[发明专利]通过溅射沉积涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过使用包括掺杂元素的溅射靶进行溅射在衬底上沉积涂层的方法，其中沉积的涂层基本上不含有所述掺杂元素。

本发明还涉及具有作为溅射材料的非导电性主要组分和半导电性或导电性的掺杂元素的溅射靶。

发明背景

为了通过溅射方式沉积薄的陶瓷层，主要有两种方式：第一种方法包括由金属靶的反应溅射：第二种方法包括由陶瓷靶的溅射。两种方法均具有一些缺点。

过程中的不稳定、电弧放电、靶中毒和阳极消失是公知的与反应溅射过程相关的现象。

反应溅射过程的另一缺点是由于存在氧在高温下会发生金属衬底的氧化。这种问题特别是在反应溅射过程中原位加热情况下发生。

这可对沉积层的质量和对衬底和沉积层间的界面质量具有负面影响。在例如用于高温超导体的双轴结构缓冲层外延生长过程中，衬底的氧化可损坏结构，这是公知的。

避免这些问题的方法是由陶瓷靶进行溅射。然而，由于陶瓷材料的低电导率，这些靶不能用于直流(DC)溅射过程。

它们仅可用于RF溅射过程。目前可用的RF电源并不适于使用高功率的大面积涂覆。陶瓷受限的导热性也限制了陶瓷靶的最大功率密度。由于沉积速率线性的取决于功率密度，因此在RF溅射过程中的沉积速度低。

为了提高陶瓷溅射靶的导电性和导热性，可在溅射靶中添加掺杂元素。然而，由于会在沉积的涂层中引入掺杂的元素，这可能对涂层的性能具有负面影响。

发明概述

本发的一个目的是提供在衬底上沉积涂层的方法，该方法可避免现有技术的问题。

本发明的另一目的是提供通过由包括掺杂元素的溅射靶进行溅射沉积涂层的方法，其中沉积的涂层基本上不含有这种掺杂的元素。

本发明的又一目的是提供适于直流(DC)或脉冲DC溅射的溅射靶。

根据本发明的第一方面，提供通过由溅射靶进行溅射在衬底上沉积涂层的方法。溅射靶包括作为溅射材料的主要组分和掺杂的元素。

在溅射过程中加热衬底以获得基本上不含有掺杂元素的沉积涂层。

例如衬底加热到高于200℃的温度。

方法优选包括在溅射过程中掺杂元素的升华和/或蒸发或包括在溅射过程中产生的掺杂元素的反应产物的升华和/或蒸发。掺杂元素的反应产物例如是掺杂元素与溅射气体间的反应结果。

由于在溅射过程中掺杂元素升华和/或蒸发，因此沉积的涂层基本上不含有掺杂元素。

为了避免在沉积的涂层中引入升华和/或蒸发的产物，优选的衬底的温度高于掺杂元素或掺杂元素的反应产物的升华和/或蒸发温度。更优选衬底的温度也高于沉积腔室的温度。这可例如通过加热衬底、通过冷却沉积腔室或通过两者结合实现。

在本发明优选的实施方案中，衬底加热到高于200℃的温度，更优选加热到高于300℃、400℃、500℃、600℃或700℃的温度。

升华定义为物质从固态到气态而不首先变为液体的状态变化。

蒸发定义为物质从液态到气态的状态变化。

在升华和/或蒸发后，掺杂元素或掺杂元素的反应产物，例如冷凝在真空腔室的壁上或冷凝在设置于真空腔室内的冷却罩上。

该方法对于具有作为主要组分的不具有导电性或具有低导电性的组分的溅射靶的溅射材料特别重要。通过用导电性掺杂元素掺杂这种溅射材料，溅射材料变为导电性的，使得溅射靶可用于DC或脉冲DC溅射。

由于沉积的涂层基本上不含有掺杂元素，因此掺杂元素对涂层性能将不具有负面影响。

为了用于DC溅射过程，溅射材料优选具有低于6000Ωm的电阻率。更优选的，根据本发明的溅射靶的溅射材料具有低于1200Ωm的电阻率或更优选溅射材料的电阻率低于120Ωm。

为了用于脉冲DC溅射过程，电阻率优选低于15000Ωm。

掺杂元素或在溅射过程中产生的这种掺杂元素的反应产物优选在真空中具有低的升华温度和/或蒸发温度。

可通过Clausius-Clapeyron定律计算真空中的升华和/或蒸发温度：

T_p＝T₀/(1+T₀^*ln(p₀/p)/(L/k))

其中T₀是在标准压力p₀下的升华和/或蒸发温度；

k是Boltzmann常数；

L是每个分子的潜热汽化(latent heat vaporization)。