CN100577855C - 制备残余应力优化涂层的溅射方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助于溅射工艺制备特别的固有电压优化涂层，特别是制备低拉伸应力涂层的方法或设备，其中在靶子(阴极)上形成双极电压形状。在靶面上调节正电压脉冲，从而代替基体上的偏压。

Description

制备残余应力优化涂层的溅射方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于溅射涂层工艺的方法和设备，特别地，使用该方法和设备能够制备残余应力优化涂层。
背景技术
现有技术描述了如何借助于溅射工艺在基体上制备涂层，其中在一个真空体系中点燃等离子体，通过施加一个合适的势差，等离子体中的离子被加速向含有涂层材料的靶子运动并将涂层材料从靶子中移去，使得所述材料被沉积在待涂层的基体上。必须施加在靶子上的所述势差可以通过施加一个直流或脉冲电压而产生。为了进行脉冲操作，可以选择向右延伸进入高频范围(射频RF)的频率。但是，如果可能，靶子或溅射阴极通常总是保持一个负电势，或者对于双极脉冲操作，当处于正脉冲范围内时，靶子或溅射阴极仅保持一个非常低的正电势，原因是正脉冲从等离子体上除去电荷载体(电子)，因而正电势是不利的。但是，在特定的情况下，如果例如在溅射介电材料时，在靶子上形成一个绝缘层且该绝缘层破坏涂层设备的电容性，那么在上述很小的程度上是需要正电势的。在这种情况下，为了影响靶子的放电，从而反抗在所述绝缘层上形成的电荷，需要允许电压曲线振荡进入正电势的范围，或者需要施加一个低的正电压。但是，考虑到正电势在溅射阴极或靶子上的上述反作用，根据现有技术，如果可能，保持非常低的正电势或者避免施加正电势。
为了制备尽可能不存在残余应力的涂层，现有技术还描述了在涂覆过程中给基体施加一个偏压。所述偏压同样是单极或双极脉冲电压。给基体施加一个偏压会导致在基体上形成的涂层受到离子的轰击，或者对于双极操作的情况，受到离子和电子的轰击。利用施加在基体上的偏压加速的离子或者离子和电子轰击基体，通过选择性地影响膜的微观结构，减小在涂层沉积过程中形成的任何残余应力。但是，该方法的缺点是由于受到离子或者离子和电子的轰击，基体的温度很高。由于基体需要一个电压电源，因此该涂覆工艺更为复杂。如果针对偏压采用脉冲操作，则需要额外的系统，例如信号发生器、过滤器或者当脉冲偏压与阴极电压同步工作时需要同步组件。该方法的另一个缺点是由于例如在该过程中热效应会导致偏压发生变化，因此涉及基体偏压的溅射过程更难控制；还有可能例如由于偏压导致在基体上产生飞弧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种借助于溅射工艺制备基体涂层的方法和设备，使用该方法和设备能够减少或者避免上述缺点。一个特定的目的是允许产生膜性能并在基体上产生残余应力优化膜，为此，只可能在困难的条件下施加一个偏压或者根本不施加偏压，例如位于旋转的基体篮或其他载体中的基体通常就是这样。就膜的应力优化而言，该目的是基本上减小或防止膜中存在特别不利的残余拉伸应力，或者将这种应力转变为压缩应力。而且，本发明的方法和设备具有简单的设计且易于(即经济上可行)操作。
本发明的目的是由具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求6的特征的设备实现的。本发明的有益实施方式构成了从属权利要求的主题。
解决上述问题的一个非常简单的方案主要是完全不给基体施加与上述缺点有关联的偏压，而是根据在现有技术中被认为是缺点的早期发现，调整正的靶面电压脉冲，使得能够用该电压脉冲代替基体偏压。如果合适地调整施加在靶子上的正电势脉冲，则离子会向靶子加速运动——例如，如果将氩气用作惰性气体，则产生带有正电荷的氩离子。该效果与施加基体偏压取得的效果相同，在后一情况下，同样地，离子被加速离开等离子体进入基体——膜的微观结构受到影响，使得负的残余拉伸应力减小。本发明方法的另一个优点是还能获得溅射回流效果。如果作用于离子的正的加速电压升高超出了溅射临界值，则原先在涂层膜中仅仅松散结合的原子离开该膜；这对于具有大的长宽比结构的涂层的侧壁覆盖度是重要的。
与基体偏压相反，在靶子上施加脉冲正电压仅仅导致离子脉冲式地轰击基体，而不是离子或者离子和电子连续地轰击基体。这样，基体上的热效应达到最小。而且，对于很难，甚至不可能施加偏压的基体，选择性地影响膜的微观结构是可能的。用施加在靶子上的正电压脉冲代替基体偏压的另一个优点是能够降低配置和操作涂覆设备的成本，原因是不需要为了在基体上施加偏压而提供额外的电压电源。
在这种情况下，利用靶子上的信号发生器，既产生用于溅射阴极(靶子)处的电压信号的负的基本信号形状，又产生用于本发明方法的正的电压信号是有利的。这种手段简化了溅射涂覆设备，使其便于操作。
但是，为了尽可能任意地调整靶子的脉冲正电压信号的频率、信号形状、振幅等，优选通过在一个负的基本信号形状上叠加一个脉冲正电压信号，从而在溅射阴极(靶子)产生电压信号。
在使用本发明方法制备各种膜的过程中，已经发现选择在30至2000V范围内的正电压脉冲的振幅是非常有利的，特别是40至1800V，优选50至1000V，和/或选择在1至20μs范围内的正电压脉冲的脉冲持续时间是特别有利的。还发现选择在15至450kHz范围内的频率是有利的。
附图说明
结合后面针对一个比较实施例的详细描述以及附图能够清楚地理解本发明的其他优点和特征。
图1示出了一个典型靶子的电势图；
图2示出了用高频偏压沉积的膜中残余应力减小和电阻率增大；
图3示出了用本发明方法沉积的膜中残余应力减小或逆转。
具体实施方式
在这个比较实施例中，对沉积过程中向基体施加一个射频偏压而得到的NiV膜的残余应力的影响与根据本发明方法使用不同的正电压脉冲而沉积得到的NiV膜的残余应力发展作比较。图1示出了本发明方法中使用的典型的信号形状。除了一个具有负电势的半波，每个周期还包括一个具有正的靶面电势的半波。
对比使用现有技术方法(图2)和使用本发明方法(图3)分别沉积得到的NiV膜的残余应力，可以明显看出，使用本发明方法能够取得与使用基体偏压相同的效果。
图2中，将NiV膜的残余应力对射频偏压功率(bias power)作图，所述NiV膜沉积在一个被加热的基体上，所述基体被施加一个双极脉冲射频偏压。借助于常规的DC溅射工艺，其中溅射功率为9kW且氩气流速约为48sccm，膜厚度约为3500
Figure C0381158800071
的NiV膜以每千瓦功率约15.6
Figure C0381158800072
的溅射速率沉积。如图2所示，随着射频偏压功率的增大，NiV膜的残余应力减小，直至甚至出现残余应力从拉伸应力到微小的压缩应力的逆转。
使用本发明方法制备的NiV膜同样产生积极效果，其中在制备过程中不使用偏压，而是如本发明所提供的，向靶子提供双极脉冲(参见图1)。其他参数保持不变。如图3所示，随着正电压脉冲的正电势的增大，NiV膜的残余拉伸应力减小，或者甚至逆转变成压缩应力。通过对比发现，在不使用正脉冲部分的情况下，沉积得到的NiV膜的残余应力没有显著的变化，即使在-900V至约-1600V的范围内改变负脉冲电压也没有显著变化。

