋轉，使得基本上導致靶材料的均勻的侵蝕。但是傳統濺鍍的仍存在的缺點是，所侵蝕的材料僅僅以非常小的百分比被電離。
[0004]本發明具體而言涉及一種HIPMS方法(HIPMS =高功率脈沖磁控管濺鍍)。HIPIMS是一種從傳統濺鍍發展而來的方法，其利用脈沖時長在微秒至毫秒范圍、功率密度大于lOOW/cm2的脈沖狀放電的效應。新興的HIPIMS技術消除了傳統濺鍍的大缺點，即所濺鍍的原子的非常少的電離。因此，從現有技術中已經顯示出，借助于HIPMS技術根據材料可以實現所濺鍍顆粒的高達100%的電離。
[0005]在此，至少短時間較大的作用于靶的放電電流密度導致提高的電離度。提高的電離度可以改變層的生長機制，并且因此對層特征具有影響。這尤其是導致較高的粘附強度。
[0006]典型地使用的平均功率密度在傳統濺鍍以及在HIPMS的情況下都在20W/cm2的范圍內。在使用特殊的靶冷卻裝置的情況下，在高負載時達到高達50W/cm2。在此，相應的放電電流密度處于高達0.2A/cm2的范圍內。但是，從等離子體物理和電子技術的出發點而言，高得多的功率密度以及由此放電電流密度不是問題。但是基本上可應用于濺鍍靶的平均功率由于靶冷卻裝置有技術極限而受到限制。出于該原因，在HIPMS方法的情況下，濺鍍功率是以脈沖形式施加的，其中脈沖時長被選擇為如此短，使得由于作用于靶的平均功率而不導致超溫。在此清楚的是，靶溫度和允許的最大靶溫度非常強烈地依賴于靶材料及其熱導率以及其機械特性。
[0007]在此缺點是，脈沖技術導致顯著的儀器成本，因為必須使用能夠在時間上和空間上將功率劃分成濺鍍功率脈沖的發生器。這利用傳統的發生器技術不能實現。
[0008]為了繞過這些缺點，在現有技術中提出:過渡到與靶的總大小相比顯著縮小的軌跡，并且讓所述軌跡移動靶表面之上。例如在Wang等人的US 6’413’382中提出了一種磁系統，其導致覆蓋靶表面的20%以下的磁控管。該磁系統以可旋轉方式安裝在靶面后面，使得軌跡基本上可以被涂覆在整個靶表面上。盡管該方案簡化了發生器，但是不能完全放棄脈沖技術。與之相應地給出了 10%以下的脈沖/間歇比例。
[0009]但是在此不利的是，與之相應設計的裝置僅僅適用于HIPMS應用。通過高度減小的軌跡大小，濺射速率是相應小的。如果應當可以在HIPMS層與傳統濺鍍層之間交替，則針對所述層的相應傳統濺鍍速率也被降低。
[0010]Nyberg等人在W003006703AI中遵循了類似的方案。其描述了，通過縮小的濺鍍區域來實現提高的放電電流密度。為了補償較高的局部升溫，移動濺鍍區域。此外，Nyberg等人描述了，在工業應用中，減小的濺鍍區域必須以高速度在靶上移動，以便防止表面熔化。該技術允許使用每種傳統的發生器。一種可能性在于，將靶劃分成多個部分，所述部分彼此電分離。下面將這些部分稱為部分靶。在此，部分靶應當是完全獨立的靶，其尤其是在功率施加方面同其他部分靶隔離，其中多個相同的部分靶的表面相加成總靶面。通過在一時刻將全部功率集中到這些部分靶之一上，因此可能的是，控制從中當前進行濺射的位置。通過接通和關斷所述部分，可能的是，在沒有可運動部件的情況下可行。
[0011]Nyberg等人的裝置的缺點是如下事實:這樣的構造不能在傳統磁控管濺鍍模式下運行，因為不能或者技術上非常高成本地將一個發生器的功率均勻地分布到不同部分上。Nyberg等人的方案的缺點尤其是還有，在可接入或可關斷的部分靶的每一個上導致固定的侵蝕溝槽。這意味著，與Wang等人描述的旋轉磁控管相比，靶利用是明顯更差的。
【發明內容】
[0012]因此，所期望的是提供一種裝置，其允許在沒有高成本的脈沖發生器技術的情況下執行HIPIMS方法，但是應能夠以簡單方式轉換到傳統濺鍍模式。
