CN1074582C - 真空中底基涂层的装置 - Google Patents

真空中底基涂层的装置

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Abstract

一种在真空中底基(14)涂层用的装置，由一交流电源(2)组成，该交流电源与两个设在真空涂层室(15)中的阴极(6，7)连接，后者与极靶相互电作用，极靶被雾化，其雾化粒子沉积在底基(14)上，在涂层室(15)中引入一种反应气体，并在交流电源(2)与阴极对(6，7)之间设置一个网络(1)，它起滤波作用，并由变压器(3)和除变压器外的其余线圈(5、12、13)及电容器(4、8、9、10、11)构成，由此保证有稳定的涂层过程。

Description

真空中底基涂层的装置
本发明涉及一种在真空中底基涂层的装置，它由一个交流电源组成，该交流电源与两个设在一真空涂层室中的阴极相连接，后者与极靶相互电作用，极靶被雾化，其雾化的粒子沉淀在底基上，其中在涂层室中引入一种生产气体，并在交流电源与阴极对之间设置了一个网络，它起滤波作用并由变压器、线圈及电容构成。
业已公知了一种制造薄层的雾化装置(DD252205)，它由一个磁系统及至少两个布置其上的、由待雾化材料作成的电极，这些电极在电方面构成了一个气体放电部分的交替的阴极及阳极。为此目的，这些电极被连接在最好为50Hz的一个正弦波交流电压上。
该公知的雾化装置应特别适用于通过反应雾化的介电层的沉淀。通过该装置用约50Hz工作应可避免在阳极上形成闪电及在金属涂层的情况下的电短路(俗称电弧放电)。
在另一种已公知的用于雾化沉积一薄膜的装置中，沉积不同材料层的速度是可调节的(DE3912572)。为了达到极薄的层群，至少设置了两个不同类型的且设在阴极侧的反电极。
另外公知了用一种电绝缘材料，例如二氧化硅(SiO2)使一底基反应涂层的方法及装置(DOS4106770)，它由一个交流电源组成，该电源与一个设在涂层室中包括磁铁的阴极相连接，这些阴极与极靶相互作用，其中交流电源的两个非接地输出端各与一个携带一极靶的阴极相连接，其中在涂层室中的两个阴极并列地设置在一个等离子空间中，并对于相对放置的底基总具有大约相等的空间距离。这里放电电压的有效值由对通过一个导体连接在阴极上的电压有效值的检测来测量，并作为直流电压通过导线传送给一个调节器，后者通过一个调节阀这样来调节从容器到分配导管的反应气体流，即所测量的电压将与一给定电压值相一致。
最后公知了一种使底基反应涂层的装置(DOS4136655.7)，其中具有一个与真空室电隔离的由两个彼此电分离的且构成磁控管阴极的部分组成的阴极，在该装置中具有磁轭和磁铁的靶基体作为一部分(中间经由一个电容器)连接在一个直流电压源的负极上，而靶作为另一部分通过一个导线及中间连接了一个扼流圈及与其并联的电阻连接到电源上，并且其中靶经由另一电容与电源正极及阳极相连接，阳极本身(中间经由一电阻)接地，其中与无感电容相串联的电感连接到至电阻及主扼流圈的分支导线上，及电阻的值典型在2kΩ及10kΩ之间。这种较早的装置是这样构成的，以致它抑制了在涂层处理期间出现的绝大多数的电弧并使电弧能量降低，及改善了电弧以后的等离子重触发。
溅射方法的可利用性由于处理稳定性而停滞不前并正在下降。这就是说，该装置必须长时间(300小时)稳定地及无电弧地保证电数据(阴极电流，功率)及层的光学数据(折射指标，层厚，层厚分布)。
阴极的长度愈大，所需的功率愈大且愈难满足稳定性的要求。它的物理背景是，电压由压力、气体种类及靶表面的性能来决定。而电流正比于长度地上升。靶表面性能的小变化引起小的电压变化，但是与由于大的阴极长度产生的大电流相乘得到了过大的功率变化，这可能会引起靶的局部熔化。
特别成问题的是，在大功率时保持沉淀层的氧化度。这个任务是这样产生出来的，即对于建筑玻璃等大面积涂层沉淀了氧化物，其中被一种具有氧一氩混合物的金属靶溅射，以便保持一确定的氧化物变更，该氧化物变更是需要的，以便调整层系的颜色或抗腐蚀稳定性。
如果在恒定功率下提高氧份额，则“在氧化物方式中使阴极倾覆”。如果提高氧份额仅很小地超过“倾覆点”，则可通过在金属方式中提高功率使阴极恢复。
阴极的两个基本特性是已知的：
类型1：阴极电阻随反应气体份额增加而减少。
类型2：阴极电阻随反应气体份额增加而增大。
存在哪种类型依赖于材料及反应气体种类。
大多数应用中使用氧份额与功率的一个比例作为“工作点”，它位于“倾覆点”的附近。其依据在于，在该区域中达到了最高的氧化物涂层额。对于装置的控制该工作点是非常不利的，因为很小的功率波动，可能导致氧或阴极周围环境方式的突变并由此生产出废品。
基于上述关系，即随着阴极的加大功率波动急剧地上升，阴极稳定工作的余度愈来愈小，以致在无附加措施时，对于不容易满足的材料如Si/SiO2在技术上将根本不能再工作。
本发明的目的在于，在最高功率时借助自稳定性也能保证可靠的工作。
该任务将根据本发明这样地解决，即在涂层室中引入一种反应气体及在交流电源及阴极对之间设置一个网络，它起到滤波器作用并由一个变压器和除变压器外的其他线圈及电容器构成，交流电源的频率偏离滤波器的固有频率及阴极功率P(r)作为阴极电阻r的函数根据下式变化并构成对于交流它流的气体放电， P ( r ) = r b 0 + b 2 r 2 其中b0和b2为常数。该阴极功率具有一个最大值，其中在最大值时这样地选择阴极电阻，即工作点时的阴极电阻偏离最大值的阴极电阻，以及网络阻抗阻止装置从一种工作状态变到另一种工作状态。
另外的特征及细节详细地描述在从属权利要求中并作为它们的特征。
本发明允许不同的实施可能性，其中的一个详细地描绘在附图中，且附图为：
图1：用于阴极对的供电电源的电路图；及
图2：功率相对电阻变化的曲线图。
本发明的装置用于对置于真空涂层室15中的底基14进行阴极真空喷镀。
从中频发电机2将能量取出到它的振荡回路上。因为该振荡回路在结构形式上与供电网络形成电的连接，故在该网络1中必须接入一个变压器3。在网络1的什么地点上接入变压器3，对于进一步的考虑是不重要的。
在该实施例中电容器4及线圈5布置在变压器的振荡回路侧及其他的元件布置在阴极6、7一侧。当变压器3直接地接在振荡回路2上，而所有的电容及线圈接在阴极侧上，这样的电路经试验证明也是行之有效的。
电容器8选择得这样大，即它对电路的频率特性具有很小的影响。它的作用是保护变压器3避免其通以直流电流，该直流电流是由于两个阴极6、7的特性曲线差别流过的并由此可能损害变压器3的功能。
在变压器直接地接在振荡回路上的情况下，电容器4的作用将由电容器8来承担。
电容器9及10的作用是消除无线电干扰，同时它们对地泄流甚高频的电流。这些甚高频的电流可能由于电路瞬态过程在等离子区中形成。
能够实现自稳定性的固有特性是通过电容器4和11以及线圈5、12和13调整的。形式上线圈12及13可以合绕成一个线圈。再将其分配成两个相同大小的线圈12及13，以便能得到整个装置尽可能对称的结构。
1．用于计算的参照值是溅射区段的等效电阻X1，在下文中用r来表示。它被构成瞬时功率时阴极6、7之间电压的有效值与该时刻功率下的阴极电流有效值的商：r=Ukat/Ikat，故称为“阴极电阻”。
2．当该电阻r下降，而在阴极6、7上功率p(r)根据式： p ( r ) = r b 0 + b 2 r 2 上升时，在具有按照类型1的特性的阴极上将达到自稳定。为了对生产过程中的稳定性提供足够的余量，将选择一电阻值，在该值时达到功率最大值M并由此到达自稳定的终点，它选择为Rmax=0.5…0.75×r,r为所需额定功率时的值。对此见图2中工作点A。
3．在工作频率时网络1的固有阻抗从阴极侧测量必须是感性的。
4．网络1的固有阻抗Re在小频率时比Rmax大，并在低于工作频率的一个频率上降到一个最小值(第1零点)。
5．在工作频率时输入电阻Re的值达到值1.414×Rmax，这就是说，输入电阻Re的虚数分量及实数分量均等于Rmax。
6．随着频率的增加输入电阻Re上升到一个最大值并重又下降到第2最小值(第2零点)。第2零点的频率约为工作频率的三倍。
各元件的实际值为：
工作频率：40Khz
C1=0.6μF，
C2=18μF，
C3=108nF，
C4=8nF，
C5=8nF，
L1=16μH，
L2=L3=23μH
变压器的变比为1∶2，
在实施例(图2)中在125KW额定功率时溅射区域r的等效电阻为2Ω，在最大功率时的阴极电阻为1Ω

