专利名称：应用于平板电器的单块溅射靶组件及使用其的溅射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于在大面积的衬底表面沉积材料的单块溅射靶组件。
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使用磁控管的物理气相沉积(PVD)是在衬底表面沉积材料的一种方法。 在PVD工艺中，靶可以加电偏压，从而在工艺区域产生的离子能够具有足够 的能量轰击靶表面，以使原子从耙中移出。对耙加电偏压以产生等离子体从而 引起离子轰击靶表面并将原子从靶表面移出的这个工艺通常被称为溅射。溅射 出的原子通常朝向被溅射涂覆的衬底移动，并且溅射出的原子沉积在衬底上。 作为选择，在等离子体中原子与气体反应，比如，氮，以在衬底表面沉积一种 化合物。反应溅射法常用于在衬底上形成薄的阻挡层和氮化钛或氮化钜的成核 层。
直流(DC)溅射和交流溅射(AC)是溅射的形式，其中靶被偏压以吸引 离子朝向靶。靶可以施加有在-100V到-600V范围内的负偏压从而吸引工作气 体(也就是氩气)中的正离子朝向靶以溅射原子。通常，溅射室的两侧覆盖护 罩来保护腔壁不受溅射沉积的影响。护罩可以电接地，从而提供与靶阴极相反 的阳极，从而将靶功率电容性地耦合到溅射室中产生的等离子体。
大面积的溅射靶是在大面积衬底上沉积材料所必须的，诸如平板显示衬 底、太阳能电池板衬底以及其他大面积衬底。随着衬底尺寸的增加，溅射靶的 尺寸也必须增加。生产可以提供均匀沉积以及一致性的薄模特征的大面积溅射 靶是个挑战。有益的是生产用于以合理的成本在大面积衬底上沉积材料同时在 整个薄膜上保持薄膜均匀性和一致性特征的大面积溅射耙。
实用新型内容
本实用新型克服了当在大面积衬底上沉积材料时需要大面积溅射靶的问题，从而维持均匀沉积和一致的薄膜特征。
本实用新型包括用于在大面积衬底上沉积材料的单块溅射靶组件。溅射靶 组件可以包括在单块结构中的溅射靶以及靶托。由于靶托和溅射靶作为单块结 构，不需要粘接。另外，冷却通道可以埋到单块结构中，从而冷却液可以在溅 射靶组件中流动，从而不需要在溅射耙组件后面设置分立的冷却组件。
在一个实施方式中，公开了溅射靶组件。溅射靶组件包括单块体以及埋到 单块体中的一个或多个冷却通道。单块体包括溅射耙和耙托。
在另外一个实施方式中，公开了溅射装置。溅射装置包括真空腔、基座、 设置真空腔中的溅射靶组件，在基座和溅射靶组件之间的区域横跨真空腔延伸 的一个或多个阳极。溅射靶组件包括单块体以及埋到单块体中的一个或多个冷 却通道。单块体包括溅射靶和靶托。
还在另外一个实施方式中，公开一种方法。这个方法包括在真空腔中设置 溅射靶组件，以及向衬底上溅射来自单块体的材料。溅射耙组件包括单块体以 及埋到单块体中的一个或多个冷却通道。单块体包括溅射靶和靶托。
本发明的单块溅射靶组件可以生产在整个沉积层中具有一致性特征的膜， 从而在大面积衬底沉积具有均匀成分和颗粒结构的薄膜方面具有成本优势。
因此为了更详细地理解本实用新型的以上所述特征，将参照附图中示出的 实施方式对以上简要所述的本实用新型进行更具体描述。然而，应该注意，附 图中只示出了本实用新型典型的实施方式，因此不能认为是对本实用新型范围 的限定，本实用新型可以有其他等效的实施方式。
图1示出了根据本实用新型一个实施方式的PVD装置100的横截面图2示出了根据本实用新型一个实施方式的二维扫描机构200的展开的正 投影图3示出了矩形螺旋磁控管300的平面图4A示出了根据本实用新型一个实施方式的单块溅射靶组件400的横截 面图；以及
图4B示出了根据本实用新型另一实施方式的单块溅射靶组件410的横截 面图。为了便于理解，在此尽可能使用相同的附图标记表示附图中共有的相同元 件。并且， 一个实施方式的元件和特征可以有利地结合到另一实施方式中，而 不用进一步叙述。
具体实施方式
