CN100352969C - 用于多靶溅射的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

不同材料在工件上的顺序溅射薄膜沉积使用放置在公共阴极/热沉的单独面积部分上的、包括这些不同材料的不连续靶获得。沉积薄膜的无交叉污染的溅射在靶和工件之间的相对运动的间隔期间或者在分度静态相对放置中被允许，其中工件投影完全接近一个这种部分以沉积相应的层。

Description

用于多靶溅射的方法和装置
技术领域
本发明属于溅射装置和方法的领域，尤其涉及从复合靶组件的不同材料层的顺序沉积。
背景技术
溅射是沉积受控厚度的均匀薄膜的商业优选过程。特别地，用于信息存储目的的当代介质通常通过磁性，或光学存储材料的溅射沉积来制造。特别期望形成如图1中所示的多层介质，其中分别由例如钴和铂制成的交替薄膜6和8沉积在衬底4上。这些层在许多应用中可以接近102～103埃数量级的总厚度，最小单层厚度为2～3埃。这种类型的多层结构表现出优秀的磁性，并且尤其在存储位的磁矢量基本上朝向分层介质平面的垂线的非常高密度信息存储中获得应用。最初底层和最终层，没有显示，完成其预期目的的分层结构。相邻层(“双层”)的序列在典型存储应用中可以共计大约15-30。对于具体的应用，期望层6和8的厚度可以独立地控制和削减，而在沉积期间没有交叉污染。涉及多于两种可溅射材料的分层序列可以在所选应用中要求。
使用位于公共真空外壳内的多个独立不连续溅射源来经由反应过程沉积一系列不同层的装置是已知的。这种类型的典型装置围绕朝向溅射源阵列、用于支撑许多衬底的可旋转调色板的轴方位角地放置四个DC磁控管。在DC磁控管之间的位置中交替的是用于受控氧化被溅射铝层以在衬底上产生氧化铝层的(四种)反应气体等离子体单元。调色板旋转适应连续或分度(indexed)旋转模式。该一般描述的***可以在来自本发明受让人的名称ALX 1000下获得。
另一种现有技术溅射***包括多物质(species)溅射源，其包括关于同心线圈磁控管同轴放置的同心靶环。在该***中，溅射靶的选择通过将等离子体磁性操作成近似内部或外部靶环中一个的环形区域来完成。参看US5,705,044。
使用包括不同溅射材料的不同区域部分的溅射靶来将期望组成的薄膜合金沉积到工件上在现有技术中同样已知。参看“Handbook ofSputter Deposition Technology”，K.Wasa and S.Hayakawa(NoyesPublications，1992)(“溅射沉积技术手册”，K.Wasa和S.Hayakawa，Noyes出版，1992)。
虽然信息存储介质是本发明的实例应用，其他应用包括光学电路元件和专用光学元件，以及周期和非周期形式的薄膜层状结构的制造。
本发明允许具有溅射沉积的极好控制的这些多层结构的制造，其特征是特别高程度地没有各个沉积层的交叉污染，无需衬底的过度处理，获得以快速生产能力为特征的经济效率。
发明内容
在本发明中，大面积溅射靶由不同表面面积部分形成。表面面积部分的每个相邻对包括不同的可溅射材料，例如钴部分与铂部分相邻。工件接近靶放置，并且能够相对于包括不同表面部分的溅射靶的不同可溅射面积而相对位移。工件的线性尺寸不超过靶的给定可溅射部分的尺寸，使得工件可以全部地与这种所选表面部分相对放置或者关于靶连续地相对旋转(或者，在备选几何图形中，平移)。来自接近可溅射靶部分的溅射薄膜以常规方式沉积在工件上。在优选实施方案中，当靶相对于表面(平面)工件移动时，工件在靶上的投影是静止的。在操作的动态模式中，当工件和靶的所选部分并置时，溅射沉积在相对运动的所选间隔期间被允许(enable)。在操作的静态模式中，所选靶标定地转换(index to)到与工件相对的位置，并且溅射被允许期望的沉积时间，之后靶为下一次沉积而复位(标定)。溅射例如通过仅在所选靶部分接近靶上的表面轮廓分明等离子体投影的期望间隔期间，接通高压电源以激发空间轮廓分明的等离子体放电来被允许。与等离子体放电的另一面相隔的工件接收来自靶的溅射通量。以相同的方式，当等离子体放电在靶上的移动的轮廓分明投影(动态模式)接近划定相邻靶部分界限的边界时，溅射放电断开。如果溅射间隔足够在跨越所选靶部分的一次扫描中在工件上产生期望厚度的薄膜，放电可以较早地终止。该操作关于下一个相邻靶部分而重复，以便在工件上产生各个材料的交替薄膜。