[0013]根據本發明，該任務通過如下方式來解決:將靶劃分成多個電隔離的獨立部分靶，所述部分靶由功率供應單元來饋電，所述功率供應單元在HIPMS模式下被配制成主-從單元。應將主-從配置理解成兩個或更多個發生器的輸出端的并行聯合，其中發生器之一(主機)處的要調整的功率被選擇，并且其他發生器被電子連接為使得它們在其設定方面遵循主機。優選地在主-從配置中至少互連如所存在的各個電隔離的部分靶那么多的發生器。在各個部分靶處，在HIPMS模式下僅僅傳輸其冷卻所允許的那么長時間的功率。在HIPMS模式下，按順序地接入和關斷部分靶。因此，以主-從配置的功率供應單元不必同時在所有部分靶處帶來完全的功率。通過這種方式可以使用價格低廉的發生器。如果應當以傳統方式進行濺鍍，則解除主-從配置并且為每個部分靶提供自己的發生器。于是，部分靶可以利用發生器作為獨立的濺鍍源來運行。如果在主-從配置解除以后沒有部分靶那么多的發生器可用，則一些部分靶可以持久地保持關斷或者交替關斷。通過這種方式實現:可以簡單地從HIPIMS模式切換到傳統濺鍍模式。
[0014]在部分靶后面優選地分別存在可運動的磁系統，所述磁系統負責將相應軌跡移動到相應的部分靶之上。如果該設備在HIPMS模式下運行，則根據本發明，在部分靶后面優選旋轉的磁系統以一頻率運動，該頻率優選地與濺鍍源的反復的功率脈沖的頻率不形成合理的比例。由此保證:均勻地從靶表面侵蝕材料。
【專利附圖】
【附圖說明】[0015]現在具體地和根據附圖示例性地更詳細闡述本發明。
[0016]圖1示出了靶的表面連同如根據現有技術在傳統濺鍍中使用的運動軌跡。
[0017]圖2示出了本發明的具有電絕緣的部分靶的第一實施方式，所述部分靶分別具有運動的磁系統，其中功率供應單元由多個發生器構成，所述發生器以主一從配置連接。
[0018]圖3示出了本發明的具有電絕緣的部分靶的第一實施方式，所述部分靶分別具有運動的磁系統，其中功率供應單元由多個發生器構成，所述發生器未以主一從配置連接，使得給每個部分靶都分配有發生器，并且利用該發生器可以作為獨立的濺鍍源運行。
[0019]圖4示出了功率脈沖作用50ms長的時間以后不同靶材料的經模擬的冷卻行為。
[0020]圖5示出了在電弧放電處的光譜測量相比于在根據本發明的等離子體放電處的這種測量。
[0021]圖6示出了在傳統DC濺鍍等離子體的放電處的光譜測量相比于在根據本發明的等離子體放電處的這種測量。
【具體實施方式】
[0022]根據本發明的第一實施方式，如圖2中示例性示出的那樣，功率供應單元3通過開關SI將電壓和電流提供給布置在真空室4中的濺鍍源ql以用于在HIPMS模式下運行濺鍍裝置。功率供應單元3由多個發生器gl至g6構成，這些發生器以主一從配置連接。它們可以設計成DC發生器、脈沖DC發生器。濺鍍源ql被構造成具有部分靶的磁控管濺鍍源，其中根據該實施方式的一個優選變型方案，在濺鍍源ql的部分靶后面設置可運動的、優選旋轉地安放的磁系統msl。在應用中，通過磁系統msl的運動、優選旋轉將軌跡移動到濺鍍源ql的靶的幾乎整個面之上。
[0023]向真空室4中輸送稀有氣體和/或反應氣體，如N2、02、C2H4, C2H2,以便尤其是能夠保持用于濺鍍放電的等離子體。功率供應單元3提供濺鍍功率，所述濺鍍功率在不中斷地施加在ql上的情況下高于濺鍍源ql的熱極限。但是濺鍍功率適于生成磁控管放電，在所述磁控管放電情況下，關于磁控管的軌跡面的電流密度大于0.2A/cm2。
[0024]通過開關S2至S6，電壓和電流可以施加到也布置在真空室4中的濺鍍源q2至q6。這些濺鍍源基本上與濺鍍源ql構造相同。
[0025]各個濺鍍源上的平均功率總共不允許超過由熱極限給定的值。為了實現這一點，按順序地在一定時間以后將一個濺鍍源關斷并接通下一個濺鍍源，這導致脈沖序列。如果所有濺鍍源都在運行，則可以再次接通第一濺鍍源并且重新開始該周期，這導致周期性運行。允許在靶處遵守最大平均功率的任意脈沖序列都是可能的。