Claims (12)

1.一种制备残余应力优化涂层的方法，该方法借助于在靶子，即阴极上形成双极脉冲电压特性的溅射工艺，其特征在于，调整施加在靶子上的正电压脉冲，使得离子被加速向基体运动并且所述加速的结果是轰击基体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在一个负的基本信号形状上叠加一个正的脉冲电源信号产生正电压脉冲，正电压脉冲的频率、信号形状和振幅是可调节的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，正电压脉冲的振幅为30V至2000V。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，正电压脉冲的振幅为40V至1800V。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，正电压脉冲的振幅为50V至1000V。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，正电压脉冲的脉冲持续时间为1至20μs。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所施加的正电压脉冲的频率为15至450kHz。
8.如权利要求6中所述的方法，其特征在于，所施加的正电压脉冲的频率为15至450kHz。
9.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，该方法用于制备具有低拉伸应力的涂层。
10.一种用于制备涂层的溅射涂覆设备，按照如权利要求1至9中任一项所述的方法制备，其特征在于，提供一种电压电源设备，该设备适于产生大功率的脉冲正电压信号，以便使离子向基体加速并且所述加速的结果是轰击基体。
11.如权利要求10所述的溅射涂覆设备，其特征在于，设置一个能够产生负的基本信号形状和正电压信号的信号发生器，从而在靶面上产生电压。
12.如权利要求10所述的溅射涂覆设备，其特征在于，该设备用于制备残余应力优化涂层。
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