本实用新型包含用于在大面积衬底上沉积材料的单块溅射靶组件。在一个 单块结构中，溅射靶组件可以包括溅射耙和耙托。由于具有耙托和溅射靶作为 单块结构，因此不需要粘接。另外，可以将冷却通道埋入单块结构中，从而冷 却液可以在溅射靶组件里流动，则不需要在溅射靶组件后面的分立的冷却组件。
本实用新型是示意性描述并可用在处理大面积衬底的PVD系统中，如从 Santa Clara， Califomia(加里福尼亚州，圣克拉拉)的Applied Materials, Inc.(应用 材料股份有限公司)的子公司AKT得到的PVD系统。然而，应该了解到，溅 射靶也可用到其他系统配置中，包含那些配置为处理大面积圆形衬底的系统。 可以实施本实用新型的示例性系统记载在2005年9月13日递交的美国专利申 请No. 11/225,922中，在此全部结合进来以作参考。
图1示出了根据本实用新型一个实施方式的PVD装置100的横截面图。 装置IOO包含单块溅射靶组件104。单块溅射靶组件104如下所述将靶托和溅 射靶组合为单个的单块结构。在一个实施方式中，耙组件104包含铝。在另一 实施方式中，靶组件104包含铝和铌。耙组件104位于基座112对面横跨工艺 空间158。冷却通道108位于耙组件104里面，为整个耙组件104提供统一温 度。暗区护罩(dark space shield) 136包围靶组件104。磁控管110位于靶托 的后面。
溅射等离子体内的电子被装置100中的接地元件所吸引。传统上，腔壁 132和基座112或衬底支撑是接地的，从而起阳极的作用，相反溅射靶组件104 起阴极的作用。
接地的腔壁132作为阳极吸引来自等离子体的电子，因此在腔壁132附近 趋向于产生高密度的等离子体。腔壁132附近的高密度等离子体可以增加腔壁 132附近衬底上的沉积并且可以减少远离腔壁132的沉积。另一方面，接地的 基座112也可以起阳极作用。基座112可以跨越工艺空间158很大的长度。因此，基座112不仅可以在基座112的边缘也可以在基座112的中间为电子提供 接地路径。在基座112的中间的接地路径与基座112边缘和腔壁132的接地路 径相平衡，因为可以是腔壁132或基座112的每一个阳极具有与阳极等价的功 能，并在整个工艺空间158均匀分布等离子体。通过在整个工艺空间158均匀 分布等离子体，可以实现在整个衬底上均匀沉积。
当衬底是一个绝缘衬底(如玻璃或聚合物)时，衬底是非导电的，从而电 子不能一直跟随衬底。因此，当衬底基本上覆盖衬底支架时，衬底支架不能提 供足够的阳极表面。对于大面积衬底，如太阳能电池板或者用于平板显示器的 衬底，能够阻碍通过基座112接地的路径的衬底尺寸是非常大的。l米乘l米 的衬底在平板显示业中是很难见到的。对于1米乘1米的衬底，阻碍基座112 接地的路径的面积是1平方米。因此腔壁132和基座112中没有被衬底覆盖的 的边缘是等离子体中电子的仅有的接地路径。对于大面积衬底，在腔壁132 附近和基座112中没有被衬底覆盖的边缘可以形成高密度等离子体。在腔壁 132和基座112边缘附近的高密度等离子体可以使得不存在接地路径的工艺区 域158中心附近的等离子体变薄。在工艺区域158中心附近没有接地路径，等 离子体不均匀，因此大面积衬底上的沉积也不均匀。
阳极134可以放置在靶组件104和衬底(未示出)之间，以有助于在整个 衬底上提供均匀的溅射沉积。在一个实施方式中，阳极是涂有电弧喷铝的雾珠 不锈钢。在一个实施方式中，阳极134的一端可以通过与安装架(mount ledge) 146结合的支架144安装到腔壁132。如图1所示，支架144的一部分位于暗 区护罩136和腔护罩(chamber shield) 130之间。
阳极134的另一端穿过暗区护罩136和腔壁132。在阳极134的端部是连 接组件142。连接组件142可以是用于将含有液体的管子连接在一起的任何传 统的已知设备。附加的支架140可以将阳极134结合到腔壁132并稳固连接组 件142。在另一实施方式中，阳极134可以用锚座(anchormount)安装，可以通 过阳极护罩防止沉积。锚座可以放置在护罩116上。
