专利名称：一磁控溅射设备，一圆柱体阴极和一种在一基板上涂敷多成分膜的方法
技术领域：
本发明涉及一磁控溅射设备，一圆柱体阴极和一种在一基板上涂敷多成分膜的方法，分别依据权利要求1、5和10的前序部分。
背景技术：
在喷涂不同类型基板的真空涂敷系统中磁控溅射设备的使用已为人们所知，例如，使基板方向的溅射成为可能的带有磁阵列的标靶；而且这些设备适用于各种各样涂料的涂敷。这样的真空涂敷系统包括进行涂敷操作的工作室。这些真空室在所需真空范围内有一基本压力，该真空范围依据该工艺参数，尤其是在膜附着时防止污染。涂敷时，该真空室可有一远高于该基本压力的工作压力，该工作压力由生产气体造成。
装有圆柱体磁控管的磁控溅射设备，尤其显示出一种有利的高的靶材利用率和一种长久的靶的使用寿命。例如DD217964中所述的，益处是通过全部由一靶材构造的圆柱体阴极实现的。然而，如U.S.4356073中所描述，益处也能通过配备有沿圆周涂敷的靶材膜的载管来实现。由于局部集中溅射且因此防止了凹线的形成，该圆柱体阴极的均衡旋转使要耗掉的靶材均匀地涂敷于该圆柱体阴极表面。
联合溅射技术频繁应用于在一基板上涂敷多成分膜，例如光伏打吸收层的生产。该膜的单一成分同时从不同标靶溅射出并涂敷于一基板上。在该基板上，这些成分混合形成一多成分膜。联合溅射可通过各种不同方法实现。例如，若干带有不同材料成分的单独的标靶交替地排成一排。由于随所要求的膜的厚度而变化，该基板以一种可使单一材料成分叠加于其上的速度被引导着通过这些标靶，于是形成了该多成分膜。大部分同类的膜可以此方法形成。这项技术的缺点在于该真空涂敷系统相对昂贵，由于其需要大量单独的阴极和一大的真空室。
尽管如此，仍可使用一由若干区域构成的带有不同材料成分的标靶。这种情况下，该基板通常是在固定位置的，同时溅射该单一成分并同时轰击该基板，以形成该多成分膜。该技术的缺点是该标靶结构复杂且花费高。而且，杂质会混入该多成分膜，因为通常使用粘合剂使若干单独的区域结合成一单个的标靶，而该标靶同样经溅射处理。另外，这些多成分标靶是平面的。然而，这样的平面标靶只允许低标靶利用并显现一相对大的再沉淀区域。该大的再沉淀区域会产生与工艺有关的问题并导致该基板上膜的更低劣的品质。
发明内容
因此，本发明旨在克服现有技术中存在的缺点，并提供一种可用于在一基板上涂敷多成分膜的磁控溅射设备、一圆柱体阴极和一涂敷方法。本发明更旨在于提供一种紧凑的真空涂敷系统以降低该系统的成本。
根据本发明，如权利要求1所述的一磁控溅射设备、如权利要求5所述的一圆柱体阴极和如权利要求10所述的一方法用于实现该发明的目的。本发明优选的实施例具有从属权利要求中所述的特征。
依据本发明所述的磁控溅射设备，装有一可绕纵向轴旋转的圆柱体阴极和一磁系统，该设备尤其包括至少一真空室，并用于在一基板上涂敷多成分膜。该磁系统位于该圆柱体阴极内。该圆柱体阴极包括至少两个带有不同靶材的组件，且该磁控溅射设备有用于旋转该圆柱体阴极的部件和转移该基板的部件，在上述部件的作用下，该圆柱体阴极以相对于该基板在转换时的运动速度足够大的速度绕该纵向轴旋转，从而在该基板上沉淀一多成分膜。相对于由很多直线排列的标靶构成的磁控溅射设备，该磁控溅射设备可设计得非常紧凑。该真空涂敷系统通过使用本发明所述的磁控溅射设备能够明显降低设备尺寸。因而可降低其成本价和维护费用，毕竟这些费用不仅包括该纯操作费用，还有必要的场地费用。相对于平面多成分标靶，可避免粘合剂造成的杂质。且该标靶利用更大而所述再沉淀区域更小，从而获得更高品质的膜。
优选地采用所述转移基板的部件，使得所述基板沿垂直于该圆柱体阴极纵向轴的方向移动。通过这种方法，该沉淀多成分膜能显现高度同质性。
所述磁控溅射设备适当地包括多个圆柱体阴极。这样的一磁控溅射设备能用于在覆盖非常大的表面区域的基板上涂敷多成分膜。若要涂敷不同且连续的膜，该磁控溅射设备包括多个带有变换靶材组合的不同的圆柱体阴极是有好处的。