Claims (4)

1．一种真空中底基(14)涂层用的装置，包括一个交流电源(2)，该交流电源(2)与两个设在一真空涂层室(15)中的阴极(6、7)相连接；所述阴极与极靶相互电作用使极靶雾化，其雾化的粒子沉淀在底基(14)上，而在涂层室(15)中引入一种反应气体，所述阴极具有其电阻随该反应气体份额增加而减少的特性；在交流电源(2)与阴极对(6、7)之间设有一个网络(1)，该网络起滤波器作用，并由一个变压器(3)和除变压器外的其他线圈及电容器构成，且从阴极侧测量的阻抗为感性的；交流电源(2)的频率偏离滤波器的固有频率；以及构成交流气体放电的、作为阴极电阻(r)函数的阴极功率(p)的特性曲线具有一个最大值，选择该最大值，使得阴极电阻在工作点(A)时偏离最大值(M)时的阴极电阻和使得网络(1)的阻抗阻止所述装置从一种工作状态变到另一种工作状态。
2．根据权利要求1所述的真空中底基涂层用的装置，其特征在于：所述阴极功率P和阴极电阻r的关系通过表达式 p = r b 0 + b 2 r 2 来描述，其中b0和b2为常数。
3．根据权利要求1所述的真空中底基涂层用的装置，其特征在于：所述功率最大值(M)时的阴极电阻这样选择，即在工作点(A)时的阴极电阻约为最大值(M)时的该阴极电阻的两倍。
4．根据权利要求1至3之一所述的真空中底基涂层用的装置，其特征在于：在所有工作状态中阴极(6、7)的阴极电阻大于或小于功率最大值(M)时的阴极电阻。
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