阳极134在靶组件104相对位置提供电荷从而带有电荷的离子被吸引到阳 阴，而不是到具有通常在地电势的腔壁132。通过在靶组件104和衬底之间提
供阳极，等离子体可以更加均匀，这有助于沉积。在一个实施方式中，在靶组 件104和衬底之间放置6个阳极。可以用于实施本实用新型的示例性阳极描述在2005年7月13曰递交的美国专禾U申请No. 11/182,034， 2005年10月11曰
递交的美国专利申请No. 11/247,705和2005年10月11日递交的美国专利申 请No. 11/247,438中，在此将上述申请全部结合进来以作参考。
当衬底进入装置100时，升降杆114升起接收衬底。升降杆114然后下降， 基座112上升接收衬底。当基座112上升到一个工艺位置时，基座112遇到荫 罩框架(shadow frame) 118，并用阴罩框架升降杆120将荫罩框架118上升 到工艺位置。荫罩框架118减少可以沉积在基座112的无掩盖区域的材料量。 当没有提升时，荫罩框架120放置在下护罩122上。下护罩122可以与冷却 集管124结合。
因为荫罩框架118上下移动，沉积在荫罩框架118上的任何材料可以剥落 下来。为了减少材料从荫罩框架118上剥落，可以在装置100中设置一个附加 的护罩116，其为固定的，以保护荫罩框架118。护罩116与冷却集管124结 合。冷却集管124控制护罩116的温度。在装置100中由于温度变化引起的护 罩116的膨胀和收縮可以导致剥落并且污染衬底。通过控制护罩116的温度， 护罩116的膨胀和收縮可以减少。冷却集管124放置在集管架126上并且可以 通过冷却通道128的冷却液来冷却。冷却液可以是本领域普通技术人员所知的 任何已知的传统的冷却液。类似的理由也适用于阳极134。在一个实施方式中， 阳极134可以冷却。
磁控管110可以通过扫描机构200扫描整个耙104的后面。图2示出了根 据本实用新型一个实施方式的二维扫描机构200的展开正投影图。扫描机构 200可以包含框架240，其具有两排或多辊子，以滚动式地支持倒立框架轨 (inverted frame rails)224， 238。倒立框架轨224， 238支持他们之间的台架234。 台架234可以包含洞228和两排或多排的辊子(未示出)，用于滚动式支持倒 立台架轨226， 230，其中磁控板236通过固定连接悬挂在倒立台架轨226和230 下。通过台架234以及轨道224, 226， 230， 238的滚转，磁控板236以垂直方向 在框架240里移动以扫描整个靶组件的磁场。基托232可以固定在用于形成台 架234的框架结构上。
磁腔顶(magnet chamber roof) 212可以通过放置在磁腔顶212和框架240 之间的台架结构支撑并且密封在框架240上。磁腔顶212包含矩形孔220、驱 动器凹座222以及托架凹座218。托架室208可以安装在托架凹座里并围绕矩
8形孔220密封至腔顶212。托架室208可以包含侧墙216以及顶板202。在托
架室208里面容纳有台架支架206。驱动器组件210可以通过角钢214和支撑 托架204保留在驱动器凹座222中。在一个实施方式中，磁控管可以螺旋形图 案(serpentine pattern)扫描溅射靶组件的整个背面。在另一实施方式中，正 如在2006年2与3日在递交的美国专利申请No. 11/347,66所述，磁控管可以 放置在滚珠和弹簧上，在此结合全部内容作为参考。
磁控管可以有各种形状。图3示出了根据本实用新型一个实施方式的矩形 螺旋磁控管300的平面图。磁控管300包含非磁的磁控板306，和多个磁道302， 304。在一个实施方式中，磁道302可以有弯曲部分310。磁道302， 304之间 区域称为台面308 (mesa)。台面308可以有螺距Q。在一个实施方式中，磁 道302， 304可以是电磁铁。在另一实施方式中，磁道302， 304可以是永久性 磁铁。在又一实施方式中，磁道302， 304可以分别包含多个永久性磁铁。磁 控管局将在真空腔内产生的高密度等离子体约束在靶表面的特定区域。通过在 单块靶组件的整个后面扫描磁控管，约束等离子体的磁场扫描单块靶组件的整 个前表面，从而从单块靶组件产生更加均匀的靶材料侵蚀。
