CN1737188B - 用于溅镀镀膜的阳极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溅镀阳极，其中所述阳极的形式是容器或导管；且与阴极相互联系的导电表面是所述容器或导管的内表面。所述阳极可安装在镀膜腔的外部，所述阳极的开口与所述镀膜腔相互联系，或作为选择，所述阳极可以安装在所述腔内。所述阳极可以具有用于接收惰性气体的入口，所述惰性气体用于形成等离子体并用于为所述阳极加压。

Description

用于溅镀镀膜的阳极

交叉引用的相关申请 

本发明主张于2005年3月7日提交的美国专利申请No.11/074,249的优先权，该美国专利申请主张于2004年8月20日提交的美国专利申请No.60/603,211的优先权，而且本发明还主张于2005年7月8日提交的美国专利申请No.11/177,465的优先权，为了所有目的，所有的这些专利申请都通过参考合并到本发明中。 

所有提及的公开文件都通过参考合并到本发明中。 

技术领域

本发明一般涉及在衬底上沉淀膜的装置和方法，尤其涉及一种用于将材料沉淀到衬底上的反应磁控溅镀装置和技术，在所述装置和技术中，所沉淀的膜具有预定的厚度分布，且所述装置可连续和重复的操作非常长的时间。 

发明背景 

在溅镀法中，离子一般由辉光放电中的气体原子和电子之间的碰撞所产生。这些离子由电场加速到靶阴极之中并导致所述靶材料的原子从所述阴极表面喷射出。衬底放置在适当的位置以使其截取所喷射出的原子的一部分。因此，靶材料镀膜就沉淀在所述衬底的表面上。 

溅镀镀膜是一项广泛应用的技术，用于在衬底上沉淀材料薄膜。溅镀是由于气体离子轰击靶而导致的材料从靶上的物理喷射。在这种技术的一种形式，即已知的DC溅镀中，形成于阳极和靶阴极之间的由等离子体放电所产生的正离子被吸引到所述靶阴极并撞击所述靶阴极，将原子从阴极的靶表面撞出，因而提供原子。一些撞出的原子撞击所述衬底的表面并形成镀膜。在反应溅镀中，气态类物质也出现在所述衬底表面并与来自所述靶表面的原子发生反应，在一些实施例中是与这些原子结合，以形成理想的镀膜材料。 

所溅镀的材料也沉淀在暴露给所述溅镀原子的其它任何表面上。在现有技术中已经认识到若所述镀膜是电气绝缘材料，如金属氧化物，那么在溅镀装置的其它部分上的材料的聚积就会造成问题。尤其是在所述阳极上形成绝缘镀膜会干扰所述阳极从所述等离子体除去电子的能力，而这种除去电子的能力是保持所述等离子体的电荷平衡所要求 的。这就破坏了所述等离子体的稳定性并干扰了沉淀控制。因此，一般采用不同的溅镀技术来沉淀绝缘材料层，如RF溅镀。不过，与DC溅镀相比，RF溅镀是一种效率更低、可控性更差、速度更慢且成本更高的方法。 

在操作中，当使氩进入镀膜腔时，加在所述靶阴极与所述阳极之间的DC电压将所述氩电离以形成等离子体，且所述正电荷氩离子被吸引到所述负电荷靶。所述离子用大量的能量撞击所述靶并导致靶原子或原子团从所述靶溅出。所述溅出的靶材料中的一些撞击要进行镀膜的晶片或衬底材料并沉淀在所述晶片或衬底材料上，因此就形成了膜。 

为了获得增加的沉淀速度并降低操作压力，目前已采用了提高磁性的靶。在平面磁控管中，所述阴极包括永磁体，所述永磁体以闭环方式布置，并安装于与平的靶板相对固定的位置处。所产生的磁场导致电子在闭环内移动，所述闭环一般称为“跑道”，所述跑道建立了一个通道或区域，靶材料的溅镀或腐蚀沿着这个通道或区域发生。在磁控阴极中，磁场约束所述辉光放电等离子体并增加所述电子在电场的影响下移动的路径的长度。这就会导致在所述气体中原子与电子的碰撞几率的增加，从而导致比没有使用磁约束所获得的溅镀速度高得多的溅镀速度。而且所述溅镀方法也可以以低得多的气体压力来实现。 

