CN117480272A

CN117480272A - 导电的硅溅射靶

Info

Publication number: CN117480272A
Application number: CN202280041832.0A
Authority: CN
Inventors: W·德博斯谢尔; I·卡雷蒂吉安加斯普罗; 蔺裕平
Original assignee: Solai Coating Industry Jiangyin Co ltd; Solay Advanced Coating Industry Co ltd
Current assignee: Solai Coating Industry Jiangyin Co ltd; Solay Advanced Coating Industry Co ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2022-07-15
Publication date: 2024-01-30
Also published as: BE1029590A1; CN115700294A; TW202305157A; WO2023285639A1; BE1029590B1; EP4370724A1

Abstract

一种用于溅射的靶(10)，其具有用于溅射的靶材(11)，该靶材(11)包含层状结构和至少1％的孔隙率，并且具有低于1000ohm.cm的电阻率，例如低于100ohm.cm，例如诸如低于10ohm.cm，该靶材还包含硅以及来自元素周期表的第13族和/或第15族的至少一种附加元素，其中硅的量是至少98wt.％，更优选至少99wt.％，更优选高于99.5wt.％，并且该至少一种附加元素的量是高于0.001wt.％且低于0.03wt.％，其中所述量不包括氮量，如果存在氮的话。还提供了一种制造方法和溅射方法。

Description

导电的硅溅射靶

技术领域

本发明涉及硅溅射靶的领域。更具体地，本发明涉及导电硅溅射靶及其生产方法，以及一种溅射方法。

背景技术

通过溅射来沉积材料的技术被知晓已有几十年。典型地，在存在惰性气体(诸如氩气)或活性气体(诸如氧气或氮气)的低压室中产生等离子体，并对所谓的“溅射靶”(包含要沉积的材料)施加高的负电压。气体原子可被电离，并且溅射靶被正的气体离子轰击，使得原子脱离溅射靶并移动到“基底”，它们被沉积在该基底上。

可以标识出三种电源：DC电源、AC或脉冲电源(在kHz的范围内，例如频率为1到100kHz)和RF电源(在MHz的范围内，例如频率为0.3到100MHz)。由此，溅射可被分类为DC溅射、AC溅射或RF溅射。在溅射靶包含导电溅射材料并且沉积层也具有一定程度的导电性时典型使用DC电源。当沉积层具有低导电性或者其为电介质时典型使用AC电源。当溅射靶具有低导电性或者其为绝缘时典型使用RF电源。当使用RF时，对于相同的功率水平的溅射速率典型地显著低于DC工艺，并且RF电源的电子设备的每瓦成本通常更高。

Si靶的溅射是惯常做法并且用于许多应用。特别是在反应性气体环境中从Si靶溅射在许多光学应用中是众所周知的。这些应用包括用于建筑玻璃的氮化硅沉积，可以为其提供高折射率层，或在刚性和柔性透明基底上的光学堆叠体内的二氧化硅沉积，从而提供低折射率材料层以便与堆叠体的其他层产生光学干涉。

纯Si靶是完全绝缘的，除非它们含有某种类型和水平的杂质或掺杂，这对于限定材料的导电性和促进溅射工艺是至关重要的。然而，这些杂质的存在可能对沉积速率和沉积层的特性产生负面影响。在薄膜制造中通常需要高的沉积速率以便i)通过允许用于溅射的涂布机的高生产线速度来实现高生产量或者ii)通过允许较低的溅射功率来降低能耗。

对于氮化硅沉积，通常在包含氮气的环境中溅射包含2到20wt.％Al的Si靶。由于沉积层的绝缘性质，典型使用AC溅射。添加Al有助于提高靶导电性和工艺稳定性，同时所述层的光学特性仍符合要求，因为AlN具有高的折射率。然而，由于铝在靶中的化合物形成，沉积速率可能降低。

通常，使用Si靶来提供二氧化硅沉积，以允许非常低的折射率。二氧化硅的沉积速率典型比氮化硅的沉积速率低得多。在用于溅射SiO₂薄膜的某些应用中也使用具有至多10wt.％的Al掺杂的Si靶。然而，向靶中添加Al以提高其导电性可损害沉积速率和光学特性，因为所形成的Al₂O₃具有显著更低的溅射速率并且将提高沉积层的折射率。

