平面磁控溅镀的方法和设备 本发明涉及在衬底上溅镀材料的方法和设备。具体地说，本发明开发了一种平面磁控溅镀的方法和设备。
在物体或衬底表面镀上各种导电或绝缘材料薄膜的溅镀加工方法是众所周知的。要溅镀到衬底上的靶材料受到离子的轰击，被撞出靶板，溅射到衬底上。靶板和衬底通常置于一个含有诸如氩那样的重惰性气体、保持在相当低气压的真空室中。所产生的离子在与靶板前表面垂直的方向上受到加速，达到相当高的速度。
靶板安装在强负电位偏置的阴极上，由于辉光放电溅射，产生了高密度的离子化轰击粒子。阴极和靶板与保持在地电位的装置一起形成一个基本与靶板的暴露的前表面垂直的电场，对正离子进行加速，轰击靶材料，从中溅出的靶原子聚集到衬底表面上，形成薄膜。
增加轰击靶板表面地离子的数量可以改善溅镀效率。平面磁控溅镀设备利用安装在靶板附近的一些磁铁来产生一个截获和控制靶板处的电子的磁场，因此增加了离子产生率，从而也就增加了靶板附近的离子密度。由阴极和地电位装置所产生的电场E基本上与靶板表面垂直，而磁场B的磁力线从靶板表面穿出再返回，形成闭合的弧线。处在电场E和磁场B基本相互垂直处的自由电子得到的速度与靶板表面平行，表示为电场E和磁场B的矢量积(即E×B)。
可以将一些磁体件配置成限制电子在一条与靶板表面平行的闭合环形通道内运动的结构。由于电离气体撞出靶材料而在靶板上形成的撞蚀图形与电子通道相应，呈环形凹陷形状。当这环形的蚀槽深入靶板表面时，一般就需要更换靶板。
目前流行的这种平面磁控溅镀工艺有一些缺点。首先，现有的这些设备在低真空压力(即小于1毫乇)下工作时效率不高。在低压力情况下的一些测试表明溅射等离子体不够稳定，为了正常工作通常要加更高的电压。第二，由于受到高能量离子的不断轰击和暴露在建立负电位所必需的高功率之中，所以靶板过热。因此，要求对靶材料进行有效冷却。最后，现行的磁配置形成的薄膜不均匀，靶板表面的利用率不高。一般靶材料只用了20％至30％时，就需更换。
业已提出了一些类型的磁控溅镀设备，以克服现有技术的某些缺点。例如，Manley的美国专利No.5,262,028介绍了一种用一组磁铁的设备，这种设备有一个中央辅助磁体，靶板很厚，中间部分切掉。这种配置意在使磁场能产生更宽、更均匀的撞蚀图形。然而，采用不同场强和极性的几个磁体引起的磁场畸变虽然可以增加靶板的撞蚀效率，然而是以镀膜不均匀为代价的。此外，由于磁力线可能与靶板的位置有关，从而随着靶板的撞蚀，也要改变。用一组磁体产生使磁力线与靶材料平行必需的磁节点的磁控装置的设计和制造都比较复杂。最后，复杂的磁体组件插在靶板和冷却系统之间会干扰靶板的温度调节。
因此，需要开发一种既能改善镀膜质量使镀层均匀，又能在低气压和低电压下工作、有利于对靶板有效冷却、制造简便的平面磁控溅镀设备。
本发明所开发的磁控溅镀设备有一个带有内导管的冷却块。在靶板的第一表面上开了第一、第二两个槽。靶板第一表面至少有一部分与冷却块的第一表面接触。在第一槽内嵌了一个第一磁极件，而在第二槽内嵌了一个第二磁极件。一个具有第一极性的第一磁体与第一磁极件接触安装。一个极性与第一磁体相反的第二磁体与第二磁极件接触安装。一块平板与冷却块的第二表面和第一、第二磁体相接触。还有向冷却块内导管提供冷却剂和将一个电压加到冷却块上的装置。第一和第二磁极件将第一和第二磁体产生的磁通导向相对的靶板第二表面。
本发明所提出的在溅镀室内将材料溅镀到衬底上的方法包括下列步骤。将一块由溅镀材料制成的靶板放入溅镀室，使得第一、第二磁极件分别嵌在靶板第一表面上的第一、第二槽内。靶板第一表面朝着冷却块的第一表面和第一、第二磁体，与冷却块紧贴，使得第一、第二磁体与第一、第二磁极件相应接触。将一块平板与冷却块的第二表面和第一、第二磁体连接安装。第一、第二磁体产生的磁通由第一、第二磁极件导至靶板第二表面。衬底放置在溅镀室内，与靶板第二表面相对，在溅镀室内形成了一个在衬底与靶板第二表面之间的溅镀区。溅镀材料从靶板第二表面溅出，越过溅镀室内的溅镀区，镀到衬底上。