靶放置在工件被引入其中的外壳内。在优选的几何形状中，工件是静止的，并且朝向包括至少两个扇面，例如分别为钴和铂的大约180°扇面的旋转靶轮。磁场与工件和靶之间的相互垂线轴对齐，以便当在靶和外壳之间施加适当电势时保持等离子体放电。磁场被谨慎地设计，以提供粗略地占据在其径向范围中清晰划定界限的通常圆柱区域的场分布。等离子体放电分布在靶和工件之间的区域中，并且由于磁场分布的性质在靶上表现出轮廓分明的投影。有孔遮板放置在工件和靶之间，围绕等离子体在靶上的投影，并且通常反向沉积以及将溅射沉积限制在除工件之外的表面上来保护靶不受交叉污染。当该孔在靶轮上的投影完全位于期望扇面内时，使能(enable)逻辑电平使得电源激发等离子体放电，并且以相同的方式，当靶轮上等离子体投影的前沿接近分离相邻扇面的边界时，去激发(de-excitation)选通信号(gatesignal)产生。靶轮的角位置从提供输入到溅射模块控制器的轴位置编码器获得。一次扫描所沉积的可实现厚度的规模依赖于溅射材料，旋转速度，压力，消耗在等离子体中的功率，施加到工件的可能偏置，以及这种等离子体激发的占空比。可以使用多个完全旋转来散置相邻层的期望厚度比。
在另一种实施方案中，为了沉积期望溅射薄膜，工件相对于以与上面相同的方式具有适当位置编码以通知控制器的靶部分阵列、以线性运动平移。
概括而言，本发明提供一种在工件上溅射沉积一系列均匀层的方法，其中相邻的所述层包括不同物质，所述方法在一个外壳内执行，包括步骤：(a)在靶衬底的第一部分上准备第一可溅射物质，并且在所述靶衬底的第二部分上准备第二可溅射物质，(b)在所述靶衬底的一个所选择的所述部分基本上附近放置所述工件，(c)将惰性气体引入到所述外壳中，并且在所述外壳中产生电等离子体放电以从所述靶提供用于溅射的离子源，(d)施加磁场以限制所述等离子体放电，施加偏电势到所述靶部分并且***一个孔径以使得来自入射到所述靶上的所述等离子体的离子局限于所述靶的所述所选择的部分，并且在所述工件上溅射沉积所述一个所选择的部分的所述物质，(e)在所述靶衬底的另一个所选择的所述部分的基本上附近放置所述工件，(f)在溅射期间引起所述靶衬底的连续旋转以便相邻于所述工件排序第一可溅射物质然后是第二可溅射物质，以及(g)在所述工件上从所述另一个所选择的部分溅射沉积另一种所述物质。
根据本发明的上述方法，其中所述放置步骤包括基本上与所述工件的表面共形、面向且相隔地定向所述工件的表面。
根据本发明的上述方法，其中所述溅射沉积步骤还包括使得溅射沉积局限于与所述靶衬底相隔的所述表面。
根据本发明的另一方面，提供一种通过从公共靶衬底的一系列溅射靶部分的溅射来在工件上涂敷连续涂层的方法，包括：(a)在溅射操作期间引起所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动状态，(b)感测一个所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积，(c)终止从所述靶部分的溅射沉积，同时继续所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动，(d)相对于另一种材料的另一个靶部分重复步骤(b)和(c)。
根据本发明的上述方法，其中所述启动和终止步骤在所述相对运动状态期间发生。
根据本发明的上述方法，包括在所述感测步骤之后停止所述相对运动。
根据本发明的上述方法，其中所述终止步骤还包括加速所述靶直到感测到接近另一个靶部分的相对放置，然后减速所述靶以返回到所述相对运动状态。
根据本发明的再一方面，提供一种用于溅射沉积多种可溅射材料的靶组件，包括：(a)热沉，包括在其中的管道网络并且具有用于冷却剂流体的循环的入口和出口，(b)多个分立的可溅射靶部分，其与所述热沉热连通地放置，每个所述部分包括一种所选择的可溅射材料，(c)支撑所述热沉用于旋转运动的轴，所述轴包括同轴管状结构，该结构确定用于在朝向和离开所述热沉的各个方向上通过所述冷却流体的两个空间，所述冷却流体与所述热沉热连通，以及(d)所述轴还包括用于建立所述轴的方位角位置的轴编码器。
根据本发明的上述靶组件，还包括所述多个分立的可溅射靶部分之间的电绝缘。
根据本发明的又一方面，提供一种用于在工件表面上沉积一系列不同溅射薄膜的溅射沉积模块，包括：(a)用于所述工件的***和移除的真空密封外壳，(b)构成所述外壳一部分的靶组件，所述靶组件用于在所述工件上非同时溅射沉积多种可溅射材料的每一种，靶组件包括：热沉，包括在其中的管道网络并且具有用于使冷却剂流体通过所述热沉进行循环的入口和出口，多个可溅射靶部分，其与所述热沉热连通地放置，每个所述部分包括一种所选择的可溅射材料，(c)用于在溅射操作期间产生所述靶组件和所述工件之间的连续相对运动的电机，(d)用于启动等离子体放电的电源，以及(e)用于感测所述靶组件和所述工件的相对位置的轴位置编码器。