因此期望提供一种硅靶，该硅靶具有纯硅靶的优点，但却具有导电靶提供的有效且稳定的沉积，以及高的沉积速率。

发明内容

本发明的目标是提供良好溅射和良好溅射靶，及其生产方法，这允许以高效溅射和高沉积速率来提供包括硅的层。

以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。

本发明提供了一种溅射靶，该溅射靶具有包含层状结构和至少1％的孔隙率的用于溅射的靶材。它的电阻率低于1000ohm.cm，更优选低于100ohm.cm，例如低于10ohm.cm。该靶材包括的硅量是至少98wt.％量，更优选至少99wt.％，诸如高于99.5wt.％。它还包括来自元素周期表的第13族和/或第15族的至少一种附加元素，其中所述至少一种附加元素的量低于0.03wt.％但高于0.001wt.％。本发明实施方案的优点在于，可以向硅层提供来自第13族或第15族的掺杂剂，而不会对沉积速率或光学特性产生负面影响。所述量不包括氮的量，如果存在氮的话。

本发明的实施方案的优点在于，对于氧化硅或氮化硅层能够在AC或甚至DC溅射中获得高的靶溅射速率和稳定的溅射，而不需要RF溅射。优点在于能够以高的沉积速率和对溅射功率的高效利用来提供具有定制光学指数的光学层。

发明人发现，如上文所述的靶材的组成可使得靶电阻率不会过高，从而允许以低于RF的频率进行溅射，诸如MF AC，甚至DC，例如脉冲DC，同时还具有不会过低的靶电阻率。令人惊奇地发现，所得靶电阻率允许以此频率(例如DC)进行溅射，同时还导致溅射过程随着时间推移的良好稳定性，避免溅射过程中的电弧和其他不稳定性。

该至少一种附加元素包括来自元素周期表的第13族的元素，因此是p型掺杂剂。例如，该元素可以是硼。

本发明的实施方案的优点在于能够以快速、稳定的方式为具有p型掺杂的硅层提供来自第13族的掺杂剂。

在一些实施方案中，所述靶可包括低于0.5wt.％的量的氧和/或氮。

在一些实施方案中，所述靶材包括具有至少500mm(例如，至少800mm)长度的用于溅射的单块靶材或由该单块靶材组成。

本发明的实施方案的优点在于能够使用较少或不使用拼贴件(tile)来提供单块，由此减小诸如来自拼贴件边缘的电弧或拼贴件边缘的腐蚀等影响。

在一些实施方案中，所述靶包含厚度为至少4mm的用于溅射的材料。本发明的实施方案的优点在于可以向单个靶提供大量层，该单个靶由于层状结构而是耐久且有弹性的靶。

在一些实施方案中，所述靶是圆柱形(cylindrical)靶。

本发明的实施方案的优点在于所述靶可以承受功率密度高于30kW AC/m的溅射，例如35kW AC/m或更高，诸如40kW AC/m且甚至高于50kW AC/m，而不会分层、开裂或产生任何其他材料缺陷。

在另一方面，本发明提供了一种使用本发明的前一方面的靶来进行溅射的方法，包括提供本发明的靶并使用该靶提供溅射，以便在AC或DC溅射中以高于30kW/m的功率密度沉积包含硅的层，例如35kW/m或更高，诸如40kW/m，以及甚至高于50kW/m。

在一些实施方案中，该方法被适配成在非反应性气氛中或者在包含氧气和/或氮气的反应性气氛中提供溅射。

在一些实施方案中，在溅射期间在溅射或沉积室中的工作压力在0.1Pa和10Pa之间的范围。

在另一方面，本发明提供了一种用于制造靶的制造方法，例如根据本发明的第一方面的实施方案的靶。该方法包括：

-以可喷涂形式提供硅，

-以可喷涂形式提供来自元素周期表第13族或第15族的至少一种附加元素，

-提供背衬基底，和

-以一定量并且按溅射参数将所述硅和所述至少一种附加元素喷涂在该背衬基底上，所述量和溅射参数被配置成使得形成具有至少1％的孔隙率的靶，并且包括至少98wt.％的硅，更优选至少99wt.％或甚至高于99.5wt.％的硅，以及大于0.001wt.％但小于0.03wt.％的来自元素周期表第13族或第15族的至少一种附加元素。所述至少一种附加元素的量不包括氮量，如果存在氮的话。

本发明的实施方案的优点在于，可通过喷涂来获得靶，并且对掺杂剂的浓度的控制非常精确，以便提供具有高溅射速率和相对较高的导电性的靶以用于稳定的AC或DC溅射。

在一些实施方案中，通过热喷涂(例如，等离子体喷涂)来进行喷涂。

在所附的独立权利要求和从属权利要求中陈述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以酌情与独立权利要求的特征以及与其它从属权利要求的特征相结合，而不仅仅如权利要求中明确所述。