本发明所详述的且尤其可使用于上述磁控溅射设备的圆柱体阴极包括至少两个具有不同靶材的组件。将单个该组件设计为圆柱体圆缺是有利的。另外，尽管如此，将该组件的外侧设计为平面样式或许是必要的，例如在不能用等离子注射的方法涂敷该组件时。在等离子注射技术中，例如陶瓷材料合成物通常不能以所需的材料密度和同质性涂敷于一圆柱体标靶。
一个大的标靶表面区域对于该单一材料是有用的，尤其在所述单个组件彼此直接相邻时。若需要支撑，该单个组件可定位于一载管上，例如在该组件过薄或该组件存在机械稳定性不足的情况下。
作为一条普遍原则，所有金属、金属氧化物和由于生产问题而不能用于制造无需支撑的组件的材料(尤其包括ITO，IZO，ZAO，铬或钨)，可涂敷于载管上。适用于此目的的生产技术的例子包括等热静压、等离子注射和粘合或贴附。可以使用通过，例如切割、拉拽、碾磨、弯曲或辗轧，用于生产无需支撑组件的金属制造固体标靶。由此，该组件可通过例如焊补或焊接的方法，或通过机械的解决方案，例如楔形接榫导槽(dovetail guides)，形成一个标靶。尤其是用于锡、锌、镍、铜、铝、银、金、铂、钼、钛、钕的涂敷。
通常所述圆柱体阴极标靶的尺寸是长500mm至4500mm，直径100至300mm，壁厚1至50mm。
所述单个组件的宽度最好是相对于所述圆柱体阴极的纵轴适合于所期望的多成分膜的化学定量关系，且作为各靶材溅射量的函数。从而使在该磁控溅射设备中的圆柱体阴极能以一恒定旋转速度运转。
依据本发明，通过在一真空涂敷系统中的磁控联合溅射，在一基板上涂多成分膜的方法按照以下方式进行。一圆柱体阴极以绕该纵向轴方向可旋转的方式被安装并包含至少两个带有不同靶材的组件，在该基板上涂该多成分膜时，该圆柱体阴极在一内部磁系统上方，绕该纵向轴旋转。同时，该基板以某一速度沿垂直于该纵向轴的方向被引导着通过该圆柱体阴极。该基板速度为该溅射量和该圆柱体阴极到该基板的距离的函数，以此使该基板上的该多成分膜得到理想的厚度。该圆柱体阴极的旋转速度为该基板速度的函数，以使带有不同材料成分的所述单个标靶组件连续快速溅射。该圆柱体阴极相关该基板速度的高旋转速度促使若干单一材料成分在该基板上局部叠加并混合，由此在该基板上沉淀一多成分膜。
相较于至今为止所用技术，相对于该圆柱体阴极的快速旋转，该基板相对低的位错允许膜沉淀更加均匀，从而使该膜的厚度能得到更精确调整。
该多成分膜的化学定量关系可优化调整，因为该单个组件的宽度根据该纵向圆柱体轴而区别设计，作为该各个靶材溅射量的函数，并且在该磁控溅射设备中的该圆柱体阴极以均匀的，即恒定的旋转速度运转。
该圆柱体阴极的均匀旋转速度在5rpm至20rpm范围内均可，并优选10rpm。要注意的是该旋转速度的最佳选择要依据该圆柱体阴极上标靶组件的数目。该数量越低，该旋转速度就要越高，以保证所述单一成分能充分混合并由此保证该膜的高质量。
若干设置在该磁控溅射设备中的圆柱体阴极的使用有益于膜沉淀，尤其是涉及相对于该基板移动，基板宽度大，和基板长的情况。这种设置加速了膜沉淀。若在一基板上涂敷不同的膜，在两个或更多的真空室内涂敷不同的多成分膜则更为可取。
相对于多个成直线排列的标靶的使用，上述发明通过将标靶设计为一压缩的多成分标靶，从而具有使设备尺寸明显降低的优势。该涂敷系统的成本价和维护费用由此减少。与使用一复杂的平面多成分标靶不同，依据本发明的该圆柱体阴极更易于生产并由此更具成本效率。而且，能获得根高的标靶利用率和更低的再沉淀，该膜的特性也改善了。
下面将在下述附图的基础上更具体地解释一实施例图1示出一本发明详述的一圆柱体阴极的立体图，该圆柱体阴极完全由靶材构成；和图2示出一本发明详述的一圆柱体阴极的立体图，该圆柱体阴极的靶材涂敷于一载管上。
具体实施例方式
本发明详细说明的圆柱体阴极1，根据图1，设计为一圆柱管。该圆柱体阴极1完全由靶材构成，并且在此描述的示例中包括两种靶材。每种靶材设置于两个分开的且相对的圆柱体圆缺2、4和3、5内。该4个圆柱体圆缺2、3、4和5各有一90°的圆弧和一与该圆柱体阴极1、1’的长度相对应的标准长度。通过焊接、焊补或通过机械的解决方案，例如楔形接榫导槽，将所述圆柱体圆缺直接接合在一起以构成该圆柱体阴极1。