使用单块靶组件有很多益处。当使用单块溅射靶组件时，因为不存在分立 的靶托和靶，所以溅射靶和靶托之间不会出现分层。没有分立的靶托和靶，不 存在粘接。当使用分立的溅射耙和耙托时，耙托有时会弯曲。另外，靶托中的 任何冷却通道可以偶尔需要再抛光以确保冷却液以所期望的流速持续流过冷 却通道。当发生弯曲或需要再抛光时，靶托需要再磨光。
单块溅射耙可以通过将溅射耙和耙托粘在一起来提高溅射效率。在单块溅 射靶中，靶托和溅射靶是同一材料，并且之间没有粘接层。因此，靶托和溅射 靶的热传导系数是相同的。另外，在单块溅射靶中，靶托和溅射靶可以具有相 同的传导率。从而，相比穿过靶托、粘接料和溅射靶的电流，穿过溅射靶组件 的电流以一种有效的方式流动。因此，由于具有相同的热传导系数和传导率， 相比将溅射靶粘接到靶托上，单块溅射耙可以具有较高的溅射效率。
当再磨光靶托或溅射靶时，靶和耙托可以脱粘接使得耙托的任何弯曲可以 矫正过来。对于大面积溅射耙组件(也就是面积大于1或2平方米)，靶托和 靶可以需要传输到另外位置再磨光和脱粘接。因为靶和靶托具有很大面积，将 靶和靶托装到卡车上并且运输耙和靶托不是一个简单的事情。靶和靶托需要作为"特大型货物"运输，从而需要公路护卫。至少，存在与大面积靶组件(包 括分立的靶托和靶)相关的运输成本，再磨光成本，脱粘接成本和重粘接成本。 单片靶组件，在另一方面是有益的，原因在于靶托不会变弯。如果有任何 弯曲发生或靶侵蚀到不再有用的情况，完全可以抛弃组件并且更换组件而不是 再磨光组件。这对于铝单块溅射耙组件尤其是对的，因为众所周知铝是可循环 利用的。铝单块溅射靶组件完全可以在制造工厂现场剪裁成适合运输的尺寸， 然后运输到铝再循环利用中心，可以将其卖掉。运输成本中可以除去"特大型 货物"护送成本。
与单块溅射靶组件相关的成本比带有耙托组件的溅射靶的成本更低。例 如，将溅射靶粘接到靶托，需要粘接材料。从而，存在粘接材料成本并且将靶 粘接到靶托上也需要劳动力成本。由于单片耙组件中，靶和靶托集成在单块结
构中，使得靶和靶托不需要互相粘接到对方，因为他们是单一的、单块(asingle, monolithic piece)。因此，单块溅射靶组件没有粘接，或者所要需要的脱粘接 成本。当考虑传输、再磨光、粘接，脱粘接，再循环利用等因素时，相对于粘 接到靶托组件上的传统靶，使用单块溅射耙组件可以降低每个衬底的总成本。
图4A示出了根据本实用新型一个实施方式的单块溅射靶组件400的横截 面图。单块靶组件400包含的单块耙402，其具有一个或多个埋到耙组件400 中的冷却通道404。冷却液可以通过冷却通道为耙组件400提供统一温度。可 以使用任何已知的常用冷却液。
图4B示出了根据本实用新型另一实施方式的单块溅射靶组件410的横截 面图。单块靶组件410包含单块耙412，其具有一个或多个埋到耙组件410中 的冷却通道414。可以用车床在耙组件410中加工出凹槽416从而减少耙组件 416的重量。正如在2006年7与7日递交的11/483,134中所讨论，在此结合 全部内容作为参考，如果需要，可以用聚合材料填充凹槽来减少靶组件410 的重量，并且提供平的表面，磁控管组件可以在平的表面上移动。
单块溅射靶组件可以生产在整个沉积层中具有一致性特征的薄膜。因为靶 是单块的，在整个溅射靶上，溅射材料的成分和颗粒结构可以是均匀的，并且 因此沉积的层是均匀的。由于成分和颗粒结构均匀，在溅射期间，来自溅射靶 的侵蚀可以更加均匀。单块溅射靶组件在用于在大面积衬底上沉积具有均匀成 分和颗粒结构的薄膜方面可以节省成本。虽然前述涉及本实用新型的实施方式，但在不偏离本实用新型的基本范围 内可设计其它和进一步的实施方式，并且本实用新型的范围由以下权利要求书 确定。