参考下文所述的实施方案，本发明的这些和其它方面将变得清楚并得到阐明。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施方案的靶。

图2示出了比较图，该比较图显示了现有靶和根据本发明实施方案的靶的随溅射期间的氧气流量变化的不同动态沉积速率。

图3示出了图2中的用虚线矩形200指示的曲线的细节。

图4示出了比较图，该比较图显示了现有靶和根据本发明实施方案的靶的随溅射期间的氮气流量变化的不同动态沉积速率。

图5示出了根据本发明实施方案的靶溅射方法的方案。

图6示出了根据本发明实施方案的靶制造方法的方案。

附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，一些要素的尺寸可能被放大并且没有按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实施方式

将针对特定实施方案并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。尺寸和相对尺寸并不对应于实施本发明的实际缩减。

在说明书和权利要求书中，术语第一、第二等用于区分相似的要素，而不一定用于描述在时间上、空间上、等级上或任何其它方式上的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明实施方案能够以不同于本文所述或所示的其它顺序来操作。

此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文所述的本发明实施方案能够以不同于本文所述或示出的其它取向来操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包含”不应被解释为局限于其后列出的装置；它不排除其它要素或步骤。因此，应解释为指定存在所提及的所述特征、整数、步骤或元件，但并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、步骤或元件或其组。因此，表述“包含装置A和B的设备”的范围不应局限于仅由元件A和B组成的设备；而是它也可以包括仅由元件A和B组成的设备。这意味着，对于本发明，该设备的唯一相关元件是A和B。

在整个说明书中，对“一个实施方案”或“实施方案”的引用是指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定都是指同一实施方案，而是可以指同一实施方案。此外，本领域的普通技术人员从本公开的内容将清楚，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施方案的描述中，有时将本发明的各种特征组合在单个实施方案、附图或其描述中，以简化本公开并且帮助理解各个发明方面中的一个或多个。然而，本公开方法不应被解释为反映如下的意图：要求保护的发明所需特征多于每个权利要求中明确叙述的特征。相反，如所附权利要求反映的，本发明的方面不在于单个上述公开实施方案的所有特征。因此，在详细描述之后的权利要求书在此被明确地纳入该详细描述中，且每个权利要求独立地作为本发明的不同实施方案。

此外，虽然本文描述的一些实施方案包括其他实施方案中所包括的一些特征而非其他特征，但是不同实施方案的特征的组合旨在处于本发明的范围内，并且形成不同的实施方案，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在以下权利要求中，任何要求保护的实施方案都能够以任何组合使用。

在本文提供的说明书中，列出了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施方案。在其它情况下，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。

在本发明的实施方案中只要提及溅射速率和沉积速率，就是分别指代材料离开靶的通量密度以及材料到达基底的通量密度。

硅被广泛用作涂层的一部分，并且这是从微电子到建筑结构的广泛应用范围的一部分。然而，纯硅不是良好的电导体，这导致在电流通过时在靶材上的电阻性功率损耗。一些应用要求在层中存在其他材料，诸如氧或氮。这些可经由反应性溅射通过取决于需求而在包括氧或氮的环境中进行溅射来提供。然而，这些气体及其量也影响溅射工艺。溅射速率取决于气体流量而变化，并且气体可以在靶材仍在靶中时与靶材起反应。

本发明允许以低的掺杂和杂质水平提供高纯Si靶材产品，同时维持良好的导电性用于DC或AC(例如，在500kHz下)模式中的稳定溅射。

该靶材产品具有层状(lamellar)结构，例如它由重叠溅片(splat)形成的层状结构组成，这例如通过热喷涂的生产方法获得，并且靶材中的硅量是至少98％，例如99％或高于99.5wt.％，但它掺杂有具有低于0.03wt.％的至少一种掺杂材料，如下文所指定的。

具体而言，Si靶材产品掺杂有来自元素周期表的第13或15族的一种或多种元素，或其组合。靶材中的第13族或第15族掺杂剂(不包括氮)的量低于0.03wt.％。这些靶由于通过喷涂的制造方法而呈现出层状的类溅片显微结构。因此，这些靶也展现出一些有限的孔隙率。已观察到这些特性的组合允许以更高的可实现沉积速率和溅射功率密度以更高效且更稳定的方式溅射Si化合物层，相比于现有技术的Si靶材而言；甚至在DC或AC模式中亦如此，同时可维持足够高的导电性。

在第一方面，本发明提供了一种溅射靶，其包括具有例如通过喷涂提供的层状结构的溅射用靶材。用于溅射的材料可提供在载体上方，例如在载体上的粘结涂层上。所述靶可包含至少4mm的用于溅射的材料。