根据本发明的上述溅射沉积模块，还包括用于将所述等离子体放电限制在一个所选择的区域的磁极组件。
根据本发明的上述溅射沉积模块，其中所述所选择的区域包括大于溅射沉积发生在其上的所述工件表面的面积。
根据本发明的还一方面，提供一种通过从放置在公共靶衬底上的多个溅射靶部分的溅射而在工件上涂敷连续涂层的方法，包括：a)在溅射操作期间引起所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动状态，b)感测第一所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积，c)感测所述第一所述靶部分相对于所述工件的第二预先选择相对放置，并且终止从所述靶部分的溅射沉积，以及d)感测第二所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积。
附图说明
图1显示由本发明产生的介质的一部分。
图2说明处理***内本发明的环境。
图3a显示并入图1的***中的本发明的模块。
图3b是包括图3a的溅射站的模块的框图。
图4a显示多元素溅射靶的一部分。
图4b是两种元素扇面的溅射靶。
图4c是用于等离子体放电限制的静止多极磁铁。
图5a-d显示2元素溅射程序的旋转进展。
图6a显示用于使能(enable)两种材料的相等厚度层的序列的时序图。
图6b是比例为3∶1，2∶2，以及3∶2的2层的序列的时序图。
图7a-f是操作图3模块的控制器的典型流程图。
图8显示作为靶旋转速度和等离子体功率的函数的单层薄膜厚度。
具体实施方式
本发明的环境在图2中说明。如图2中所示，***包括处理单元10和衬底搬运***20，一起形成用于完成专用模块或处理站中的特定工序的***平台。处理单元10包括安装在主真空室40上的多个过程站30，32，34等。过程站30，32，34等，在该实例中，关于圆形主真空室40以圆形排列安装。
处理单元10还包括用于将衬底/工件装载到***中以处理的装载站42，以及用于从***中卸载处理过的工件以进行后面处理的卸载站44。在典型的应用中，工件是磁盘或光盘的衬底。衬底处理***可以还包括真空泵，电源和***控制器(没有显示)。
几个过程站例如30，32，34，38等可以每个包括位于衬底处理位置的对面上、以相对面向关系放置的处理设备，以处理两个表面。在图2的现有技术***中，处理设备可以是溅射镀膜源，加热设备，冷却设备，或者任何其他处理设备。不同过程站30，32，34等中的处理设备可以相同或不同，依赖于***需求。在图2的实例中，***具有对称排列的十二个过程站，装载站42和卸载站44。
再次参考图2，衬底搬运***20包括缓冲真空室22，装载锁24，入口传送带26，卸载锁28和出口传送带27。运载用于处理的衬底的盒100a，100b，100c和100d通过装载锁24进入缓冲真空室22，并且通过卸载锁28从缓冲真空室22中退出。在该配置中，装载臂102将衬底从盒100b传送到装载站42中的盘夹35。主真空室40中的原盘传送带部件包括圆形排列的多个衬底或盘夹70。这些运载衬底或盘从一个站到另一个站，如该图中站1-12说明的。卸载臂37将衬底从卸载站44中的盘夹35传送到盒100c。衬底搬运***20在前述专利5,215,420号中详细描述，在此引入作为参考。
根据本发明的特征，一个或多个模块可以经由上述图2中的实例所示地增加到衬底处理***，以形成增强的衬底处理***。特别地，增强的衬底处理***可以包括主要处理组件，例如图2中所示的处理组件，以及专用处理模块，其可以包括增加到主要处理组件的一个或多个模块。适当模块的实例在上面提及的美国专利5,215,420中示意显示。这些模块被配置使得衬底在真空中从主要处理组件传送到各种模块，并且返回到主要处理组件。此外，主要处理组件由一个或多个真空隔离室与过程模块隔离，以使得组件之间的污染物运动达到最小。模块可以增加到增强的衬底处理***以增加过程站的可用数目，提供增强的处理灵活性，将产生污染物的过程与对污染物敏感的其他过程隔离或者出于任何其他原因。各个模块通常将包括关于由那个模块/过程站执行的特定相应工序的局部模块控制器，而***控制器在为所有模块共有的全局级别上起作用。因此，“***平台控制器”调整和同步工件传送，响应起源于衬底搬运***或几个过程模块的错误状态报告，并且可以在设计者的选择中被分配与关于特定过程模块，例如真空监控，过程气体供给，工件偏置等要素相关的函数。