通过以下结合附图对本发明方法的优选实施例的详细说明，熟悉本发明所属技术领域的人们就能更充分地理解怎样实际实现本发明所提出的方法。在这些附图中：
图1为本发明所提出的设备的一个优选实施例的分解透视图；
图2为图1所示设备沿线2—2剖取的剖视图；
图3为作为本发明优选实施例的一个溅镀室的局剖顶视图；以及
图4为图3设备沿线4—4剖取的剖视图。
图1所示的作为本发明优选实施例的平面磁控溅镀设备10有一块可以是铜或者是诸如钛或防止铜钛相互腐蚀的钛钯合金之类的其他非磁性金属材料的靶板12。也可以溅镀其他材料，如三元金属。靶板12安在与磁性的支撑板15连接的冷却块14上。靶板12、冷却块14和支撑板15都安装在门组件16内。靶板12的第一表面18上开有一条第一槽19和一条第二槽21(以虚线表示)，第一内磁极件20和第二外磁极件22分别嵌入这两条槽内。内磁极件20和外磁极件22分别与第一内磁体24和第二外磁体26的边缘接触。靶板12紧贴冷却块14，由几个穿过靶板12的螺钉28卡住。在本优选实施例中，装有靶板12和磁体24、26的门组件16放入可抽真空的溅镀室(未示出)中，与安装在其中的衬底100相对。在溅镀室内，溅镀区60就是衬底和相对的靶板12的第二表面32之间的这个区域。
如图1所示，这种溅镀设备包括永久性的内磁体24和外磁体26，这两个磁体最好是诸如亚硝酸钡那样的陶瓷磁体。内磁体24可以就是一根直磁棒，也可以象这个实施例那样做成一对，中间用非磁性(最好是铝)的衬垫25隔开，以便于靶板12的中心安装。外磁体26做成框式结构，围着内磁体24。在这个优选实施例中，包括一组直的磁体，围成八角形，以使各段离内磁体24基本等距。内磁体24定在冷却块14的中央开口中，而外磁体26则围着冷却块14。冷却块14的顶表面与内磁体24和外磁体26的上边缘基本共面。永久磁体24和26的极性配置成使内磁体24的和内磁极件20接触的磁极与外磁体26的和外磁极件22接触的磁极极性相反。由图2可见，从一个磁体发出的磁力线穿过靶板12后返回，再穿过靶板12至另一个磁体，形成弧30。磁性支撑板与磁体24和26接触，构成磁路通路31。支撑板15可以用一种诸如软铁之类的非磁体但可磁化的材料制成表面镀镍，以防腐蚀。内磁体24和外磁体26配置成基本同心，因而形成一连串的弧形磁力线，延展成夹在内磁体24和外磁体26之间的一条闭合的隧道形通路的形状。
内磁极件20和外磁极件22的作用是使磁通更接近靶板12的上表面32。磁极件20和22都是用诸如软铁或冷轧铜之类的非磁体但可磁化的材料制成，具有导磁作用。在这个优选实施例中，磁极件20和22做成与永久磁体24和26基本相同的平面形状，安置在这两个磁体上。如图1中虚线所示，靶板12的第一表面18铣成磁极件20和22的平面形状，深度标称超过磁极件的高度，使得磁极件20和22可以埋入靶板12。磁极件20和22起着分别将下面的磁体24和26的磁极延伸的作用，因此极性相互相反。使磁极件接近靶板12的第二表面32，磁通线就近似与表面32平行，而磁场强度也基本上增大到了接近最大的强度。磁场强度增大，使得溅镀设备10可以在较低的电压和较低的气压下工作。镀层的均匀性可以根据要镀的衬底情况通过改变磁极件20和22的大小和形状加以控制。