正如在前面所提到的那样，在DC反应溅镀中，反应气体与从所述靶板溅镀的材料形成化合物。当所述靶板是硅且所述反应气体是氧时，在所述衬底的表面上就形成二氧化硅。不过，由于二氧化硅是一种良好的绝缘体，所以足够厚以产生电弧的膜就在所述靶表面上的区域中和在其他附近的表面上迅速形成，所述区域位于所述跑道之外，所述其他附近的表面例如位于电气接地的暗区屏蔽(dark space shield)上。众所周知，由于这种特性，二氧化硅是最难以通过磁控反应溅镀进行沉淀的电介质膜之一。与二氧化硅有关的电弧已经阻碍了平面磁控反应溅镀有效地用于沉淀高质量的二氧化硅膜。本发明的一个方面提供一种经过涂覆的阴极，这种阴极的侧面和底部表面用电介质进行涂覆，以减少或防止电弧。 

在操作时，由于电介质材料在所述镀膜腔的不同的内表面上聚积，所以一直以来必须对所述系统进行定期的清洁。实际上，在用反应溅镀来涂覆二氧化硅或氮化硅时，典型的系统只能够连续地运行相对较短的时间。 

最后，平面的和圆柱形的磁控管用在反应或非反应溅镀中的另一个限制是，通过溅镀而沉淀的膜并没有达到许多精密的用途中所要求的高度的均匀性或可重复性。 

为改进磁控溅镀系统的这些并不想要的效果已做了许多尝试。例如，“洗瓶刷”阳极已在美国专利No.5,683,558中提出并进行了描述，该专利的专利权人是Sieck等人且在1997年11月4日公告。这类阳极提供了一种有益的大的表面，但是，根据它相对于所述靶的位置，它会随着时间的推移而变得不均匀涂覆，并导致所述阳极移向所述沉淀系统中的其它表面。此外，刷针之间的距离非常近且常常导致阳极电压的升高，尤其是在低的压力下。 

对阳极板和环设计也已进行了描述，如发明人为F.Howard等人、受让人为PPG实业公司，发明名称为“用于磁性溅镀装置的阳极”的美国专利No.4,478,702和发明名称为“用于渐变膜的磁性溅镀的阳极”的美国专利No.4,744,880，以及P.Sieck在SVC第37届年度技术大会年报第233页(1994年)发表的“对于长的可转动磁控管、阳极位置对沉淀形状的影响”。 

由J.R.Doyle等人在J.Vac.Sci.Technol.A12，886(1994年)所描述的阳极板和环设计是使用最广泛的阳极设计。所述阳极典型地非常接近于所述阴极以使阳极到阴极等离子体能够充分耦合。在大多数情况下，所述气体入口接近于靶表面，以局部地提高靶压力。在大多数时间，所述阳极表面也接近于该位置，这就增加了等离子体耦合并降低了阳极电压。但令人遗憾的是，这些类型的阳极的位置不能够在阴极后面太远，因为这些电子在去往所述阳极时必须得穿过磁力线，这样就会增加高的阻抗并升高所述阳极电压。另一方面，使所述阳极接近于所述阴极表面增加了所述阳极的被溅镀材料涂覆的敏感性，因而就会使所述阳极不稳定。 

已知将所述阳极放置在距其它的等离子源非常接近的位置，这些等离子源位于所述阴极的直视线之外。这种方法对相对较薄的镀膜有用，如小于5μm的镀膜，但对较厚的膜来说，由于气体散射的原因，所述阳极也会被涂覆。这样就必须对这些阳极进行经常性的更换，因此就增加了镀膜批次并增加了成本。 

上述的这些方法的一个缺陷是这些阳极的尺寸必须得相对较大以在相当低的电压下工作。这种大的尺寸导致所述阳极表面被不均匀污染，并导致溅镀分布中的变化。而且，大的阳极还不得不放置在空间一般比较稀缺的镀膜腔内。 

像丝一样的小的阳极是现有技术中的另一种形式的阳极。这种阳极要求相对较高的电压，如大于70V，这样就典型地导致在所述阳极的表面或所述阳极附近的表面的并不希望的溅镀。所述阳极必须得放在离所述阴极非常近的位置以进行充分的耦合。此外，所述磁控管的大的变化一般必须通过对接近于阳极的磁场进行分流来完成。 

双磁控AC溅镀已由S.Schiller、K.Goedicke、V.Kirchhoff和T.Kopte在“脉冲技术—磁控溅镀的新时代”一文中提出，这篇文章在SVC第38届年度技术大会(1995年)上发表。 

