CN101198715A

CN101198715A - 蒸镀装置

Info

Publication number: CN101198715A
Application number: CNA2006800218950A
Authority: CN
Inventors: 中村宏毅; 渡辺宽
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2008-06-11
Also published as: DE112006001005T5; US20090145361A1; JP2008063590A; WO2006115236A1; JP4845416B2

Abstract

发射热电子的灯丝331在密封蒸发源31的喷嘴311开口附近辐照。经过密封蒸发源31的喷嘴311发射进入真空室32的蒸发材料(铜)的蒸气242在喷嘴311的开口附近被灯丝331发射的热电子电离。此外，电离产生电子崩流，由此产生等离子体状态。因此，蒸发材料(铜)以反圆锥形蒸气的形状(蒸镀材料的飞行形状)344移动至基板(不锈钢板333)，以形成蒸发材料(铜)的沉积膜。

Description

蒸镀装置

技术领域

本发明涉及一种利用等离子体的蒸镀装置。

背景技术

作为利用离子的真空蒸镀法，有在真空室中产生等离子体并抽取离子的方法，也有避免产生等离子体的方法。前者是所谓的离子镀方法，后者是所谓的簇离子辐射方法。

首先，将参考图6说明用于等离子体产生的蒸发装置。

在真空室12内布置包含蒸发材料14的开放型蒸发源(坩埚或蒸发皿)11。用于供应等离子体产生气体的气体供应部分122和用于产生电离效应的高频线圈131布置在真空室12中，以在其中形成等离子体状态。用于固定连接蒸镀基板133的基板支持体132布置在真空室12的上部。

通常，氩气用作辅助气体来供应。控制氩气的供应量。不需要的气体通过排气口121从真空室12排出。合适量的氩气保留在真空室12中。

高频电源152连接到高频线圈131，以施加适于产生等离子体的频率和电压。

直流电源151连接到蒸发源11和基板133、基板支持体132。直流电源的负电压施加至基板133和基板支持体132。

真空室12一旦被抽空到高真空状态后，等离子体产生气体通过气体供应部分122引入真空室。真空度减小至容易产生等离子体的压力程度(大致到10^-1Pa的水平)。在该状态下，当高频电压施加至高频线圈131时，等离子体产生气体通过辉光放电产生等离子体，并且该等离子体经等离子体产生区域142扩散。

当在开放型的蒸发源11中蒸发材料14被加热并蒸发时，在真空室12中蒸发气体(蒸气)产生并在蒸发源11之上扩散(大致在线141之上)。扩散的蒸气在等离子体产生区域142中碰撞等离子体产生气体的电子和自由基(电离原子)，由此转化成正离子。将得到的蒸气向施加负电压的基板支持体引导并加速得到的蒸气，并辐照到基板133上，以形成沉积膜。将中性状态的蒸气与电离蒸气一起辐照到基板133上以形成沉积膜。

用上述方法的蒸镀中，蒸发材料与基板的附着度远强于常规蒸镀中的，并且甚至对于复杂形状也可以获得与基板更好的粘合状态。基板上蒸发材料的改善的附着度是由等离子体产生气体中离子的基板表面清洗作用和蒸发材料的加速离子辐照带来的。此外，优异的附着性能是由充填在基板附近的与等离子体产生气体混合的蒸气带来的。

蒸气与等离子体产生气体混合的状态是指小的蒸气分子平均自由程。由于蒸气分子的飞散，蒸气到基板的到达因子变得相当小。因此，蒸发材料的利用效率被迫降低。从蒸气运动状态来看，取决于热能并平行于基板前进的蒸气运动由于与等离子体产生气体碰撞而分散，并丧失平移性能。离子镀中，等离子体产生气体需要利用离子力。等离子体产生气体有助于改善附着度和附着强度，但是蒸发材料的利用效率减小了。因此，难以提高蒸发速率。因此，该方法中，重要的是，即使尽可能地减少等离子体产生气体的量也可以产生等离子体。具有大能量电离作用的高频电场被用作等离子体产生装置。

用作等离子体产生气体的氩气是昂贵的，并且通过离子镀形成沉积膜是高成本的，相关联地，蒸镀速率也慢。因此，难以提高蒸镀的生产量。

接下来，将参考图7说明可以避免产生等离子体的簇离子束蒸发(例如，参考专利文献1)。

在真空室22中布置其中装入蒸发材料24的密封蒸发源21、所述密封蒸发源附近的用于热电子发射的灯丝231、用于抽取热电子的栅极(抽取电极)232、位于所述灯丝和基板之间的加速电极233以及用于将基板235固定在加速电极上的基板支持体234。