冷却块14既为靶板12提供了温度调整又用作将靶板12连接到一个负电位源的导体。靶板12的第一表面18上的槽铣成比磁极件20、22的高度更深一些，这样公差使得靶板12可以紧紧地贴在冷却块14上，以提供一个良好的靶板冷却和导电的界面。
在本实施例中，冷却块14有一个下沟道部34，其截面基本呈U形(见图2)，而外形呈环形(见图1)。冷却块14还有一块盖板36，外形呈环线，盖在冷却块沟道部34上，形成一个可让诸如水之类的冷却剂在其中循环的管道38。在这个优选实施例中，管道38的截面积尽量做大，占据内磁体24和外磁体26之间的绝大部分的空间，以便最有效地冷却靶板12。由诸如不锈钢那样的导电材料制成的冷却水输入管40从冷却水源(未示出)伸到开在沟道部34的下表面的一个开口。冷却剂流过管道38，冷却靶板12，再通过从沟道部34的另一个口伸出的回流管42返回，循环致冷。此外，冷却块14，具体地说是沟道部34，与支撑板15接触，这有利于对支撑板15和磁体24、26的温度调整。
在溅镀设备10工作期间，高压通过连接高压电缆46和卡在冷却剂输入管40回流管42上的电卡圈44加到冷却块14上。由于冷却块14和冷却管40、42都是用导电材料制成的，因此就将负电位加到靶板12上。溅镀设备10，特别是门组件16，对于冷却块14和靶板12来说是处在接地的电位。所以，用了聚四氟乙烯之类材料制成的绝缘套筒48和绝缘的O形垫圈49将门组件16与冷却管40、42隔离。为了改善隔离性能，绝缘套筒48可以做成相互分离的几段。在这个优选实施例中，每个套筒48包括一个带有螺纹部、插入支撑板15的第一套筒段56，一个也带有螺纹、插入门组件16的第二套筒段8，以及围着水管40和42使溅镀室与外界大气之间真空密封的一个绝缘卡圈60和一个O型垫圈62。所形成的电场基本上垂直于靶板12的上表面32。陶瓷隔离垫50为冷却块14、靶板12和支撑板15提供支持。隔离垫50的高度经最佳化，以防在支撑板15和门组件16之间形成等离子区，从而阻止了这两个构件产生会污染正沉积在衬底100上的薄膜的溅射。
溅镀设备10可以与衬底100或需涂的工件一起放入可抽真空的室内进行工作。溅镀设备10和衬底100可以水平配置，使衬底材料可以有次序地传送到靶板12下，从而提高了生产率。然而，垂直配置在有些方面要比水平配置更为优越。由于靶板表面32的平面垂直放置，如图2所示，因此通常从靶板12剥落的靶料就会落到溅镀室的底部，而不致落到衬底100上。此外，垂直放置还解除了某些加在冷却管40和42上的应力。
图3和图4示出了一种典型的溅镀室200。溅镀室200例如可以做成基本上是圆筒形的结构，包括一个外圆筒壁构件202、一个内圆筒壁构件204、一个水平盖板206和一个水平底板208。分别带有如上述那样安装在其中的靶板12的各个门组件16相应通过环形密封垫54安装到壁构件202、204上的矩形口上。密封垫54用来防止溅镀处理过程中的压力损失或污染。溅射的混合气体通过一个口(未示出)引入溅镀室，而使溅镀室200成真空的设备在这个技术领域中是众所周知的。
可转动的传送盘210包括一系列沿圆周分隔的向上竖起的支柱212，这些支柱212的下端固定在传送盘210上。每一个支柱212都有一个导向组件214，使得内、外平板被一块宽度较小的中间平板分隔，以规定衬底支架边缘接纳导轨216。一对平面衬底100装入一个矩形框式的支架或“托架”218。衬底100可以通过圆盘传送方式传送到各靶板12前。可以用一个真空装料锁定装置在保持相当低的气压条件下取下已溅镀的衬底和换上新的衬底。
虽然以上就本发明的优选实施例对本发明作了说明，但熟悉该技术领域的人们显然很容易根据本发明的精神进行种种变动或修改，这些均应属于所附权利要求提出的本发明保护范围之内。