现在转向图3a和3b，显示本发明特定模块的概念表示，其包括用于多物质溅射以产生由图1所提出的顺序薄膜分层结构的溅射组件50(图2的典型***的环境中)。为了具体性起见，用于串行化两层序列的装置将被假定。如图3b中所示，溅射模块50优选地包括关于平面工件的平面以镜面对称排列以同时处理工件的相对面对表面的一对子模块。溅射组件50(同时参见图3A)包括真空外壳101，衬底48由通过传送锁操作以避免***污染的已知衬底传送机构(没有显示)***到外壳101的内部空间中。这些传送机构是众所周知的，从而不需要进一步讨论。模块化的溅射组件50包括用于同时处理衬底48的相对表面的溅射组件51和52。这些组件优选地是对称的，功能上完全相同并且结构上基本相同。在溅射组件50内，衬底48相对于靶组件而放置，后者包括与直接朝向衬底/工件48的、分别为钴和铂的大约180°扇面91a和91b支撑于其上的表面热导通的旋转热沉(heatsink)80。轴81由适当电机84和通过已知旋转真空密封的带181驱动，由此电机84可以安装在真空外壳101外部。步进电机(如下文提及的)可以起这个作用，但是伺服电机可以以机械和电气设计的必需修改的形式来使用。在旋转热沉80的相对面上并且与衬底/工件48对齐，放置有提供用于限制溅射放电的必需磁场的磁极组件86。该磁极组件可以是静止的，或者可以独立地旋转以实现必需的溅射镀膜的更高均匀度。在图3B中，字母A和B用来说明溅射部件51和52每个的相同元件。例如，磁铁驱动器A指示在部件51中使用的磁铁驱动器而磁铁驱动器B用来指示在部件52中使用的相同驱动器。这些驱动器的驱动力在图3B中显示为出自模块控制器64并且供给到部件51和52中。同样可以对于靶材驱动器以及轴编码器89(图3B)的每个来描述。轴位置编码器89提供获得靶轴81的方位坐标的数据。这种编码器是众所周知的并且市场上可买到。103中1份/象限的轴角分辨率已经用于本申请。为此目的的适当轴位置编码器从几个来源，例如U.S.Digital，Vancouver，Washington(美国数字，温哥华，华盛顿)可商业获得。
工件引入到外壳106中并且由表示工件搬运技术中众所周知的机构的支臂或基座(没有显示)支撑在那里。隔板107划定由完全放置的工件和基座占据的空间与室101内部剩余部分的界限。置于工件和靶轮91之间的是掩模102中的第一(等离子体)限制孔径104。第二掩模106中的第二(溅射)限制孔径放置在工件和等离子体限制孔径104之间。这些孔径的组合保护支臂106和对称子模块52的面向靶轮(没有显示)。特别地，(子模块52的)面向靶轮的靶扇面与(子模块51的)(非活性)相邻扇面91b都被保护不受从靶扇面91a的溅射，以保持无交叉污染的期望高的程度是重要的。进一步的保护由隔板107相对于工件周围的环境承受。图3b显示并入由例如图2中所示装置举例说明的处理工具中的本发明溅射模块的主要组成组件和功能元件的排列。该具体实例关注同时沉积在工件或衬底相对面上的两层序列。图3b显示模块50的组成子组件的关系以及优选实施方案中它们的关系。模块50包括激发溅射靶阴极的电源66，一对溅射源，控制器64，冷却剂管理组件62(包括泵，流控制和监控，热传递装置)，以及用户接口69。模块50支撑在***平台上，如前面所讨论的，该***平台控制工件/衬底到处理室101中的流入60a以及从处理室101中的流出60b。室压被监控(67)并且过程气体源68在控制器64的控制下或者由***平台控制器控制进入室中。模块50优选地以两种模式中任意一种操作。在动态模式中，每个溅射组件当关于工件/衬底相对运动时允许沉积。溅射在所选靶扇面完全包括工件/衬底在靶轮上的投影的旋转角间隔期间被允许(enable)。在操作的分度、或静态模式中，靶轮被旋转以对齐所选靶扇面，以完全包括工件在其上的投影，并且当靶和工件保持处于静止关系时溅射被允许。
现在转向图4a和4b，显示包括靶热沉80的(两个)靶组件的示意优选实施方案，其中靶热沉80支撑在包括同轴通道82和83的轴81上。冷却流体流通过已知构造的可旋转液压联轴节(没有显示)连接到旋转轴81。这种可旋转液压联轴节例如从Deublin公司，Waukegan，Illionois可商业获得。螺旋型通路88在热沉80上形成以在同轴空间82和83之间提供冷却剂管道，用于将热量从热沉80和靶表面去除，后者由粘合到热沉80的金属扇面盘91a和91b形成。轴位置编码器的一部分89a概念地显示。在这里显示的两种溅射剂实例的情况下，一个扇面91a包括钴而另一个91b包括铂，以产生存储介质的一系列Co-Pt双层。热沉为扇面靶提供公共电基极。但是注意，在备选中，各个扇面盘可以相互电绝缘。区域90a和90b代表由溅射产生的相应侵蚀腔。由这种靶形成薄膜双层的期望复合序列的方法在下面讨论。因为质量和侵蚀速度的差别，由平衡重锤92代表的可调节平衡重锤被提供，以向旋转靶提供惯性平衡。