直流电源252连接在密封蒸发源21和基板235(基板支持体234)之间，负电压施加至基板235和基板支持体234。直流电源251连接在灯丝231和栅极232之间，同时直流电源252连接在栅极232和加速电极233之间。加速电极233与基板235和基板支持体234是等电位的。

密封蒸发源21中的蒸发材料23通过加热变为蒸发的气体(蒸气)241。然而，开口(喷嘴)211非常小，密封蒸发源21中蒸气产生热扰动运动，由此提高其蒸气压。蒸发源21中的蒸气压随加热温度增加。然而，当例如加热铜(Cu)至1600℃或更高时，蒸发源21中蒸气压上升至约1.33×10²Pa。当真空室22中的真空度是1.33×10²Pa时，密封蒸发源21中的压力变为外部压力的10⁵倍，使得蒸气从开口211以非常高的速度喷出。

喷出的蒸气242绝热膨胀。膨胀期间，每个分子损失其通过加热得到的温度和动能。分子由于范德华力的影响仅通过能量的损失而相互吸引，使得形成显著数量的分子簇。所述簇通过热电子向基板235前进。行进中，当热电子与簇碰撞时，它们转变为簇离子243(正离子)。由于加速电极233和基板235(基板支持体234)的(负)电位，簇离子243将其喷射速度加速得更快，并由此辐照到基板235上。

至于簇离子，簇中仅一个离子分子是正离子而其余分子是中性的。加速电位仅作用于一个正离子而不作用于中性分子。因此，到基板的入射速度的数值为一个离子的速度除以簇的分子数量得到的数值。从质量方面来看，电位作用于整个簇，与常规蒸镀中的能量相比，入射能量较大。簇在它们撞击基板的时候瓦解，使得出现迁移。结果，可以得到具有优异结晶性能的沉积膜。因为大多数入射的分子是中性的，所以由离子产生的静电带电量非常小。

然而，为了产生簇离子，对蒸发量的控制以及用于离子化的灯丝和栅极的构造和布置应该得到优化。在对离子镀的说明中，气体转化成等离子体的压力表示约10^-1Pa的水平。然而，对于蒸发源中约1.3×10²Pa(如上所述)的压力，该压力接近于喷射瞬间的气体密度。在这样的条件下，气体通过接收的热电子可以容易地转变为等离子体状态。在那种情况下，因为离子的数量非常巨大，大部分簇分离成单分子状态，或转变成少量分子集合体。因此，不能期望由簇的形成而造成的与物质的增加或瓦解有关的迁移效应。待形成的沉积膜的静电位没有减小。

电绝缘体例如SiO的沉积中，当蒸发的SiO附着在栅极上或加速电极上时，栅极或加速电极立即变为失效。此外，当在沉积膜上出现静电位时，会排斥入射的离子。在簇离子束沉积中，很难选择蒸发材料和设定条件。

专利文献1：日本专利公开No.5-41698

发明内容

图6所示的常规离子镀有效地利用离子效应。然而，存在与低沉积效率有关的缺点和高频电源带来的限制。低沉积效率是开放型蒸发源带来的本质问题，等离子体产生所需的气体压力仅可以通过使用等离子体产生气体获得。不能不加区别地使用用于减少等离子体产生气体的装置的高频电源，因为该装置是昂贵的并且法律上限制使用。

图7中所示的常规簇离子束具有许多对基本膜形成的技术上的制约，并且实际使用中几乎不可能延续最佳条件。换言之，因为保持蒸气密度的不确定性一定不会在恒定状态中稳定，因此离子化装置的结构和布置之间的关系变为不稳定。此外，严重的技术制约在于不可能沉积电绝缘体。

因此，本发明的目标在于关注已在常规离子电镀中证实的等离子体中的离子效应，并大胆地利用簇离子束技术中避免的等离子体现象，以及越常规离子镀方法而有效地利用离子。

具体实施方式

根据本发明，为了实现上述目标，权利要求1的蒸镀装置包含用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置，其中从密封蒸发源的喷射开口喷出的蒸气沉积在基板上以形成沉积膜。

权利要求2涉及权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是在密封蒸发源和基板之间连接的电源。

权利要求3涉及权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是布置在所述密封蒸发源附近的热电子产生灯丝。

权利要求4涉及权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是布置在所述密封蒸发源附近的高频线圈。

权利要求5涉及权利要求2的蒸镀装置，其中所述电源是脉冲电源。权利要求6涉及权利要求1-5的蒸镀装置，进一步包含反应气体的喷射开口，其布置在所述密封蒸发源的喷射开口附近。