这种方法从本质上解决了前面所描述的现有技术中的移动阳极和渐失阳极(disappearing anode)的问题，但溅镀速度一般较低且AC溅镀需要较高的压力，以在约900V或更高的适当的阴极电压时运行。这就增加了所述溅镀材料的气体散射并增加了所沉淀的膜中的缺陷的产生。但即便是在“低的”平均电压的情况下，所述方法中的峰值电压也非常高且往往高于1000V，从而导致所述镀膜中压缩应力的增加。所述高电压由在每个阴极每半个周期点燃所述等离子体所导致。 

解决所述阳极问题的双阳极磁控溅镀的最新方法采用双阳极AC结构。基本的试验表明所述阳极必须得高度耦合到所述阴极等离子体中。因此，它们必须放置得离所述阴极非常地近。由于所述阳极的负电压非常高，所以这就导致在清洁周期期间内来自所述阳极的溅镀。在互联网上的以下网httphttp：//www.advanced-energy.com/upload/white2.pdf发表的题为“冗余阳极溅镀：解决渐失阳极问题的新方法”的文章中，提到了双阴极AC溅镀的几个缺陷。 

由于阳极一般接近于靶，所以所述阳极就暴露在涂覆材料中。在实践中，在许多现有技术的系统中，阳极必须得进行经常性的定期更换或清洁。即便是当阳极位于所述溅镀材料流的直视线之外时，所述阳极也会由于涂覆材料的气体散射而被涂覆。 

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种屏蔽非常好的阳极，以免受涂覆材料的影响。提供这样的阳极会使溅镀过程尤其是非常厚的镀膜的溅镀过程更稳定，并减少或免除了对所述阳极的维护。这就减少了涂覆衬底时的周期时间并降低了劳动力成本。 

本发明的另一个目的在于提供一种阳极，这种阳极可被加压，且需要的电压比许多现有技术中的阳极需要的低。虽然所述阳极可被加压，但它是在真空下在腔内运行或与所述腔相互联系。 

本发明的再一个目的在于提供一种阳极，在所述阳极或其附近没有电弧发生。 

本发明的另一个主要目的在于提供一种与本发明中的阳极一起使用的优选阴极。 

本发明的再一个目的在于提供一种新型磁控阴极，所述磁控阴极的一些侧面用电气绝缘材料涂覆，如电介质材料。 

根据本发明，提供一种用于材料溅镀的溅镀装置阳极，包括至少一个阳极，所述阳极限定了一个容器，所述容器具有一个朝向导电内体的开口并具有一个外体，所述导电内体耦合到电压源，以提供所述溅镀材料与所述导电内体之间的电压差。 

根据本发明的一个方面，提供一种用于材料溅镀的溅镀装置阳极，包括至少一个阳极，所述阳极限定了一个容器，所述容器具有一个导电内体和一个外体，所述导电内体耦合到电压源，以向所述内体提供电压。 

根据本发明的另一个方面，提供一种包括阴极的镀膜腔，所述镀膜腔与阳极的末端的开口相互联系，所述阳极的形式是一个容器。 

根据本发明，提供一种具有第一和第二端表面以及一个或多个侧面表面的溅镀阴极，所述阴极具有放置在其中的多个磁体，所述多个磁体相互邻接，至少一个磁体具有N-S极，所述N-S极分别面对第一和第二端表面，且至少一个磁体具有S-N极，所述S-N极分别面对所述阴极的第一和第二端表面，以使磁力线从一个磁体的N极延伸到另一个磁体的S极，所述另一个磁体的S极延伸并穿过所述阴极的第一端表面，其中所述一个或多个侧面表面或所述一个或多个侧面表面的一部分用电绝缘材料涂覆以避免电弧，且所述阴极的第一端表面支撑要进行溅镀的材料。 

根据本发明，还提供一种磁控溅镀阴极装置，包括： 

真空镀膜腔； 

放置在所述镀膜腔中的衬底保持构件，所述衬底保持构件用于安装衬底，膜沉淀在所述衬底上； 

与所述衬底相对放置的至少一个磁控阴极，所述磁控阴极有一个平面靶，所述靶用于将所述膜沉淀在所述衬底的表面上； 

向所述真空镀膜腔的内部提供气体的气体控制系统； 

向所述磁控阴极提供电源的电源系统； 

其中所述磁控阴极具有第一端表面、第二端表面和侧面表面，且其中所述磁控阴极包括磁体组件，多个磁体单元的N极和S极相对放置在所述磁体装置中且彼此相邻，其中所述阴极的第二端表面和侧面表面用电绝缘涂料涂覆，以避免电弧。 