[0026]在濺鍍源后面運動的、優選旋轉的磁系統以如下頻率運動:所述頻率優選與施加到濺鍍源上的反復的功率脈沖的頻率不形成合理的比例，由此保證均勻地侵蝕靶表面的材料。
[0027]如果轉到傳統濺鍍，則放棄主一從配置。于是，給每個濺鍍源都分配至少一個發生器。相應的配置在圖3中示出。如果存在比濺鍍源多的發生器，則多余的發生器作為從機附加到已經分配給濺鍍源的發生器。
[0028]如果存在比濺鍍源少的發生器，則多余的濺鍍源要么被閑置、要么給不同的濺鍍源按順序地和周期性地強加功率間歇，使得其在功率間歇的時間釋放發生器。[0029]在具體示例中，以主/從配置互連例如2個各具有20KW的DC發生器AE Pinacle。因此，作為最大濺鍍功率有40kW可用。使用如圖1中所示類型的具有150mm靶直徑的圓形磁控管。將濺鍍功率為40kW的在時間上可調整的脈沖接到靶上。針對該大小的靶，當平均施加大約5kW時達到熱極限。在圖4中示出根據靶材料計算表面溫度的時間發展。針對40kff的脈沖功率，在使用上述磁控管的情況下，預期關于軌跡面的600 ff/cm2的功率密度。在600V的放電電壓下，因此實現1.67A/cm2的電流密度。如圖4的有限元模擬所示的，在濺鍍功率密度為lOOOW/cm2并且脈沖時長為50ms的情況下，針對銅或鋁預期僅僅大致50° C至100° C的升溫、以及針對鈦預期大致350° C的升溫。因此，可以如模擬可推斷的那樣排除如常常提到的表面的熔化及其蒸發。
[0030]在50ms的脈沖時長以后，整個功率被饋入到構造相同的另一圓形磁控管中。在根據本示例的構造中，真空室6包括構造相同的圓形磁控管，所述圓形磁控管分別按順序被接通。在300ms的時間間隔以后，第一圓形磁控管再次被接通。圓形磁控管可以在真空室中圓形地圍繞旋轉臺布置，在所述旋轉臺處安置要鍍層的襯底。各個圓形磁控管的接入可以與旋轉臺的旋轉方向相反的順序進行，由此模擬旋轉臺的較快旋轉。
[0031]在祀表面后面的磁系統以180U/min的頻率旋轉。這意味著，在全部進行300ms的脈沖重復的情況下，兩個頻率不形成合理的比例。
[0032]利用根據本發明的配置，在短時間、例如500μ s內實現了放電電流的強烈升高，該升高在整個脈沖時長期間保持在穩定的水平上。利用根據本發明的方法避免了在HIPMS方法中由于具有高頻率的脈沖而出現的不利的瞬態過程。這之所以發生，是因為在根據本發明的方法中，脈沖時長為幾毫秒并且瞬態過程變得可忽略。
[0033]根據本發明方法的第二示例，對上述系統施加40kW的脈沖功率以及重復頻率為IOHz的IOms脈沖時長。由此得出每個圓形磁控管4kW的平均功率。在此，可以將高達10個圓形磁控管置入到真空室中，所述圓形磁控管全部都可以利用上述主/從配置來饋電。放電的等離子體被光譜分析，并且與電弧蒸發相比較。在示例中，所述靶是鈦靶。圖5相比較地示出了兩個光譜，其中所述光譜分別在其在365.3511111處的11(0)線的強度方面被歸一化。兩個放電都在336.12nm、368.52nm下、以及在具有375.93nm和376.132nm的未分辨出的雙線情況下對Ti+顯示出強烈光發射。這允許作出結論:根據本發明的濺鍍方法導致與電弧蒸發可比較的對從靶侵蝕的材料的高度電離。