除不同溅射材料之间质量的显著差别之外，这些不同溅射剂以不同的速度侵蚀，从而给出靶中的动态侵蚀不平衡。而且，消耗在等离子体中的功率可以对于各个靶非常不同，这通常可以减少或增加靶的侵蚀速度的差别。期望将任何不平衡维持在限度内，以适应为驱动靶组件而提供的伺服电机和机械耦合的规格。虽然多种方法可以用来维持可接受的平衡，一种简单的方案提出相对调节***平衡重锤组92以过度平衡较快速侵蚀扇面可接受的量，并且继续操作直到旋转靶组件的不平衡逐渐翻转，以当足够的相对侵蚀发生时不平衡的相同增量有利于相对的扇面。实验证明在这一点上，通常需要更换可消耗的溅射剂。记录溅射靶的消耗以及指示靶寿命的结束何时即将发生是众所周知的。如果期望的话，该功能可以并入溅射模块控制器64中，如下面进一步描述的。
在溅射沉积期间，相对于工件和周围外壳的103伏特数量级的高偏压施加到靶91，以激发等离子体放电。常规集电环排列给出轴81到高压电源的连接，如下面进一步描述的。
现在转向图4c，期望磁场分布从常规多极径向设计获得。等离子体分布的性质由磁场分布确定。固定磁铁阵列210的一种实例形式包括在非磁性基底212上以及在磁性内壳和外壳218和220中径向对称排列的24个磁铁。内壳和外壳为磁铁210提供磁通返回路径。内部和外部场钳214和216的尺寸被调节以在朝向场钳214和216的区域中形成磁场分布B(r，θ，z)。在典型使用中，磁铁阵列210每个是表现出大约35～45兆奥斯特-高斯的场能的Nd Fe B棱镜。该磁极组件的固定排列已经发现对于在与阴极表面相距大约R＝50mm放置的、直径在65～95mm范围内的工件上产生满意均匀性的溅射层是可接受的。在另一种实施方案中，磁极组件86由单独的电机(没有显示)关于相对于工件固定的轴是可旋转的，以获得改进的空间均匀的等离子体限制区。许多磁极结构已知适合于本目的。
溅射体积内的局部压力条件是溅射工序的重要规格。局部无污染真空泵(没有显示)与过程气体，典型地氩的受控流入，以及室压测量设备相结合地操作，以维持期望的环境压力。气流控制使用市场上可买到的质量流量控制器维持在所选速度上。
等离子体密度分布由磁性限制确定。等离子体密度在分布的侧棱处急剧减小，并且作为结果的几何定义在本装置中对于限制等离子体分布在靶上的投影是基本的。孔径104进一步在朝向工件的相反方向上限制溅射通量的轨迹。工件限制孔径106与工件对齐并且将溅射通量局限于工件。这些孔径和工件典型地保持在地电势，但是利用非地偏压的实施方案被认为在本发明的范围内。
实例模块50的设计参数从在典型操作条件(40mTorr的氩气，-200～-600伏特的阴极电势)在静止靶上的侵蚀图案的研究中获得。从这些研究中，获得对于给定磁铁阵列210，入射在靶上的带电粒子的分布的横向伸展。这些侵蚀图案指出溅射在空间上限制在靶表面上2.5英寸的区域。因此，2.5英寸孔径104与磁铁阵列210的中心轴对齐并且与靶表面相隔(0.08英寸)。与工件相隔0.25英寸的孔径106被确定大小以接近匹配工件的大小。虽然圆形对称已经被讨论，本发明并不局限于任何特定几何形状。
溅射是对于所选材料的薄层的沉积已经使用多于四十年的充分理解的现象。溅射的薄膜表现出作为溅射靶的性质，几何形状(工件相对于溅射靶和等离子体放电的位置)，等离子体特性(消耗在放电中的功率，等离子体气体的特性和压力)，溅射暴露的持续时间以及施加到工件和/或溅射装置元件的电偏置的函数的厚度。
在动态模式操作中，厚度为T(Pw，p，δ，Vs)的溅射薄膜在角间隔(dθ/dt)Δt期间获得，其中θ是旋转靶组件的角坐标并且Δt是时间增量，Pw是消耗在等离子体中的瞬时功率，p是压力，Vs是工件偏置并且δ是工件和靶表面的相对分离的测量。对于给定的旋转速度，给定层的厚度在对靶扇面的任何单次暴露期间被限制。图5a到5d显示工件48和两个扇面的靶91(这里钴和铂为了具体性)的相对方向。当靶的旋转使得靶上工件的投影和等离子体分布的投影完全位于Pt扇面内时(图5a)，控制器64，响应轴位置编码器89，使得高压通过常规电刷排列到达旋转溅射靶91，从而开始工件上铂层的沉积。当靶91已经旋转通过使得工件投影和等离子体分布投影足够达到到达Pt沉积界限(接近Co-Pt边界，例如)的角增量(这里，90°)时，沉积终止。控制器通过由轴位置编码器89提供的信号来检测该接近，并且中断供给到靶的阴极高压(图5b)。靶的进一步旋转使得工件的投影和等离子体分布投影完全位于Co扇面内，如通过轴位置编码器信号所指示的，此时控制器64再次使得高压从电源66到达靶(图5c)。溅射继续通过Co扇面的旋转，直到轴位置编码器信号指示接近Pt-Co边界附近的预先选择停止溅射位置。因为优选地靶上工件和等离子体分布的投影完全位于一个靶扇面中，将存在不发生溅射的角间隔。作为结果的占空比依赖于作为限制的工件/等离子体分布与靶的相对尺寸，并且依赖于可以在极限角内移动的实际选择的开始和停止点。对于图5a-d中显示的示出情况，应当理解，有效操作的占空比(dutycycle)接近50％，以保证在靶扇面91a和91b的部分都接近靶91上的等离子体分布投影的角间隔期间，溅射禁止。