应能够理解，虽然优选与所述衬底相对放置的所述至少一个磁控阴极面对所述衬底并与之平行，但所述相对关系可包括所述磁控阴极并非与所述衬底成180度的角度并与之平行。例如，所述磁控阴极与所述衬底彼此可以成90度的角度。重要的是所述磁控阴极的上溅镀表面在一个或多个有待涂覆的衬底的视线范围内。这一点在图12中示出， 在图12中，三个衬底120、121和122排列在所述阴极124溅镀表面的视线范围内，以使所述材料126沉淀在所述衬底表面上。 

根据本发明的另一个方面，提供一种磁控阴极镀膜装置，所述镀膜装置包括镀膜腔，所述镀膜腔包括阴极，所述阴极有一个用电绝缘材料涂覆的部分，以避免并不想要的电弧，所述镀膜腔与阳极的末端的开口相互联系，所述阳极的形式是一个容器。 

附图简述 

在此将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述，在这些附图中： 

图1a是根据本发明的一个实施例的镀膜腔的一小部分的截面图，所述部分包括圆柱形的中空阳极，所述阳极具有长度h、直径d和孔口d_o，所述孔口d_o位于所述阳极的一个末端并耦合到所述镀膜腔中的一个开口； 

图1b是根据本发明的一个实施例的镀膜腔的截面图，所述镀膜腔包括圆柱形的中空阳极，所述阳极具有长度h、直径d和孔口d_o，所述孔口d_o位于所述阳极的一个末端，所述阳极位于所述镀膜腔内； 

图1c是所述阳极的一个可供选择的实施例，其中所述阳极的开口位于其一个侧面或其一个末端； 

图2是示出了阳极电压与所述阳极的尺寸的相关性的曲线图； 

图3是示出了所述阳极电压对距离的影响的曲线图，所述距离是接地表面与所述带电阳极(powered anode)的距离； 

图4是示出了压力与所述阳极电压的相关性的曲线图，其中双头箭头表明典型的溅镀过程中的压力区域； 

图5是示出了对于进入所述阳极的两种不同的气流，阳极电压与所述阳极开口的面积的曲线图，所述开口连接到所述腔内；和， 

图6是示出了铜阳极和不锈钢阳极的电压随时间变化的比较曲线图； 

图7是根据本发明的一个实施例的阳极的截面图，其中所述阳极连接到电源； 

图8是根据本发明的一个实施例的镀膜装置的示意图，所述镀膜装置有两个安装在外部的阳极； 

图9是示出了5个连续镀膜批次(coating run)中SiO₂光学厚度的标准偏差的曲线图，所述偏差在一台不带阳极的MetaMode^TM镀膜机中的不同垂直位置测得，所述曲线 用黑色和实心符号线示出，该图还示出了在具有两个带电的阳极的情况下测得的5个连续镀膜批次中SiO₂光学厚度的标准偏差的曲线图，所述曲线用灰色的空心符号示出。 

图10a是根据本发明的一个实施例的镀膜机的平面视图，所述镀膜机有多个阳极和一个伸长的阴极。 

图10b是图10a中所示出的镀膜机的端视图，其中所述伸长的阴极是圆柱形的。 

图10c是图10a中所示出的镀膜机的端视图，其中所述伸长的阴极是平面阴极。 

图11是根据本发明的一个实施例的一个优选阴极的视图，所述阴极除了所述靶侧面之外的其它侧面都用电介质绝缘体绝缘，所述绝缘层侧面邻近阳极，所述阳极放置在镀膜腔中。 

图12是一个阴极的视图，所述阴极面对着位于所述阴极的视线范围内的不同的相对位置处的衬底的排列。 

图13是本发明的一个实施例的侧视图，其中所述阴极部分地封闭在所述真空腔内且有一部分位于所述真空腔的外部；且其中位于所述真空腔内的部分的侧面用绝缘材料涂覆，如氧化铝。 

发明详述 

参看图1a，阳极10以容器或导管的形式示出，并具有铜或不锈钢导电壁12，所述导电壁12在第一末端有一个开口14，所述开口14直接耦合到真空腔并与所述真空腔相互联系。所述铜或不锈钢壁限定所述容器的内部或所述容器的内体。所述容器的外壁在下面简称为外体。所述外体可用适当的涂料涂覆以使其电气绝缘。在所述截面图中，所示出的水冷却管16位于所述阳极的周围，以保持所述阳极在运行时的温度。所示出的进气口18用于提供一个管道，气体进入所述管道之后可进入所述阳极腔，以给所述阳极加压。接地盖21放置在所述阳极和冷却管周围并处于接地势能状态。在运行时，用氩气为所述阳极加压，在出现适当的点火电压时，所述氩气促使等离子体的形成，之后，所述氩气促使电压的保持。所述阳极10实质上是一种导电容器，且在一个优选实施例中被安装在所述真空腔上，作为选择，它可位于所述真空腔之内。图1a所示出的阳极设计成用低的阳极电压运行且有少量的电弧或没有电弧。优选采用约30伏特的低阳极电压来减少过程中的变化。 