[0034]根據第三示例，作為靶材料使用比例為50at% Ti和50at% Al的鈦-鋁。為了將根據本發明的方法與傳統濺鍍技術相比較，以光譜方式繪出了傳統濺鍍鍍層的等離子體和根據本發明方法的等離子體，并將其相互比較。針對傳統濺鍍鍍層使用如圖3中所示的配置。但由于針對實驗僅有2個DC發生器可用，因此用發生器分別給濺鍍源饋電，也就是說，同時給兩個濺鍍源饋電，并且在預先給定的時間間隔以后按照順序將功率轉向到兩個其他的濺鍍源。圖6示出了相應的比較。在兩種情況下，平均濺鍍功率都為4kW。光譜歸一化到Al (O)線394.4nm和396.15nm。引人注意的是，在傳統DC放電的情況下，基本上缺少對如Al+的離子在390.07nm處、對Ti+在雙線375.93nm和376.132nm處以及在368.52nm和336.12nm處的線。這同樣可以推斷出，在根據本發明的方法中存在從靶侵蝕的材料的高電罔度。
[0035]根據本發明的另一實施方式，將該方法設計成雙磁控管方法。在此，濺鍍功率在幾微秒的脈沖期間在至少兩個濺鍍磁控管之間以通常在20 - 60kHz之間的切換頻率交替停止，其中靶表面分別交替地變為陰極或陽極。為了不超過靶的熱負荷，分別在時間上限制在磁控管對上所施加的功率，其方式是，在所述脈沖之后切換到另一磁控管對。
[0036]全部示例都根據圓形陰極來討論。但是專業人員容易明白，相同的發明方案可以以簡單方式轉用于矩形陰極。本發明的特別的優點在于，可以使用簡單的DC發生器，所述DC發生器的例如為40kW的總功率可以被引入到鍍層室中，由于根據本發明將所述發生器與各個濺鍍源互連，可以同時實現在濺鍍方法的范圍內通常僅能利用高度復雜的脈沖發生器才能實現的電離度。在本發明的一個優選實施方式中，分別在濺鍍靶后面設置運動的磁場系統，該磁場系統負責將軌跡移動到靶之上。
[0037]根據本發明的方法和根據本發明的裝置允許以簡單方式將通向高離子濃度的根據本發明的濺鍍轉換為具有低離子濃度的傳統濺鍍。
[0038]在本說明書的范圍內，公開了一種用于生成等離子體放電的方法，該等離子體放電具有在至少一些區域中局部地大于0.2A/cm2的放電電流密度，該方法具有步驟:
一提供具有預先給定的最大功率的功率供應單元，
一提供至少兩個磁控管濺鍍源，所述磁控管濺鍍源分別具有預先給定的軌跡和預先給定的熱極限，其中所述軌跡被設計為如此小，使得在功率供應單元的最大功率分別作用于所述磁控管濺鍍源之一時，放電電流密度大于0.2A/cm2，
一借助于功率供應單元，在第一時間間隔內將第一功率饋入到所述至少兩個磁控管濺鍍源中的第一個，其中第一功率被選擇為足夠大，使得在該磁控管濺鍍源處至少在一區域中局部地產生大于0.2A/cm2的放電電流密度，并且其中第一時間間隔被選擇為足夠小，使得第一磁控管濺鍍源的預先給定的熱極限不被超過，
一借助于功率供應單元在第二時間間隔內將第二功率饋入到所述磁控管濺鍍源中的第二個，其中第二功率被選擇得足夠大，使得在第二磁控管濺射源處至少在一區域中局部地產生大于0.2A/cm2的放電電流密度，并且其中第二時間間隔被選擇為足夠小，使得第二磁控管濺鍍源的預先給定的熱極限不被超過，
其特征在于，功率供應單元包括至少兩個發生器，所述發生器以主-從配置彼此連接，并且所述兩個時間間隔不完全重疊。
[0039]可以提供第三以及優選另外的磁控管濺鍍源，它們具有分別預先給定的軌跡和分別預先給定的熱極限，其中所述軌跡被設計為使得在功率供應單元的最大功率分別作用于所述磁控管濺鍍源之一時，放電電流密度大于0.2A/cm2，并且功率供應單元所具有的從發生器至少如此多，使得從發生器的數目和主發生器的數目通向與磁控管濺鍍源的數目相比相同或更大的發生器數目。
[0040]所述時間間隔可以由周期性反復的間隔組成并且因此形成周期性脈沖。
[0041]在磁控管濺鍍源的靶中的至少一個后面可以設置可運動的優選旋轉的磁系統，所述磁系統導致經移動的軌跡，所述軌跡的展寬明顯小于靶表面，但是大于靶表面的20%。