作为溅射用材料的硅呈现出高的内应力，从而限制靶材的可用厚度。随着硅厚度的增加，应力也增大，这可导致靶材的开裂或分层。当硅靶材在溅射期间经受高功率密度时尤其如此。本发明的用于溅射的靶材呈现出由所喷涂的材料的重叠溅片形成的层状结构。受益于该层状结构和孔隙度，可以向弹性靶提供以高厚度，例如大于4mm，诸如6mm或甚至9mm及以上，而无开裂等现象。

此外，尽管掺杂剂的浓度相对较低，但导电性足够好以提供低的电损耗以及足够好的导热性，从而允许更高效的功率利用和更高的功率密度，因为热过载和开裂的风险较低。由此，可以在整个使用寿命中受益，因为开裂的几率低，并且具有高效的能量利用(由于低损耗而导致的更好的电能利用)。不包括氮的第13或15族的掺杂剂的量可高于0.001wt.％。

在一些实施方案中，掺杂材料包括来自元素周期表的第13族的元素。在与电子设备相关的应用中，这些材料能够提供p掺杂型硅层。在特定实施方案中，靶材包含硼。在一些实施方案中，掺杂材料包括有意义数量的仅一种来自第13族的元素(例如，仅硼)，其他掺杂材料的量(来自不同族和/或甚至来自第13族本身)可忽略不计，条件是氮不被认为是掺杂材料的一部分。

所述靶可以是扁平的(planar)或圆柱形的。用于溅射的材料可以是具有至少500mm长度的单块(例如至少800mm)，例如至少500mm或至少800mm轴向长度的圆柱体，或者至少一个维度(例如长度或宽度)或两个维度为至少500mm或至少800mm的扁平靶。例如，图1示出了具有层状结构的单块靶材11的圆柱形靶10的狭长剖面图。通过直接在载体13上进行喷涂来提供靶材11，任选在载体13的粘结层12上。粘结层可包含例如Cu、Ni或相关金属合金。

所述靶呈现出低于10％的孔隙率，典型低于5％。例如，孔隙率可以是1％或更高。与完全致密的靶材相比，这允许从靶表面轻易地移除颗粒。

现有的纯Si靶通常呈现出相对较高的电阻，从而在靶材上导致大的压降，这会导致因电阻加热的功率损失，从而增加开裂的风险以及电荷积累和随后发生电弧的风险，并最终导致较低的沉积速率。然而，本发明的实施方案中的靶呈现出低于1000Ohm.cm的电阻率，诸如低于100Ohm.cm，或甚至低于10Ohm.cm，诸如接近1Ohm.cm，然而高于0.1Ohm.cm，以使得这些靶不需要RF溅射。由于轻掺杂，因此保留了溅射高纯硅的优点，同时改善效率和电源可用性。这足以提供AC溅射(例如，以低于500Hz的频率)或甚至DC溅射，从而允许纯Si靶上的高功率密度负载，而不会超过临界应力水平，超过临界应力水平可导致材料失效。

专利申请WO 2020/099438在参照图8至图11的段落中公开了用于测量靶的电阻率和电阻的不同方法。这些方法可以用于本发明中。

在下文中，将讨论沉积速率和相关参数以便适当地建立本发明的靶材与现有靶材之间的比较。

如果其余工艺变量被认为是恒定的，则沉积层的厚度通常与对沉积源的曝露时间基本上成比例。从每曝露时间单位的沉积层厚度(例如，nm/min)获得沉积速率(DR)。该单位经常用于小型涂布机，或者在分批涂布机中被取作平均值，而待涂覆的基底可经历许多循环沉积步骤。

动态沉积速率(DDR)是经常用于在线涂布机的参数，其中通常呈现沉积区域的基底被传输通过一个或多个涂布机隔室，其中至少一个隔室包括沉积源。就在线涂布机而言，沉积层厚度与沿沉积源的传输速度成反比。因此，层厚度乘以传输速度是恒定的，并且它经常以nm.m/min为单位来表示(即，以nm为单位的层厚度乘以用m/min为单位的基底速度)。

磁控管的功率水平对沉积速率具有重要影响。在一阶近似中并且如果其余工艺变量被认为是恒定的，则溅射速率与所施加的功率水平成线性比例。然而，所施加的功率被施加在靶上，并且其分布在靶尺寸上。这实际上意味着，溅射速率可被认为与功率密度线性成比例。沉积速率(其为颗粒沉积在基底上的速率)始终小于溅射速率，并且对于预定的配置(涂布几何形状、工艺条件等)，沉积速率可被认为与溅射速率成比例。沉积在所有表面上的颗粒量加上与剩余气体一起被抽走的任何颗粒量可被认为等于所溅射的颗粒量。