参看图1b，该图示出了类似于在图1a中所示出的阳极，其中所示出的整个阳极体被放置在真空镀膜腔中，且所述开口14b有一个直径d_o，以在所述真空腔中与靶阴极等 离子体相互联系。所示出的水冷却管16b具有从外部进入所述真空腔的入口和离开所述真空腔的出口。所示出的氩气口18b与所述阳极相互联系并从所述真空腔的外部向所述阳极提供气体。绝缘体19b确保所述阳极与所述腔壁的电气绝缘，且所示出的电源在所述阳极与阴极或所述腔内的阴极材料之间提供压差。 

图1c示出了一个可供选择的实施例，其中具有铜壁12c的阳极有一个在不同位置的开口14c，该位置在所述圆柱体的侧面上。在此实施例中，所述阳极可安装在所述真空腔的内部或外部。同时也提供了水冷却管16c和氩气口18c。 

参看图7，该图示出了一种电路，所述电路能够使所述阳极70进行三种不同模式的电气运行。所述开关72允许在“浮动”、“接地”和“偏压”运行之间进行开关选择。 

在浮动运行中，所述阳极与地面之间的势能由其本身进行调节。在此情况下，所述阳极电压取决于所述等离子体阻抗。对于DC溅镀来讲，根据要进行涂覆的材料和要采用的工艺参数，典型的阳极电压被测为介于+20V与+55V之间，而所述阴极电压可在-300V与-700V之间的任何一个值。有时在所述接地与所述阳极之间提供一个电阻，以在破坏性电击穿或电弧的情况下保护所述系统。 

在接地运行模式中，所述阳极连接到腔接地。为了成为所述电子的优选回路，所述阳极需要具有远远高于其它接地腔元件的导电率。将处理气体加入所述阳极降低所述等离子体对所述阳极的阻抗。 

在偏压运行中，所述阳极对所述接地的势能由电源所确定。+20V到+50V范围的电压使所述阳极成为电子的优选回路，而同时保持恒定而可重复的运行。 

为了将优选的浮动模式中的阳极电压降到最低，要求图2中所示的最小阳极表面。此外，接地表面对所述等离子体阻抗具有主要的影响，从而影响所述阳极电压。图3中的试验结果表明，对这种具体的工艺参数设置来说，最接近的接地表面应至少离开25mm。 

所述阳极电压与压力的相关性在图4中示出。所述箭头表明所述溅镀压力并不总是与所述带电的阳极的最佳压力相符。 

所述最佳的阳极参数，即面积、阳极接地距离和压力，推导出这样的实施例，其中所述阳极表面是容器或导管的内部。在此优选实施例中，所述阳极包括一个管，所述管的直径至少为d＝10cm，长度至少为h＝20cm，如图1所示。 

对于低散射膜沉淀工艺来讲，所述腔压力低于2mTorr。在所述阳极的高的压力通过减小所述阳极10的孔或开口14，并经过所述入口18将处理气体送入所述阳极中来实现。由于小的孔限制所述等离子体并导致导电率的降低从而导致所述阳极电压的升高，所以现已发现最佳的开口面积约20cm²且优选是圆形的。这种关系在图5中示出。 

所述阳极可用多种导电材料制成。所述阳极材料对所述阳极电压的影响在图6中示出。该图表明铜产生比不锈钢低2V的阳极电压。 

由于所述阳极可有利地放置在所述真空腔的外部，所以它并不用尽所述真空腔内的任何空间且需要更少的真空元件。举例来讲，标准的阳极至少需要另外的电穿通管。图1所示的阳极10通过图中所示的绝缘材料19的方式与所述接地腔壁电气绝缘。这一点很重要，因为优选所述阳极能够有一个自由浮动电压，这种自由浮动电压典型地会高于所述接地腔壁的电压。 

有利的是，电气和水的穿通连接以及气体管道18能够从外部安装。 

当所述容器阳极用作外部阳极时，所述壁的厚度必须足以禁得起大气压力；当所述阳极用作内部阳极时，只要所述阳极的电阻并不变得过分高，所述阳极可以非常地薄。 

在操作时，可将所述阳极加压到大于3mTorr。预想所述阳极10可在延长的时间近乎连续的运行；已对所述阳极进行了试验，在这种试验中，所述阳极连续地运行了2000小时以上，而并没有将所述阳极10取出停止运行以进行清洁或更换，而且也可以相信使所述阳极连续运行10000小时以上是可能的。 