对于基于这里所示的圆形对称的沉积模块，工件和靶91的相对尺寸是***操作参数的重要基础。以直线几何形状排列的多个不连续靶阵列是上述处理模块的变体。热量通过冷却子***62的作用从各个溅射设备51和52的溅射靶的每个去除，以支持使用1升/秒的冷却剂流量(水，环境入口温度)从溅射组件50的每个溅射设备去除大约1.5千瓦热能的需求，其中冷却子***62包括冷却泵，热交换器，水冷却器，温度和质量流量传感器等。冷却管理子***62属于常规设计和构造，从而不需要详细描述。
溅射模块控制器64(“控制器64”)驱动包括溅射靶91a，91b(以及可选地，旋转等离子体限制磁铁)的旋转靶91，从支撑旋转靶的各个轴位置编码器接收轴角位置信息。从该轴位置编码器信息中，控制器64使得高压电源66的输出在相应多元素靶轮的旋转的预先选择角间隔期间到达各个溅射组件51和52的溅射靶。控制器也在电源接通之前选择相应靶扇面的功率电平。
控制器64也连续地监控多种局部错误状态，并且将错误状态条件返回到***平台控制器。控制器64也初始化自身，以实践来自通过用户接口69提供的信息的指定制程配方。
几何形状和压力在生产序列期间基本上不变，但是功率，双层的数目和层厚度通过控制器64的操作是可明确选择的。特别地，功率可以在宽范围上可选地控制，并且建立在与靶相对应的所选离散值。图8显示对于多个功率消耗值的相对薄膜厚度的依赖性和对于15双层Pt-Co序列靶组件旋转速度。曲线是对于以60埃/千瓦-秒的溅射速度在需要沉积的靶处功率消耗的许多值而计算。菱形点代表在1kW的额定功率消耗处获得的并且由X射线荧光测量的实际沉积薄膜数据。作为恒定阴极旋转速度时的实际功率消耗的函数的许多薄膜厚度由正方形数据点指示。厚度由放电被允许(enable)的时间间隔明确限定。该间隔可以进一步由脉冲操作限定，或者间隔可以通过在多个靶组件的连续旋转期间溅射沉积仅一种所选材料来扩展。对于信息存储介质的制造，通常是在介质的相对平面表面上产生存储能力。这里描述的模块为此目的通过接近工件另一面的另一个靶组件例如52的放置，容易是对称的，如上面所讨论的。模块的几个部件可以在单独的平面沉积之间共享。例如，相同电机84可以提供转矩到全部两个靶组件的轴。控制器64典型地操作全部两个靶组件。根据本发明，在0.2～1.0kV范围内可操作的5Kw高压电源已经发现足够激发并维持用于溅射的放电。
本发明模块的控制器与用于镀膜的衬底向模块中的引入及在那里的放置协同地操作。图7a-f显示从放置在相对于静止工件旋转的公共阴极/热沉上的两个靶，分别为TG1和TG2溅射的双层序列的动态执行的典型流程图(以常规流程图表示法)。在400，通用用户接口提供序列的操作制程配方。模块50的初始化在块402发生，并且控制程序逻辑变量在406，408和409处类似地初始化，以反映从用户接口400获得的制程配方数据。伺服电机84达到指定的旋转速度，并且序列可用于选择两个功率电平的一个以选择与各自靶相对应的等离子体中功率消耗的数量级，当在检测到相应靶的限定角位置(在502，602，702，802)之后等离子体电源实际上接通(gated on)而在检测到那个靶的溅射扇面结束(在504，604，704，804)之后切断(gated off)时。溅射的(或者备选地，待溅射的)层的数目增加(减少)以看作进一步层沉积的循环指标。在简单的双层序列中，相应靶的溅射层以等离子体中功率消耗的相应数量级完成，并且功率电平可以在预期下一个靶扇面中而立即重置。
除了图7a-g的过程执行的主线之外，状态线(图7f)监控许多状态并且将模块50的状态提供到***平台控制器。容易理解，例如，要求模块50内停止执行的模块50内的错误状态影响在前的过程站以及衬底传送***20的操作。更复杂的制程配方，如图6b中举例说明的，要求类似的，虽然相应更复杂的控制器序列。静态过程执行在略微简单的指令集中描述，因为靶轮直接位于期望的角位置中。