权利要求1、 一种溅射靶组件，其特征在于，所述溅射靶组件包括 单块体，包括溅射靶和靶托；以及埋到单块体中的一个或多个冷却通道。
2、 根据权利要求1所述的靶组件，其特征在于，单块体包含铝。
3、 根据权利要求2所述的靶组件，其特征在于，单块体包含铝和铌。
4、 根据权利要求l所述的靶组件，其特征在于，还包含-刻到单块体中的通道，该通道刻在相邻冷却通道之间的空间。
5、 根据权利要求1所述的靶组件，其特征在于，所述单块体形状为使得 靶组件的边缘部分比中间部分薄。
6、 根据权利要求1所述的靶组件，其特征在于，单块体具有大于约1平 方米的面积。
7、 一种溅射装置，其特征在于，所述溅射装置包括 真空腔；基座；设置真空腔中的溅射靶组件，该溅射靶组件包括单块体，包括溅射靶和靶托；以及 埋到单块体中的一个或多个冷却通道；以及一个或多个阳极，在基座和溅射靶组件之间的区域横跨真空腔延伸。
8、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，单块体包含铝。
9、 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，单块体包含铝和铌。
10、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包含 刻到单块体中的通道，该通道刻在相邻冷却通道之间的空间。
11、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，单块体的形状为使得靶组 件的边缘部分比中间部分薄。
12、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，真空腔包含多个腔壁，单块体设置在至少一个腔壁的至少一部分上。
13、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，单块体具有大于约l平方 米的面积。
14、 一种溅射靶组件，其特征在于，所述溅射靶组件包含溅射靶； 靶托；以及埋到单块体中的一个或多个冷却通道，其中，在溅射靶和靶托之间没有粘 接层。
15、 根据权利要求14所述的靶组件，其特征在于，溅射靶和靶托每个都 包含铝。
16、 根据权利要求14所述的靶组件，其特征在于，溅射靶和靶托每个都 包含铝和铌。
17、 根据权利要求14所述的靶组件，其特征在于，单块体具有大于约1 平方米的面积。
18、 一种溅射装置，其特征在于，所述溅射装置包含 真空腔；基座；位于真空腔的溅射靶组件，溅射靶组件包括-溅射靶； 靶托；以及埋到单块体中的一个或多个冷却通道，其中在溅射靶和靶托之间没 有粘接层；以及一个或多个阳极，在基座和溅射靶组件之间的区域横跨真空腔延伸。
19、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，溅射靶和靶托每个都包 含铝。
20、 根据权利要求19所述的装置，其特征在于，溅射靶和靶托各自都包 含铝和铌。
21、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，真空腔包含多个腔壁， 溅射靶放置在至少一个腔壁的至少一部分中。
22、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，单块体具有大于约l平 方米的面积。
专利摘要本实用新型包含用于在大面积衬底上沉积材料的单块溅射靶组件。溅射靶组件可以包含在单块结构中的溅射靶和靶托。由于溅射靶和靶托作为单块结构，则不需要粘接。另外，冷却通道可以埋到单块结构中，使得冷却液可以在溅射靶组件中流动，从而不需要在溅射靶组件后面设置分立的冷却组件。
文档编号C23C14/34GK201154985SQ20072017681
公开日2008年11月26日 申请日期2007年9月12日 优先权日2006年9月15日
发明者布拉德利·O·斯廷森, 稻川真, 细川昭弘 申请人:应用材料股份有限公司