发明效果

离子镀中，等离子体产生气体是必要的。然而，本发明不需要等离子体产生气体。常规簇离子束方法需要结构布局复杂的电离部分，但是本发明的等离子体形成装置非常简单。此外，本发明可以产生具有与基板强附着强度的沉积膜，并提供高产率。

本发明通过利用密封蒸发源中蒸气的高密度性能的优点来非常简单地产生等离子体。此外，通过从等离子体提取离子，以高生产率和低成本成功地产生了具有突出的附着强度的沉积膜。根据本发明，不需要用于离子镀技术的等离子体产生气体和用于常规离子镀束技术的复杂结构。

附图说明

图1是展示了根据本发明第一实施方式的蒸镀装置的结构的示意图；

图2是展示了根据本发明第二实施方式的蒸镀装置的结构的示意图；

图3是展示了根据本发明第三实施方式的蒸镀装置的结构的示意图；

图4是展示了根据本发明第四实施方式的蒸镀装置的结构的示意图；

图5是展示了根据本发明第五实施方式的蒸镀装置的结构的示意图；

图6是展示了利用等离子体的常规蒸镀装置的结构的示意图；和

图7是展示了常规簇离子束蒸镀装置的结构的示意图。

具体实施方式

将参考图1至5说明本发明的实施方式。图1至5中类似数字是指相同组成部分。

(实施方式1)

图1展示了第一实施方式中蒸镀装置的结构。

蒸发材料34例如铜被置于真空室32内的密封蒸发源31中。真空室中的气体经过排气口321抽出后，加热蒸发源31。铜蒸气341填充密封蒸发源31。选择加热方法不是特别关键的问题。加热方法可以是电子轰击法或电阻加热法(未展示)。铜或电导体使得可在不使密封蒸发源31绝缘的情况下获得足够量的蒸气。当加热温度达到1600℃时，密封蒸发源31中的压力是大约1.33×10²Pa。喷射开口是直径为1mm且内壁至外壁的距离为1mm的喷嘴311。

从喷嘴311喷出进入真空室32的蒸气342被喷射到安装在基板支持体(基板座)332上的基板(蒸发基板)333上。喷嘴311和基板之间的距离例如为600mm。当用作等离子体产生装置的直流电源351在密封蒸发源31和基板333之间施加1kV的电压时，处于等离子体状态并处于倒圆锥形形状344(蒸气342的飞行形状)的蒸气342前进到基板333。用该方法得到的铜沉积膜具有极高的附着度。施加的1kV电压对应于等离子体产生能量，并且是加速电压。蒸发之前的真空度是3.5×10^-3Pa。蒸发期间的真空度是5.5×10^-3Pa。

该数值是足够的高真空，并且表示受控的等离子体区域。

本实施方式中，铜与不锈钢的附着强度非常强。对包括高附着性胶带的多种胶带进行的剥离试验中，没有出现膜剥离。

(实施方式2)

图2展示了根据本发明第二实施方式的蒸镀装置的结构。

该结构不同于图1中所示结构之处为在喷嘴(喷射开口)311的附近加入灯丝331作为等离子体产生装置。因此，施加的电压被分成两个电压。即，从直流电源351为灯丝331施加第一电压，而直流电源351独立施加第二电压至基板333。当用电源(未示出)加热灯丝331时，灯丝331发射热电子至密封蒸发源31。用来自直流电源351的0.2kV，蒸气342转变为等离子体状态。直流电压源352用于加速等离子体中的离子。

其它操作类似于第一实施方式中的。

本实施方式中，铜与不锈钢333的附着强度非常强。对包括高附着性胶带的多种胶带进行的剥离测试中，没有出现膜剥离。

(实施方式3)

图3展示了根据本发明第三实施方式的蒸镀装置的结构。

该结构不同于图2所示结构之处为在喷嘴1的附近设置高频线圈61，而非灯丝，来作为等离子体产生装置，以包围喷出的蒸气342。高频电源353为高频线圈61提供预定的频率。本实施方式中，在13.56MHz的频率下得到等离子体状态。直流电源352施加加速电压至基板333。其他说明类似于第一实施方式中的。

(实施方式4)

图4展示了根据本发明第四实施方式的蒸镀装置的结构。

基板433由电绝缘体例如聚酯膜形成。蒸发材料441是SiO气体。仅取决于热能的沉积不会导致在聚酯膜上带静电。然而，当第一至第三实施方式中沉积电离的SiO时，基板433带上正电(+)。结果，入射的SIO⁺被从基板433排斥。这种现象消除了等离子体的产生作用。然而，当第一实施方式中的电场是正/负或负相/0的脉冲电场时，基板433带的电被中和，使得入射的SiO⁺得以持续。