图7a-f涉及在特定溅射模块50中发生的多次沉积的特定序列的管理。为了说明该流程图，发现必须跨越许多图和页来展开图。因此之故，索引数字用来显示在不同页上继续的位置。例如410出现在图7a和图7f上，企图显示流程从7a到7f。470显示在图7a，7c和7d上指出。其他许多索引数字例如420(7a到7b到7c)，440(输出7b，输入7d)，450(7b到7c)，460(7b到7c)，430(7b到7c)，490(7d，两次出现和7e)，480(7d和7e)，以及409(7d的出和在7e上入)起该流程图的连接段的类似作用。注意用于标识的所有数字被划圈显示。通常，衬底将已经在一个和多个在前子站中经历处理，可以产生基层。随后的过程站可用于沉积一个和多个可以由最终设备要求的不同功能或表面保护层。
除了在图7a-f的典型流程图中显示的之外，许多条件可以被监控或调节。例如，可旋转磁极组件86的旋转，室压，起源于***平台控制器的状态信息是可以在控制器64中处理的更多参数的典型。每个靶部分的侵蚀可以单独地记录，并且靶的状态(例如，即将发生的寿命终止，剩余的有用靶寿命)与其他模块状态信息一起确定和显示或者处理。
两种材料的N个相等双层序列的涂敷的时序图在图6a中给出。盘的旋转为了绘图方便在图底部的正弦曲线中描绘。到靶的高压根据阴极电源信号而被允许。对于该实例，两种材料每种占据靶的大约180°，并且与维持从各个材料的专用溅射(exclusive sputtering)一致(图5a-d)，阴极上电状态占据在从旋转编码器获得的相应材料给定值逻辑内居中的靶旋转的90°。材料给定值逻辑(Material SetpointLogic)包括将等离子体功率的特定值与待溅射的下一种材料相关的操作。图6b是推广到两种材料以3∶1，2∶2，3∶2的层厚度比在连续层中溅射的情况的实例。对于该序列，在5π旋转间隔期间，第一材料M1溅射3次(阴极电源被允许3次)，第二材料(M2)在紧接着的π角间隔期间溅射一次，然后M1在紧接着的3π间隔期间溅射一次，类似地M2在其次的3π间隔期间溅射一次。在旋转的紧接着5π期间，M1再次在大约π/2窗口期间溅射3次，继之以3π旋转间隔，在此期间M2溅射被允许。
对于(典型)盘形工件，如所描述的旋转多板材溅射装置每次旋转的占空比依赖于靶扇面与由等离子体分布在靶上的投影对着的角度大小的相对角度大小。过程的所有其他方面是相同的，存在处理的动态模式的占空比的几何基础。虽然工件的大小受本发明限制，工件的大小不是占空比的主要决定要素，该占空比术语正如通常被理解的。序列的相邻层之间的无交叉污染的需求是严格的，并且由于除非等离子体分布在靶扇面上的投影完全位于那个扇面内溅射不能开始的约束，因此被满足。  (在典型的应用中，工件在靶上的投影与由适当孔径限定的靶上等离子体分布投影对齐，并且不大于等离子体分布投影)。由此可见，在相对旋转中，溅射不被允许，直到靶上等离子体投影的后沿已经跨越第一扇面边界，并且当那个投影的前沿接近那个扇面的剩余边界时，溅射必须禁止。因此，扇面的角度大小必须大于从靶旋转中心由等离子体分布对着的角度大小。在最简单的情况下，如这里举例说明的，存在有相等角度大小的两个靶扇面。等离子体分布的最大角度大小是π/2并且每个溅射沉积薄膜每次旋转的占空比接近50％。
本发明产品的商业重要种类是用于旋转海量存储器的介质。虽然适应一定范围的衬底尺寸是一种设计选择，作为实践要素，这种磁盘存储介质由工业标准固定尺寸。对于相对大的靶轮半径，溅射靶扇面变得成比例地更昂贵，并且惯性的转矩粗略地随着靶半径的平方增加。因此，用于驱动靶轮的电机从而必须特定。对于上述实施方案，原型(prototype)已经使用12.5英寸的靶轮直径构造，用于从2个扇面靶在高达95mm直径的衬底的两面上产生一系列Co-Pt层，每个扇面基本上对着π。
动态操作的占空比暗示着非操作间隔。对于上述方案，占空比是几何形状的结果。在操作的轻微变化中，占空比可以通过在旋转的非溅射区域中加速电机84并且当靶扇面边界接近时减速回在前的运动状态来动态地增加。动态模式沉积以相对运动的恒定速度发生是优选的，但不是必要条件。
上面讨论的圆形几何形状实例具有靶面积部分大小选择的更多自由度。虽然相等的180°扇面已经被讨论和显示，扇面大小的选择依赖于过程和工件大小。最小大小扇面必须至少与工件一样大，以便适应处理的静态模式，并且对于无交叉污染的动态模式处理，与溅射仅当靶上的等离子体投影完全位于给定扇面的边界内时被允许的需求一致，靶上等离子体轨道的角度大小必须小于靶扇面的角度大小。
两种处理模式的组合代表说明本发明灵活性的又一种实施方案。例如，考虑π/2大小的靶扇面“A”和3π/2大小的靶扇面“B”。在该实例中，π/2大小的工件可以接收从靶扇面A的静态溅射和从靶扇面B的动态溅射。
虽然本发明已经参考特定实施方案和实例描述，考虑到上面的讲授，其他修改和变化将由本领域技术人员想到。靶扇面和工件的相对大小可以与所描述的不同，除了被明显限定的。靶扇面的数目是过程选择的要素。应当理解，在附加权利要求书的范围内，本发明可以与具体描述不同地实践。