[0042]公開了一種磁控管濺鍍設備，其具有兩個或更多個磁控管濺鍍源以及功率供應單元，其中功率供應單元包括一定數目的發生器，該數目至少對應于磁控管濺鍍源的數目，并且設置有如下裝置:所述裝置一方面允許將存在于功率供應單元中的發生器配置為具有主機和至少一個從機，并且設置有如下電路:利用所述電路，這樣配置的功率供應單元的功率可以按順序地被施加到磁控管濺鍍源上，并且所述裝置另一方面允許將功率供應單元配制成一定數目的經隔離的發生器，并且利用所述電路可以將分別至少一個發生器的功率置于分別一個磁控管濺鍍源上。
【權利要求】
1.一種用于生成等離子體放電的方法，所述等離子體放電具有至少在一些區域中局部地大于0.2A/cm2的放電電流密度，該方法具有步驟: 一提供具有預先給定的最大功率的功率供應單元； 一提供至少兩個磁控管濺鍍源，所述磁控管濺鍍源分別具有預先給定的軌跡和預先給定的熱極限，其中所述軌跡被設計為如此小，使得在所述功率供應單元的最大功率分別作用于所述磁控管濺鍍源之一時，放電電流密度大于0.2A/cm2 ； 一借助于所述功率供應單元，在第一時間間隔內將第一功率饋入到所述至少兩個磁控管濺鍍源中的第一個，其中第一功率被選擇為足夠大，使得在所述磁控管濺鍍源處至少在一區域中局部地產生大于0.2A/cm2的放電電流密度，并且其中第一時間間隔被選擇為足夠小，使得第一磁控管濺鍍源的預先給定的熱極限不被超過； 一借助于所述功率供應單元，在第二時間間隔內將第二功率饋入到所述磁控管濺鍍源中的第二個，其中第二功率被選擇為足夠大，使得在第二磁控管濺鍍源處至少在一區域中局部地產生大于0.2A/cm2的放電電流密度，并且其中第二時間間隔被選擇為足夠小，使得第二磁控管濺鍍源的預先給定的熱極限不被超過； 其特征在于，所述功率供應單元包括至少兩個發生器，所述發生器以主-從配置彼此連接，并且所述兩個時間間隔不完全重疊。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，提供第三以及優選另外的磁控管濺鍍源，它們具有分別預先給定的軌跡和分別預先給定的熱極限，其中所述軌跡被設計為使得在功率供應單元的最大功率分別作用于所述磁控管濺鍍源之一時，放電電流密度大于0.2A/cm2，并且所述功率供應單元所具有的從發生器至少如此多，使得從發生器的數目和主發生器的數目通向如下的發生器數目，所述發生器數目等于或大于磁控管濺鍍源的數目。
3.根據權利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，所述時間間隔由周期性反復的間隔組成并且因此形成周期性脈沖。
4.根據前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述磁控管濺鍍源的靶的至少一個靶后面設置可運動的優選旋轉的磁系統，所述磁系統導致經移動的軌跡，所述軌跡的展寬明顯小于靶表面，但是大于靶表面的20%。
5.一種磁控管濺鍍設備，其具有兩個或更多個磁控管濺鍍源以及一個功率供應單元，其中所述功率供應單元包括一定數目的發生器，所述數目至少對應于磁控管濺鍍源的數目，并且設置有如下裝置:所述裝置一方面允許將存在于所述功率供應單元中的發生器配置為具有主機和至少一個從機，并且設置有如下電路:利用所述電路，這樣配置的功率供應單元的功率能夠按順序地被施加到所述磁控管濺鍍源上，并且所述裝置另一方面允許將所述功率供應單元配制成一定數目的經隔離的發生器，并且利用所述電路能夠將分別至少一個發生器的功率置于分別一個磁控管濺鍍源上。
【文檔編號】C23C14/34GK103620731SQ201280030373
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年3月30日 優先權日:2011年4月20日
【發明者】S.克拉斯尼策爾, K.魯姆 申請人:歐瑞康貿易股份公司(特呂巴赫)