脉冲电源452或等离子体产生装置将脉冲电压施加至蒸发源411和基板433。

实验中，用占空比1/5、10KHz和1KV的正/负脉冲得到稳定的等离子体状态。SiO与聚酯膜表面的附着强度非常强。对包括高附着性胶带的多种胶带进行的剥离试验中，没有出现膜剥离。

数字4111和4112代表喷射开口，42代表真空室，421代表排气口，432代表基板支持体(基板座)，442代表倒圆锥形蒸气(蒸镀材料的飞行形状)。

(实施方式5)

图5展示了本发明的第五实施方式的蒸镀装置的结构。

基板433由电绝缘体例如聚酯膜形成。蒸发材料441是SiO气体。最初带深褐色的黑色SiO提供深褐色的沉积膜。沉积膜被氧化到直至透明，使得得到的膜可以用作包装用的气体阻隔膜。

通过用脉冲电源452施加脉冲电压，使SiO变成等离子体状态。同时，从反应气体供应导管511供应的反应气体521或O₂被加热，其中气体供应导管511布置在蒸发源411的喷射开口4111和4112的附近。因此，通过喷射开口5111将加热的反应气体511喷射进入SiO等离子体。该状态中，O₂转变为等离子体状态，使得SiO的氧化反应进行得更好。控制O₂的量以使其被足够地降低。然而，该方法不会使腔室42中的真空度变差。

本实施方式中得到的几乎透明的SiOx沉积膜具有与第四实施方式中沉积膜同样强的附着强度，并提供优异气体阻隔特性。

数字542代表倒圆锥形(蒸镀材料的飞行形状)。

以下将说明本发明蒸镀装置的特征与功能。

本发明考虑了从密封蒸发源喷射的蒸气密度。在不采用等离子体产生气体的情况下，从密封蒸发源喷射的蒸发材料的蒸气转变为等离子体状态。在密封蒸发源的情况下，加热温度使密封蒸发源中的蒸气产生热扰动，由此提高了密封蒸发源的温度。通常，将气体转化为等离子体状态需要约10^-1Pa(或大于10^-1Pa)的压力。密封蒸发源可以容易地产生内部压力水平并且提高其温度以达到1.33×10²Pa。

密封蒸发源的内部压力被保持到从开口喷射蒸气的瞬间。因此，当等离子体产生装置在喷射位置提供电离能时，喷出的蒸气被容易地转变为等离子体。特别地，因为密封蒸发源的开口附近具有高蒸气密度，因此电离能本身可以设置为小的数值。此外，因为完全不需要等离子体产生气体，朝向基板移动期间，通过热能获得的动能不会损失，同时蒸发材料不碰撞其它气体分子。因此，对基板的入射能远大于普通离子镀中的。因为蒸发材料的蒸气不与其它气体分子碰撞，因此不出现蒸气的扰动，使得使用蒸发材料的利用效率巨大。

与簇离子束技术相比，本发明的等离子体产生装置中，为喷出的蒸气提供电离能的电极的结构和位置都不复杂。当连接在密封蒸发源和基板之间的电源例如直流电源施加预定电位时，喷出的蒸气在密封蒸发源开口附近强烈地辉光放电，并变为等离子体状态。热电子发射灯丝用作等离子体产生装置。灯丝保持在蒸气喷射区域或其附近。当正电位施加至密封蒸发源时，热电子进入密封蒸发源的表面，并且该过程中喷出的蒸气转变为等离子体状态。高频线圈或脉冲电源可以用作等离子体产生装置。然而，已经用于现有离子镀技术的高频线圈可以将电离能设定为大于热电子的，使得喷出的蒸气可以被容易地转变为等离子体状态。或者，当脉冲电源连接在密封蒸发源和基板之间以提供脉冲电位时，喷出的蒸气可以被转变为等离子体状态。

当等离子体中的离子形成沉积膜时，利用作为评估材料的蒸气的电绝缘体，多余的静电在沉积膜上积累。该积累的静电排斥入射的离子。在这种情况下，因为不能进行利用离子的沉积，因此必须中和静电。中和使得离子可以被连续辐照到基板上。热电子可以被用于中和。当灯丝在基板附近被加热时，从灯丝发射的朝向基板的热电子中和正静电。此外，通过用随后描述的在密封蒸发源和基板之间连接的脉冲电源施加脉冲电位，也可以进行静电的中和。