若材料的特性或生产方法不允许该圆柱体阴极直接由靶材构成，只需简单地通过在一载管6上涂敷不同靶材以构成该圆柱体阴极1’，如图2所示。所述单个圆柱体圆缺2’、3’、4’和5’可通过如等离子喷射的方法涂敷在一载管6上。所述圆缺彼此直接毗连并有相同的长度和90°的圆弧。
为了使用本发明所述的磁控溅镀设备，该圆柱体阴极1和1’采用适当的部件进行设置(未描述)，所述部件通过一该圆柱体阴极1和1’内部的已知的磁系统和一绕其纵向轴的轴向对称旋转运动，来安装该圆柱体阴极1和1’。
为了涂敷多成分膜，该基板以一适合于要涂敷的膜的所需厚度的速度，以垂直于该圆柱体阴极1纵向轴的方向移动。同时，该圆柱体阴极1旋转。每当该圆柱体阴极1旋转时，该圆柱体圆缺2、3、4和5被引导着通过该内部磁系统，并且材料快速连续地从这些圆柱体圆缺溅射出。在该已知磁电管作用下该材料涂敷于该基板上。由于该圆柱体阴极1的旋转速度远大于该基板的速度，所以所述单一材料成分局部地叠加到该基板。这种叠加使所述单一材料成分相互混合，并且在该基板上形成一混合成分的膜。
当然，若有所需可用两个或更多的圆缺构成所述圆柱体阴极1和1’。若该圆柱体阴极1和1’的旋转速度保持恒定，该多成分膜的化学计量也能调整，因为该圆柱体圆缺的宽度可作为所述单一材料成分的溅射量的函数进行相应的调整。尽管如此，通过一不均匀的转速对所述多成分膜的化学计量进行调整也是可能的。
对于覆盖一大的表面区域的基板，在一磁控溅射设备中能使用多个圆柱体阴极1、1’。在一工艺链中，几个设有磁控溅射设备的真空室能依次顺序排列，以在一基板上涂敷一系列不同的多成分膜，该磁控溅射设备每个都装备了带有靶材的不同组合的不同圆柱体阴极1，1’。
因此，本发明通过利用真空涂敷系统中的磁控溅射，使在基板上涂敷多成分膜成为可能，而该真空涂敷系统的体积大为减小。使用该圆柱体阴极1、1’获得高的标靶利用和高品质的膜。
权利要求
1.一磁控溅射设备，尤其包括，至少一用于在一基板上涂敷薄的多成分膜的真空室，所述设备有一圆柱体阴极(1，1’)，该圆柱体阴极绕该纵向轴可选转地安装并有一安置在所述圆柱体阴极(1，1’)内的磁系统，所述圆柱体阴极(1，1’)包括至少两个具有不同靶材的组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)，并且所述磁控溅射设备设有旋转所述圆柱体阴极(1，1’)的部件和相对所述圆柱体阴极转移该基板的部件，其特征在于，所述用于旋转该圆柱体阴极(1，1’)的部件适于以依据该基板速度的速度基本上持续地旋转所述圆柱体阴极(1，1’)，以使所述靶材在所述基板上混合，从而通过磁控联合溅射在所述基板上沉淀一多成分膜。
2.如权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述转移该基板的部件适合在一垂直于所述圆柱体阴极(1，1’)的纵向轴的方向上转移该基板。
3.如权利要求1或2所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控溅射设备包括多个圆柱体阴极(1，1’)。
4.如权利要求3所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)包括不同的靶材组合。
5.如以上任一权利要求所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)的所述单个组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)设计为圆柱体圆缺。
6.如以上任一权利要求所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)的所述单个组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)彼此直接毗连。