虽然在所述阳极的全部或部分位于所述镀膜腔中时优选将所述阳极容器的外部进行电气绝缘，但这也并不是绝对必要的。在所述阳极的外部没有任何绝缘体的情况下，在所述孔观察到了阳极等离子体并测得了低的阳极电压。由于所述阳极的外部在其未被绝缘时可用作阳极，所以它就有可能随着时间而被涂覆，这样就改变了所述阳极的位置，从而就会影响位于所述阳极处的溅镀粒子的分布和速度。因此，优选将所述阳极的外部进行电气绝缘。所述外部的绝缘可以是在所述阳极体上面的镀膜，但作为选择，也可以是如图1b所示的另外的覆盖物21b。所述覆盖物21b可以接地或浮动。 

与已知的用于溅镀镀膜的阳极相比，符合本发明的新颖的阳极有若干优点： 

a)根据本发明，所述带电阳极面积或表面在容器的内部，所述内部实质上保护所述阳极免受溅镀材料的影响。这对工艺的稳定性非常有好处，因为所述阳极表面的性能不会在一次镀膜操作期间内改变，因此所述等离子体的位置和导电率也不会在一次镀膜 操作期间内改变，而且所述阳极表面的性能、所述等离子体的位置和导电率在从一个镀膜批次到另一个镀膜批次时相对恒定。 

b)所述小的孔或容器开口进一步减少镀膜材料到达所述阳极表面的机会。而且它也很好地限定了所述阳极的位置。 

c)所述小的孔或开口，以及气体入口局部地增加了所述阳极内部的压力从而降低了所述阳极电压。提供氩处理气体进入所述阳极局部地提高了所述阳极内部的压力进而降低了所述阳极电压，而并不极大地增加所述腔的压力。 

d)所述阳极的大的表面(＞1800cm²)进一步降低所述阳极电压。 

e)所述球形或圆柱形阳极增加了所述阳极的体积以及所述阳极的表面之间的距离，并消除了接近于所述带电阳极表面的接地表面。 

f)水冷却进一步增加了所述阳极的稳定性。它减少了由于外部温度变化或所述阳极的过热所导致的阳极性能的变化，所述阳极的过热由大的阳极电流所导致。 

g)除了来自所述阴极的等离子体之外，本发明中的阳极一般不需要第二种等离子体以在低电压条件下运行。 

应注意到，可以设想许多其它的并不背离本发明的精神和范围的实施例。例如，图8示出了用于伸长阴极的许多可能的阳极结构中的一个，所述伸长阴极用于MetaMode^TM 结构中。在此实施例中，两个阳极72a和72b对称地置于长的平面硅阴极74的侧面。利用这种结构替代以前所使用的结构，不同批次之间的变化可以得到改善，从标准偏差σ＝1.64％到0.22％。这在图9中的曲线图中示出。 

在一篇题为“SiO₂和Si₃N₄的D.C.反应溅镀的阳极电流分布的主动控制”的文章中，对与连续式(in-line)镀膜系统有关的电流分布的控制方法做了描述，该文章由P.Sieck发表在“表面与镀膜技术”第68/69期(1994)第794-798页，并通过参考合并到本发明中。 

本发明被认为适用于这种和其它的连续式镀膜系统；例如，多个阳极的使用被认为可用于如此的连续式镀膜系统中。举例来讲，前面所述的符合本发明的中空阳极可以提高由Sieck的文章中所描述的阳极布置方案的性能。通过利用本发明中的阳极： 

1)所述带电阳极表面免受镀膜材料的影响， 

2)阳极位置受到更好的限定， 

3)气体入口受到更好的限定。 

根据所述阴极的长度以及所述机器中的可用空间，可以沿着所述阴极设置几个阳极，可以对这些阳极进行电气控制，或者可以穿过阳极腔对穿过所述阳极的气流进行调节，以对沿着所述阴极长度的溅镀分布进行控制。这样的调节可在镀膜批次内在原位进行，例如，用来自原位光谱测量的反馈回路。 

参看图10a，该图是示出了带有伸长的阴极101的镀膜机的平面图，几个阳极102到107放置在所述阴极101的周围。图10b是图10a的端视图，其中所述伸长的阴极101是一种圆柱形的阴极，阳极102和105各自具有独立的气体入口120a和120b。图10c是图10a的端视图，其中所述阴极是一种平面阴极。 