Claims (13)

1.一种在工件上溅射沉积一系列均匀层的方法，其中相邻的所述层包括不同物质，所述方法在一个外壳内执行，包括步骤：
(a)在靶衬底的第一部分上准备第一可溅射物质，并且在所述靶衬底的第二部分上准备第二可溅射物质，
(b)在所述靶衬底的一个所选择的所述部分基本上附近放置所述工件，
(c)将惰性气体引入到所述外壳中，并且在所述外壳中产生电等离子体放电以从所述靶提供用于溅射的离子源，
(d)施加磁场以限制所述等离子体放电，施加偏电势到所述靶部分并且***一个孔径以使得来自入射到所述靶上的所述等离子体的离子局限于所述靶的所述所选择的部分，并且在所述工件上溅射沉积所述一个所选择的部分的所述物质，
(e)在所述靶衬底的另一个所选择的所述部分的基本上附近放置所述工件，
(f)在溅射期间引起所述靶衬底的连续旋转以便相邻于所述工件排序第一可溅射物质然后是第二可溅射物质，以及
(g)在所述工件上从所述另一个所选择的部分溅射沉积另一种所述物质。
2.根据权利要求1的方法，其中所述放置步骤包括基本上与所述工件的表面共形、面向且相隔地定向所述工件的表面。
3.根据权利要求2的方法，其中所述溅射沉积步骤还包括使得溅射沉积局限于与所述靶衬底相隔的所述表面。
4.一种通过从公共靶衬底的一系列溅射靶部分的溅射来在工件上涂敷连续涂层的方法，包括：
(a)在溅射操作期间引起所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动状态，
(b)感测一个所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积，
(c)终止从所述靶部分的溅射沉积，同时继续所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动，
(d)相对于另一种材料的另一个靶部分重复步骤(b)和(c)。
5.根据权利要求4的方法，其中所述启动和终止步骤在所述相对运动状态期间发生。
6.根据权利要求4的方法，包括在所述感测步骤之后停止所述相对运动。
7.根据权利要求5的方法，其中所述终止步骤还包括加速所述靶直到感测到接近另一个靶部分的相对放置，然后减速所述靶以返回到所述相对运动状态。
8.一种用于溅射沉积多种可溅射材料的靶组件，包括：
(a)热沉，包括在其中的管道网络并且具有用于冷却剂流体的循环的入口和出口，
(b)多个分立的可溅射靶部分，其与所述热沉热连通地放置，每个所述部分包括一种所选择的可溅射材料，
(c)支撑所述热沉用于旋转运动的轴，所述轴包括同轴管状结构，该结构确定用于在朝向和离开所述热沉的各个方向上通过所述冷却流体的两个空间，所述冷却流体与所述热沉热连通，以及
(d)所述轴还包括用于建立所述轴的方位角位置的轴编码器。
9.根据权利要求8的靶组件，还包括所述多个分立的可溅射靶部分之间的电绝缘。
10.一种用于在工件表面上沉积一系列不同溅射薄膜的溅射沉积模块，包括：
(a)用于所述工件的***和移除的真空密封外壳，
(b)构成所述外壳一部分的靶组件，所述靶组件用于在所述工件上非同时溅射沉积多种可溅射材料的每一种，靶组件包括：
热沉，包括在其中的管道网络并且具有用于使冷却剂流体通过所述热沉进行循环的入口和出口，
多个可溅射靶部分，其与所述热沉热连通地放置，每个所述部分包括一种所选择的可溅射材料，
(c)用于在溅射操作期间产生所述靶组件和所述工件之间的连续相对运动的电机，
(d)用于启动等离子体放电的电源，以及
(e)用于感测所述靶组件和所述工件的相对位置的轴位置编码器。
11.根据权利要求10的溅射沉积模块，还包括用于将所述等离子体放电限制在一个所选择的区域的磁极组件。
12.根据权利要求11的溅射沉积模块，其中所述所选择的区域包括大于溅射沉积发生在其上的所述工件表面的面积。
13.一种通过从放置在公共靶衬底上的多个溅射靶部分的溅射而在工件上涂敷连续涂层的方法，包括：
a)在溅射操作期间引起所述工件和所述公共靶之间的连续相对运动状态，
b)感测第一所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积，
c)感测所述第一所述靶部分相对于所述工件的第二预先选择相对放置，并且终止从所述靶部分的溅射沉积，以及
d)感测第二所述靶部分相对于所述工件的第一预先选择相对放置，并且启动从所述靶部分的溅射沉积。
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