对于扁平靶，在该靶上的这种功率分布经常被表示为每靶表面面积的功率水平(例如以W/cm²为单位)。然而，限定用于旋转圆柱形磁控管的区域是较为困难的。

功率密度补偿的动态沉积速率(PDC DDR)是基于提供用于旋转圆柱形磁控管的功率密度的模型。该模型意味着溅射主要在沿圆柱体的线上进行，因为表面区域和等离子区典型是非常不同的。可以每靶长度的功率水平(例如，以kW/m为单位)获得PDC DDR。在特定工艺条件下(例如，在固定压力下在纯Ar中的金属溅射)，其可被认为是(靶)材料常量。

典型使用PDC DDR以允许比较具有不同的涂层厚度和/或以多个功率密度生产和/或各种玻璃输送速度下的样品的沉积速率。对于给定的靶组成和工艺条件，对于层厚度、基底输送速度和/或功率水平的一阶计算，PDC DDR是容易且非常灵活的参数。

例如，给定材料具有6(nm.m/min)/(kW/m)的PDC DDR。单个1米长的靶可包括这一给定材料用于溅射。在这样的示例性靶上，使用约20kW的功率水平，以3m/min的输送速度于在线涂布机中输送基底时，可以预计基底上的层厚度为约

(6nm·m/min/kW/m)×(20kW/1m)/(3m/min)＝40nm

更根本地，PDC DDR值与原子到靶表面的平均结合能(也称为升华热)成反比。

PDC DDR允许独立于具体的圆柱形靶尺寸来比较材料性能，因为在一级近似中，PDC DDR可被认为是针对给定工艺的材料常数(例如，取决于被添加到环境中的反应性气体的量)。

可使用以上定义来获得现有靶材的动态沉积速率。在相同条件下，还可获得根据本发明的靶材的动态沉积速率。

获取若干靶，既有现有靶材，也有本发明的靶材。这些样品被如下标记：现有靶材被标记为低掺杂的Si和SiAl8，而根据本发明的样品被标记为“新Si”，正如将进一步解释的。

图2至图4中示出了对于不同的反应性物质(氧和氮)，随流量变化的DDR结果，DDR以每分钟标准立方厘米(sccm)为单位。可以看到，一般而言，根据本发明的靶材允许比现有材料高至少10％的DDR。图2关注于氧气流量。图4关注于氮气流量。图3示出了图2中用虚线矩形200指示的放大部分。

溅射条件对于所有靶和气体都是相同的：使用18kw/m的功率密度和0.3Pa的压力以约30kHz的频率进行AC溅射。环境可包括反应性气体，在图2和图3的情形中该反应性气体是氧气。其可包括其他气体，诸如放电气体(通常是非反应性气体，例如氩气)。硅材料被溅射到基底上，它与周围的氧气起反应从而形成氧化硅，该氧化硅被认为是透明的。

由双线包围的区域100示出了可能以高DDR提供不透明层的流量值。靶材可以表现为具有滞后行为的金属靶材。这意味着反应性气体分压随着进入腔室的氧气流量而呈现出滞后。在低氧气流量下，该过程以所谓的金属模式运行并且沉积层具有金属特性。在该图的这个区域中的条件下的沉积层主要是硅，包含被纳入到该层中的一些微量的反应性气体。由此，因为硅不是透明材料，所以观察到不透明层。在较高的氧气流量下，化合物层形成于基底上，而且也形成于靶表面上。该过程现在以所谓的中毒模式运行并且沉积的氧化层具有陶瓷特性。从金属模式到中毒模式的转变点发生在与反向转变不同的阈值氧气流量下。与中毒模式相比，金属溅射模式中的靶相对较快地溅射，因此其需要更多的反应性气体以转变至中毒模式。中毒模式中的靶(或中毒的靶)比金属模式中的靶更慢地溅射，从而需要比从金属模式到中毒模式的转变更少的反应性气体来转变回到金属模式溅射。而且，这取决于靶表面的当前状态，并且在较小程度上取决于靶材的组成，这解释了区域100的形状。掺杂剂向将要以DC或AC溅射的靶材主体提供足够的导电性。其中“金属”靶较快地溅射而“中毒”靶较慢地溅射的滞后行为主要与靶的表面调整相关。当然，电阻率取决于掺杂剂水平，因此对于较低量的掺杂剂，电阻率往往增加，因此在电阻加热中损失了更大部分的施加功率。这导致滞后转变区朝向较低反应性气体流量的偏移，如同施加了较低功率水平。事实上，在较低功率水平下，靶表面的溅射清洁减少，相同的反应性气体分压产生更多的表面中毒。