除了提供一种新颖的有创造性的阳极之外，对被涂覆的装置的低缺陷密度的不断增加的要求需要在所述溅镀靶上有少量电弧或没有电弧的阴极，所述被涂覆的装置诸如滤光器、光镜和半导体电路。目前可在商业上得到的阴极以及在现有技术中所描述的阴极设计缺乏这种重要的特征，尤其是在所述沉淀速度保持在高水平时。 

现已提出了解决这种并不想要的电弧的问题的各种各样的方法，例如，已知将许多屏蔽设计置于所述阴极的周围。现在也已经提出了不同的磁体排列来解决这样的问题，但这些方法都有其自身的限制和并不希望的副效应。 

本发明的一个重要方面涉及提供一种用于在一个或多个衬底上溅镀镀膜材料的新颖的有创造性的阴极。而且，这种新颖的阴极可与所述阳极一起使用，所述阴极实质上将任何电弧降到接近于零或对所进行涂覆的衬底没有有害影响的可接受的水平。符合本发明的阴极连同前面所述的阳极一起提供一种镀膜系统，这种系统具有高度的可靠性且要求非常少的停机时间。本发明所公开的所述阳极和阴极的组合提供一种已知的其它镀膜腔所不能够比拟的镀膜装置。 

在现有技术中已提出各种各样的设计来降低在所述阴极侧面的并不希望的溅镀；例如，提供电绝缘屏蔽和各种各样的其它形式的屏蔽，不过，大多数都并不令人满意。一种已知的系统在美国专利No.5,851,365中公开。这种类型的系统提供一种暗区屏蔽，所述屏蔽覆盖所述靶表面的一部分以免溅镀到所述靶固定架上。这就会典型地导致大量的涂料沉淀在所述屏蔽的边缘上。在美国专利No.5,851,365中，对所述屏蔽的形状做了许多尝试，但之后发现一些涂料会聚积且这些涂料会逐渐地落回到所述靶上，从而产生电弧，而所述电弧又会导致被涂覆的衬底上的缺陷的增加。这是个大问题，对预真空锁(load-lock)系统来讲尤为如此，在这种预真空锁系统中，目的就是将所述机器尽可能长时间地保持在真空状态。有了在所述暗区屏蔽的较低侧面上涂料的聚积和来自所述靶 表面上的再次沉淀的材料，所述暗区本身就减少且来自绝缘材料的溅镀也会开始，这就会导致实质上的大量的并不想要的电弧。 

现已提出了其它的屏蔽解决方法，如美国专利No.5,334,298提供了一种阴极和屏蔽，其中位于腐蚀区之外的靶的边缘区域由所述暗区屏蔽的延伸部分所覆盖。在此实施例中，所述暗区屏蔽是电气浮动的并由一个缝隙从所述靶分离，所述缝隙如此大以至于没有等离子体能够在所述靶与所述暗区屏蔽之间点燃。虽然这种布置看上去优于其它的布置，但对溅镀材料有特别要求，因此实现起来成本很高。 

根据本发明的一个方面，提供一种更好的解决方法，所述方法实现起来成本并不高，因为发现这种方法适用于多种溅镀材料并认为优于现有技术中的其它解决方法。 

参看图11，示出阴极130，并带有阳极140，其中气体加入到腔中，穿过所述阳极并从所述阴极离开。这就避免了靠近所述阴极的高压，在此的磁场很强。优选所述阳极开口离所述阴极至少2英寸，以使压力能够在所述靶区均匀分布。现已发现所述阳极电压对阳极与阴极之间的距离并不敏感。由于本实施例并未要求暗区屏蔽，所以这就避免了涂料片从暗区屏蔽落到所述靶上，所述暗区屏蔽一般延伸到溅镀粒子流中。在提供暗区屏蔽时，所述屏蔽的相对较锋利的边也导致电荷的聚积，尤其是在用电介质材料涂覆的时候，这也会导致电弧的产生。在此优选阴极实施例中，所述阴极的侧面被电气绝缘。所述电绝缘142可通过使用绝缘材料或通过使用绝缘镀膜来实现。所述电介质镀膜可以是通过等离子体喷涂工艺涂覆的稠密的氧化铝。所述阴极可通过涂覆Kapton^TM带层来绝缘。作为选择，所述阴极可以安装在绝缘材料上，如Teflon^TM或陶瓷。作为选择，所述阴极的侧面可暴露在正常大气中，这样空气就变成了电气绝缘体。上述技术的组合可用于将所述阴极绝缘。而且，将所述阴极体横向延长以减弱超过所述阴极体而延伸的磁场，这样会减少电弧的产生。通过用等离子体喷涂氧化铝到延伸的阴极的侧面来将其绝缘，并用Teflon^TM板来将所述阴极底部绝缘，将所述电弧速度从＞100电弧/s降到在相同的沉淀速度下的＜0.1电弧/s是可能的。这是解决并不想要的电弧问题的一个非常省钱而又有效的方法。符合本发明的阴极可用于金属和电介质涂料。所述阴极可由任何电气模式(RF、DC、脉冲DC、MF、双阴极-AC、单阴极AC)驱动。在本说明书中，术语“镀膜”用于说明电气绝缘镀膜，包括在电气绝缘材料镀膜如氧化铝上的喷涂，或在这样的镀膜上的油漆，或将电气绝缘带施加在镀膜上，如Kapton^TM带；作为选择但并不是最优选，用Teflon板覆盖所述阴极侧面或底部也是可能的，不过在这种情况下，所述板必须邻近于所述阴极的导电侧壁并与之接触。 