本发明的根本特征为蒸发源为密封型，而且内部压力在密封蒸发源中产生。不在密封蒸发源中出现内部压力导致不从密封蒸发源的开口喷射蒸气。由喷射现象造成的喷射的蒸气的等离子体区域没有在整个真空室内加宽，并且剩余在喷出的蒸气范围内(倒圆锥形的飞行范围)。

密封蒸发源的开口通常是喷嘴，但是不应仅限于喷嘴。开口可以是狭缝。喷出的蒸气的喷射速度在开口的中心是最高的。由于与开口壁表面的接触阻力，在其它位置的喷射速度是缓慢的。因为喷出的蒸气在最高速度下具有最低的静压，并且其它流体以最快速度会聚，开口可以是狭缝，而不是喷嘴。

如果真空沉积中可以容易地使用装置，则不管何种类型的常规等离子产生装置都可以使用。然而，为了使等离子体中的离子强烈地辐照到基板上，基板必须保持负电位。因此，结构中，如之前描述，利用在蒸发源和基板之间连接的电源施加电位差的方案是优选的。

通过将灯丝布置在密封蒸发源的喷射开口附近并辐照喷出的蒸气中的热电子，可以如上所述获得等离子体。该方法不像簇离子束方案那样需要电子牵引栅极，密封蒸发源具有相当于栅极的作用。布置栅极导致当电绝缘体蒸发时，由于蒸气附着至栅极，栅极的电子牵引作用丧失。然而，当密封蒸发源本身用作栅极时，即使该蒸气到达密封蒸发源，加热密封蒸发源也可以防止蒸气附着至栅极。即使在布置了栅极时，本发明也可以产生等离子体。在该情况下，基板和密封蒸发源之间的电位差确定了等离子体中离子的加速量。

高频线圈已经广泛地用作所谓离子镀中的等离子体产生装置。然而，如上所述，本发明可以应用高频线圈。在该情况下，与离子镀技术相比，本发明可以减小电离能。

脉冲电源可以施加脉冲，而不是用在基板和密封蒸发源之间连接的直流电源来施加电位差。尤其是，这种情况不在乎脉冲波形。通过施加脉冲电压，喷出的蒸气可以被转化为等离子体状态。或者，即使由于离子在基板上产生静电，通过施加正/负脉冲或负/零脉冲，也可以中和静电。这样的方式中，正离子可以平稳地撞击到基板上而不受静电的影响。

沉积中，通常通过使氧气或氮气与蒸气反应，形成氧化膜或氮化物膜。通常，极少量的反应气体例如氧气或氮气在邻接基板的位置扩散。在这种情况下，通常在基板上出现反应现象，例如氧化。另一方面，由于蒸发材料(沉积材料)的蒸气与反应气体的碰撞，不可避免的在某种程度上损失动能。因此，优选邻接蒸发源供应反应气体。然而，在开放型蒸发源的情况下，因为蒸气的蒸发区域大，难以使反应气体供应位置接近蒸发源布置。因此，通常认为损失动能是不可避免的。

相反，因为用于本发明的密封蒸发源具有非常小的喷射开口，可以使反应气体出口邻接喷射开口布置。该结构中，用密封蒸发源的热量加热反应气体导管(或反应气体供应源)，由此实现反应气体的喷射现象。蒸发材料(或沉积材料)的蒸气和反应气体在二者到达基板之前互相化合。因为化合区域处于等离子体状态，所以反应进行得非常顺利。

根据如上所述的本发明，利用密封蒸发源可以非常容易地获得等离子体。真空室内部被分成高真空区域和存在喷出的蒸气的区域(倒圆锥形的飞行区域)。等离子体仅存在于存在喷出的蒸气的区域中。蒸气在整体上在小角度内移动至基板，并且离子被基板电位吸引加速，从而快速撞击到基板上。因此，可以容易地获得具有高迁移能的平滑沉积膜。根据施加的电压，可以获得沉积膜与基板非常强的附着强度。氧化和氮化反应中，可以进行沉积，同时保持尽可能高的真空度。

Claims

1.一种蒸镀装置，其中从密封蒸发源喷射开口喷出的蒸气沉积在基板上以形成沉积膜，所述蒸镀装置包含用于将所述喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置。

2.权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是在所述密封蒸发源和所述基板之间连接的电源。

3.权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是布置在所述密封蒸发源附近的热电子产生灯丝。

4.权利要求1的蒸镀装置，其中所述用于将喷出的蒸气转化成等离子体状态的装置是布置在所述密封蒸发源附近的高频线圈。

5.权利要求2的蒸镀装置，其中所述电源是脉冲电源。

6.权利要求1至5任何一项的蒸镀装置，进一步包含布置在所述密封蒸发源的所述喷射开口附近的用于反应气体的喷射开口。