图3仅仅关注于获得透明氧化硅层的条件，并且其中DDR随氧气流量的变化是平滑的，即处于中毒模式。

实验中所用的材料包括现有的SiAl8靶材(其组成包括92wt.％Si和8wt.％Al)，以及现有的高纯度低掺杂的Si靶材。

根据本发明的靶材被标记为新Si。在金属溅射条件(其中氧气流量为零)下，新Si提供的沉积速率低于现有的SiAl靶材，因为新Si的电阻更高。在纯金属模式中，新Si靶的性能类似于高纯度低掺杂的Si靶材。在优选的工艺条件(即以下情形：溅射条件提供中毒模式的溅射并且反应性气体流量减小到恰好在靶溅射将回到金属状态的流量值之前的点)，对于根据本发明的靶材，DDR增加。例如，在100sccm的流量下，新Si的DDR是现有材料低掺杂的Si的DDR的值的几乎两倍，如图3所示。

可以看到，考虑到滞后行为并且如图3所示，中毒的靶切换回到金属模式的反应性气体工作点对于新Si靶是更高的(约100sccm，参见水平标度)。这与其在该点处的更高DDR一致(几乎3个DDR单位，参见竖直标度)。事实上，100sccm氧气的反应性气体流量不足以将靶保持在中毒模式；更高的DDR和表面清洁溅射效应可允许新Si靶切换回到金属模式。现有技术的Si靶(SiAl8和低掺杂的Si)在中毒模式中更慢地溅射，由此表面清洁效应不足以转变至金属模式，并且在100sccm下保持中毒：在溅射清洁变得高到足以平衡中毒效应之前流量需要进一步降低，例如降低至80sccm，从而允许靶回到金属模式。这也可通过较低的DDR来看到。可以从中毒靶的任何点提供全透明层，因为当靶中毒时，则沉积层当然具有完全化学计量的化合物组成。图3中的任何工作点可提供透明层的沉积。

可使用氮气作为反应物质来提供第二主要反应性溅射。如先前解释的，与硅靶相结合，还可以通过在包含氮气的反应性气氛中的溅射沉积来提供氮化硅层，以用于例如建筑玻璃，对于该建筑玻璃可使用大型靶(例如大于800mm)。

图4示出了与根据本发明的靶相比的现有靶的动态沉积速率(DDR)，其随着以每分钟标准立方厘米(sccm)为单位的氮气流量而变化。由双线包围的区域300示出了可提供不透明层的流量值，该不透明层取决于氮气流量。然而，对于氮气气氛中的沉积不存在滞后行为(因为在该情形中氮化物的溅射速率足够高并且更接近金属模式的溅射速率)。采用氮气流量从不透明层沉积到透明层沉积的DDR的转变是平滑的。然而，存在转变的点对于不同材料是不同的。对于标记为新Si的样品是如此情形，其中转变发生在比其余靶材稍微更高的氮气流量下。

在使用氮气的反应性溅射中典型使用标记为SiAl8的样品以便生产具有预定或期望光学属性的材料，因为氮化铝的光学指数类似于氮化硅的光学指数。虽然传统的Al掺杂的Si靶材显示出稳定的溅射，但溅射速率降低，尤其是在其中层为透明的较高流量条件下。标记为低掺杂的Si的样品通常也显示出较低的DDR(由于其较低的导电性)。

另一方面，根据本发明的靶材显示出比其他现有材料更高的DDR。对于典型用于提供透明层的流量，标记为新Si的样品显示出通常比现有靶材更高的DDR。

总之，对于反应性溅射以及至少对于允许透明层的溅射沉积的流量条件，根据本发明的靶提供了通常高于现有材料的DDR。

本发明的优点不限于沉积速率。使用根据本发明的溅射靶材使得能够利用比可用于现有靶的功率更大的最大溅射功率。对于SiAl8和低掺杂的Si，电弧是限制因素。在SiAl8的情形中，Al₂O₃岛的形成可促成电荷积累并引发电弧。对于低掺杂的Si，较低的掺杂导致较低的导热性和较高的放电电压并因此导致较高的电弧风险。