参看图13，该图示出了本发明的一个实施例，其中所述阴极134部分地放置在处于真空下的真空腔的内部，且所述靶136向内面对所述腔的内部，所示出的阴极的余下部分位于处在大气压力下的所述真空腔的外部。在此情况下，所述阴极134通过一个开口插入所述腔的壁中并用密封垫139密封，以保持真空状态。位于所述真空腔内部的部分的侧壁用电绝缘材料138涂覆。 

总之，本发明提供一种与已知的阳极和阴极不同的、新颖的、像容器一样的阳极和经过涂覆的阴极。虽然单独的阳极和阴极被认为是新颖的和有创造性的，但它们都有助于提供一种非常有益的镀膜系统。所示出的实施例仅是示范性的，且可以构想在本发明的精神和范围之内的其它实施例。 

Claims (16)

1.用于材料溅镀的溅镀装置阳极，包括：

至少一个阳极，所述阳极限定了一个容器，所述容器具有导电内体、一个外体和一个朝向所述导电内体的开口，所述导电内体耦合到电压源，以提供溅镀材料与所述导电内体之间的电压差，所述开口小于所述容器的圆周，以使带电粒子在所述容器的导电内体与镀膜腔中的阴极之间流动，并在实质上阻止涂覆材料沉淀到所述容器之中。

2.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述容器有一个接收惰性气体的入口，所述惰性气体用于在足够的电压出现时点燃等离子体，所述电压加在所述导电内体与阴极之间。

3.如权利要求2所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述阳极的阳极腔中的压力与所述镀膜腔中的压力相同。

4.如权利要求2所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述阳极的阳极腔中的压力比所述镀膜腔中的压力至少高20％。

5.如权利要求2所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述阳极的阳极腔中的压力比所述镀膜腔中的压力至少高两倍。

6.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述溅镀装置阳极适于放置在镀膜腔的外部并与之物理耦合，以使所述容器的开口面对所述镀膜腔并对其开放。

7.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述容器的外体由不同于所述容器的导电内体的第一材料组成，且所述第一材料是一种绝缘材料。

8.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述导电内体耦合到开关，以选择性地使所述导电内体浮动、偏压或接地。

9.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述溅镀装置阳极固定耦合到镀膜腔的外部，以使在镀膜操作中，所述阳极作为导电容器，其中带电粒子在所述镀膜腔中的阴极与所述导电容器的内部之间流动，以用所述溅镀材料将放置在所述镀膜腔中的衬底涂覆。

10.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述开口有一个大于10cm²的面积。

11.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述阳极位于所述镀膜腔的外部，在所述阳极上安装气体管线和/或水管线。

12.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述容器的内部实质上是圆柱形或球形。

13.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述导电内体的表面面积至少为300cm²。

14.如权利要求1所述的溅镀装置阳极，其特征在于，所述阳极用水冷却。

15.一种溅镀装置，包括：

权利要求1所限定的阳极；和

非常接近于所述阳极并与所述阳极相互联系的阴极，所述阴极的侧面被电气绝缘，其中所述阳极的导电内体被耦合到电压源，以用于在所述阴极与所述导电内体之间提供电压差。

16.如权利要求15所述的溅镀装置，其特征在于，所述阴极的侧面用电介质涂料、绝缘带、Teflon^TM涂料或板、以及陶瓷板，或它们的组合来覆盖。

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