7.如以上任一权利要求所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述圆柱体阴极(1’)的所述单个组件(2’，3’，4’，5’)安置于一载管上(6)。
8.如以上任一权利要求所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)的所述单个组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)的宽度适合于该多成分膜所需化学计量，相对于所述圆柱体阴极的纵向轴，作为各靶材溅射量的函数。
9.一种在一真空涂敷系统中通过磁控联合溅射在一基板上涂敷薄的多成分膜的方法，该方法设有一绕纵向轴安装于一磁控溅射设备内的可旋转的圆柱体阴极(1，1’)，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)包括至少两个具有不同材料的组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5，’)，在基板上涂敷膜时，该圆柱体阴极在内部磁系统上方环绕所述纵向轴旋转，所述基板在溅射过程中被引导着通过所述圆柱体阴极(1，1’)，该基板的速度是溅射量和所述圆柱体阴极(1，1’)到所述基板的距离的函数，以使在该基板上的所述多成分膜得到一理想厚度，并且所述圆柱体阴极(1，1’)的旋转速度是该基板速度的函数，以使所述单个标靶组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)连续快速溅射，所述不同材料成分在所述基板上局部叠加并混合，由此在所述基板上沉淀多成分膜。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)依据权利要求4至7所述设计。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述基板沿垂直于所述圆柱体阴极(1，1’)纵向轴的方向移动。
12.如权利要求9至11所述的方法，其特征在于，所述圆柱体阴极(1，1’)以一恒定速度转动。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述圆柱体阴极的该旋转速度在5rpm至10rpm的范围内并优选10rpm。
14.如权利要求9至13所述的方法，其特征在于，调整所述多成分膜的化学计量关系，因为所述不同的材料组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)的宽度作为所述溅射量的函数而变化。
15.如权利要求9至14所述的方法，其特征在于，不同的多成分膜通过多个位于所述磁控溅射设备内的圆柱体阴极(1，1’)在所述基板上涂敷。
16.如权利要求9至15所述的方法，其特征在于，通过设置在所述涂敷系统中的至少两个真空室内的多个磁控溅射设备，在所述基板上涂敷不同的多成分膜，所述基板穿过所述各真空室而不影响真空状态。
全文摘要
本发明涉及一磁控溅射设备，尤其包括至少一真空室并用于通过使用磁控联合溅射，在一基板上涂敷多成分膜；所述设备装有一可绕纵向轴旋转的圆柱体阴极(1，1’)，并进一步装有一在该圆柱体阴极(1，1’)内的磁系统。该圆柱体阴极(1，1’)包括至少两个具有不同靶材的组件(2，2’，3，3’，4，4’，5，5’)。另外，本发明涉及一种通过一真空涂敷系统中的磁控联合溅射在一基板上涂敷多成分膜的方法。
文档编号H01J37/34GK1733965SQ20051008882
公开日2006年2月15日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年8月10日
发明者迈克尔·利尔 申请人:应用薄膜有限责任与两合公司