这在下表中示出。

表I比较不同的热喷涂35”靶的若干特性

	SiAl8	低掺杂的Si	新Si
				技术	热喷涂	热喷涂	热喷涂
孔隙率％	＜5％	＜5％	＜5％
				掺杂(ppm)	80000ppm的Al	＜10ppm的B	＜300ppm的B、Al或P
电阻率	＜0.01ohm.cm	＞500ohm.cm	＜1000ohm.cm
				O/N(ppm)	＜6000/＜1000	＜6000/＜1000	＜4000/<1000
最大功率(AC)	30kW/m	20kW/m	＞30kW/m
				N₂中的DDR	～2.5	2.4(↓-3％)	～2.8(↑10％)
O₂中的DDR	～1.7	1.4(↓-17％)	～2.1(↑24％)

所有材料中的孔隙率是相当的，低于5％。氧和氮的水平也被示出。以质量分数的ppm为单位来表示这些杂质水平。在本发明的实施方案中，氧和氮的含量与现有技术材料相比也更低。在本发明的实施方案中在溅射期间能够安全使用的最大功率明显高于现有靶材。括号之间的百分比是指相对于SiAl8现有技术靶的相对DDR变化。一般而言，新Si靶的反应性溅射的DDR至少高10％，如上所示。其余值可以在表中找到。

因此，本发明实施方案的靶材提供了高效溅射，从而允许比现有靶材更高的最大溅射功率和更高的DDR。例如，对于具有光学性能参数的层的溅射正是如此，例如在适配成提供透明层的受控条件下通过反应性溅射提供的层。这对于氧气气氛中的反应性溅射(用于提供呈现出低折射率的氧化硅层)和氮气气氛中的反应性溅射(用于提供呈现出高折射率的氮化硅层)正是如此。

根据本发明实施方案的靶可用于提供适用于电子目的的层，例如掺杂的硅。由于靶已经包括来自元素周期表第13或15族的元素，因此最终层可包含这些元素，这些元素可以分别对硅层提供p型掺杂和n型掺杂。例如，包括小于0.03wt.％的周期表第13族元素(诸如硼)并且仅有可忽略不计量的其他材料的高纯Si靶能提供具有p型掺杂的掺杂Si层。在一些实施方案中，例如，掺杂剂材料只包括可忽略不计的痕量铝。在杂质的量中，氮的量不需要被包括用于计算掺杂剂。然而，靶中的氮和/或氧含量可以低于0.5wt.％。

在一些实施方案中，所述靶是圆柱形靶，该圆柱形靶能经受以超过30kW AC/m(例如35kWAC/m或更高)的功率密度进行的溅射，而不会分层、开裂或产生任何其它材料缺陷。应注意，AC功率涉及向双阴极***(具有2个靶)提供功率，功率密度(在这些示例中是每长度单位)涉及单个靶的长度。作为示例：在每个靶具有3m长度的双重(2靶)配置上具有30kWAC/m将意味着可将90kW AC的总功率施加到该双重配置。

另一方面，本发明提供了一种对根据本发明第一方面的实施方案的靶进行溅射的方法。如图5所示，该方法包括在例如沉积腔室中提供靶20，并以AC以超过30kW/m的功率密度(例如，以AC以35kW/m)进行溅射21、22、23。优点是可在不超过临界应力水平的情况下使用高功率密度负载，超过临界应力水平可产生材料失效。例如，以这些功率密度使用本发明第一方面的靶不会发生分层、开裂或形成其他材料缺陷。

该方法可包括提供并溅射圆柱形靶，这允许大表面的溅射。采用在0.1和10Pa之间的总工作压力，该靶可产生：在优化的氧气环境中以2nm.m/min/(kW/m)的PDC DDR和/或在优化的氮气环境中以超过2.5nm.m/min/(kW/m)的PDC DDR进行的溅射23。然而，可在非反应性气氛中提供溅射22。

在一些实施方案中，在金属模式和反应模式(包括氧气和/或氮气)中，PDC DDR是至少1.5nm.m/min/(kW/m)。

在一些实施方案中，溅射参数和条件被适配24以便提供中毒模式的溅射。这可以如上文所解释的那样进行，例如通过使包含氧气的环境中的溅射变为中毒模式，然后逐渐改变条件(例如，减少氧气流量)直到DDR被最大化，而不从中毒模式转变至金属模式。

在另一方面，本发明提供了一种根据本发明实施方案的靶的制造方法。图6示出了根据本发明的实施方案的包括任选步骤的方法。该方法包括提供30、31硅以及来自元素周期表第13族或第15族的至少一种附加元素，以及将所述元素喷涂35在载体或背衬基底上，由此提供具有靶材的靶，该靶材具有由溅片构成的层状结构。元素喷涂是以一定量进行的以便提供预定组成，该预定组成是至少98wt.％的硅以及小于0.03wt.％的附加元素，该附加元素是硅中的掺杂剂元素。掺杂剂的量不包括可存在于靶材中的任何氮量。

在一些实施方案中，可以按可喷涂粉末形式提供30、31材料。例如，可以用以受控方式混合的单独粉末来提供不同的材料。在替代实施方案中，可以按合金粉末形式提供32材料，其中晶粒已经含有所需量的Si和附加元素(合金粉末)。作为替代，可喷涂形式的材料可以是单独粉末的混合物以及合金粉末。

在一些实施方案中，调节喷涂条件以使靶材中的氧和氮的量低于0.5wt.％(以质量分数计低于5000ppm)。

可以按扁平或圆柱形载体形式提供34载体。在一些实施方案中，在载体上进行喷涂以使最终产品是在载体中的单块靶材，其可以是边长至少500mm的矩形或正方形，或者沿轴线至少500mm的圆柱体。例如，长度可以是800mm或甚至更长。

喷涂35元素(例如，粉状材料)可包括热喷涂，例如火焰喷涂等。

可以使用参数进行喷涂35，以使所得靶材的孔隙率是至少1％。孔隙率可以低于10％，典型低于5％。可通过选择喷涂参数(诸如粉末的颗粒尺寸分布、喷涂期间的颗粒速度、喷涂环境中的氧气、等离子火焰温度等)来调节孔隙率。可以进行喷涂使得用于溅射的最终靶材可以在靶上具有4mm或更大的厚度，由此提供遍及整个靶材厚度的层状结构。

通过该方法获得的靶具有低于1000ohm.cm的电阻率某，例如低于100ohm.cm，例如等于或低于10ohm.cm，诸如接近1ohm.cm，然而典型高于0.1Ohm.cm。

Claims

1.一种用于溅射的靶(10)，其具有用于溅射的靶材(11)，所述靶材(11)包含层状结构和至少1％的孔隙率并且具有低于1000ohm.cm的电阻率，例如低于100ohm.cm，例如诸如低于10ohm.cm，并且所述靶材还包含硅以及来自元素周期表的第13族和/或第15族的至少一种附加元素，其中硅的量是至少98wt.％，更优选至少99wt.％，更优选高于99.5wt.％，并且所述至少一种附加元素的量是高于0.001wt.％且低于0.03wt.％，其中所述量不包括氮的量，如果存在氮的话。

2.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其中所述至少一种附加元素包括来自元素周期表第13族的元素。

3.如前一权利要求所述的靶(10)，其中所述至少一种附加元素包括硼。

4.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其还包含低于0.5wt.％的量的氧和/或氮。

5.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其包含具有至少500mm、例如至少800mm长度的用于溅射的单块靶材(11)。

6.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其中所述靶(10)包含厚度为至少4mm的用于溅射的靶材(11)，例如6mm的靶材厚度。

7.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其中所述靶材的电阻率高于0.1Ohm.cm。

8.如前述权利要求中任一项所述的靶(10)，其中所述靶(10)是圆柱形靶。

9.使用如前述权利要求中任一项所述的靶来进行溅射的方法，包括提供(20)所述靶以及使用所述靶来提供(21、22、23)溅射，用以在AC或DC溅射中以高于30kW/m的功率密度沉积包含硅的层，例如35kW/m或更高，诸如40kW/m，以及甚至高于50kW/m的功率密度。

10.如前一权利要求所述的方法，其中提供溅射包括在非反应性气氛中提供溅射(22)或者在包含氧和/或氮的反应性气氛中提供溅射(23)。

11.如前一权利要求所述的方法，还包括提供在0.1Pa和10Pa之间的范围内的工作压力。

12.一种用于制造靶的方法，包括：

-以可喷涂形式提供(30)硅，

-以可喷涂形式提供(31)来自元素周期表第13族或第15族的至少一种附加元素，

-提供(34)背衬基底，和

-以一定量并且按溅射参数将所述硅和所述至少一种附加元素喷涂(35)在所述背衬基底上，所述量和所述溅射参数被配置成使得形成具有至少1％的孔隙率的靶，至少包括至少98wt.％、更优选至少99wt.％、更优选高于99.5wt.％的硅，以及大于0.001wt.％但小于0.03wt.％的来自元素周期表第13族或第15族的至少一种附加元素，其中所述至少一种附加元素的量不包括氮的量，如果存在氮的话。

13.如前一权利要求所述的方法，其中喷涂(35)包括热喷涂。