CN107614737A - 阳极防护罩 - Google Patents

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Abstract

一种溅射系统和一种阳极与阳极防护罩组件，其提供改善的接地来实现延长的溅射循环。

Description

阳极防护罩
相关申请
本申请要求2015年3月18日申请的标题为“Anode Shield”的美国临时申请序列号62/135,057的优先权，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及涂层系统及其使用方法，并且更特定地，涉及对涂层系统中的阳极的防护。
背景技术
对于通过将蒸气形式的所需涂层材料冷凝到制品或基材上，诸如验眼透镜、安全防护罩和窗户，从而将薄膜沉积或涂覆到制品或基材上来说，通常采用物理气相沉积技术和机器。一种物理气相沉积法是溅射涂布机。溅射涂覆采用辉光等离子体放电，其轰击所需涂层材料源或“靶材”，从而将材料的部分以蒸气的形式溅射远离靶材，以供后续沉积到制品或基材上。辉光等离子体放电通常由磁体定位在靶材周围。
溅射涂布机的一个应用是用于在光学制品或基材，诸如验眼透镜上形成抗反射涂层。抗反射涂层减少验眼透镜的前表面和后表面上的反射，并且因此对于产生具有改善的透光性、可见性和美观性的眼镜是合需要的。通常，这种抗反射涂层作为具有精确且相对较薄的厚度的一层或多层来施加。
常规或已知的溅射箱涂布机的一个问题是氧化物形式的所需涂层材料可在溅射腔室的内部积聚或形成，从而将系统阴极周围的溅射腔室区域的内部遮蔽或绝缘。在这些系统中，从靶材阴极表面穿过等离子体并到阳极平面形成连续电路。在许多系统中，阳极平面是保持到接地电位的腔室本身。此氧化物层可能最终阻碍等离子体中的电子找到电源的阳极，所述阳极通常是腔室的电接地。随着时间的推移，随着氧化物层变厚，等离子体中的电子在寻找电接地中效率和成功率越来越低。这不利地影响通过靶材进行的功率传递。这继而影响溅射膜的沉积速率和均匀性，并且整个溅射工艺变得不太可预测和均匀。
卖家Jeff C.进一步描述了这个问题，“The disappearing anode myth:strategies and solutions for reactive PVD from single magnetrons”,Surface andCoatings Technology,94-95,184-188(1997)。美国专利号6,495,000描述了在形成液晶显示器期间采用翅片式阳极设计和/或磁性阵列来重新定向电子流并抵抗上述阳极效应。美国专利号4,946,576描述了采用阳极遮板系统来抵抗阳极效应，并且美国专利号7,850,828描述了采用气体歧管和磁体来限制和重新定向电子，以便在沉积过程期间保护系统阳极免受溅射电介质材料的影响。以上每个参考文献的全部内容以引用的方式并入本文。
然而，这些先前提出的对上述阳极效应的解决方案中的每一个都涉及相对较大的涂敷溅射箱或者在溅射腔室内需要相对较大的覆盖面积的解决方案。在所使用的小涂层腔室中，例如对于在处方实验室中涂层验眼透镜，由于起始表面积小，几乎独占使用绝缘氧化物和氮化物，并且包含电浮成分以保持基材试图减少加热效应和表面电弧，所以系统对此阳极效应的敏感性扩大。
此外，在这样的小涂层系统中，由于等离子体延伸到腔室的其它区域，材料积聚和由此导致的阳极损耗可能导致意外地加热被涂层的基材和/或基材保持架。对于诸如塑料验眼透镜等基材，温度的升高是非常有害的，并且对于需要处理基材保持架的操作者来说也可能构成安全问题。阳极的损耗还将需要腔室维护以清洁表面，并恢复从靶材到阳极的电连续性。因此，建立受保护不受沉积影响的改善的阳极的任何手段将减少所需的维护并提升正常运行时间和整体生产量。这些问题的先前提出的解决方案对于在这样的小溅射腔室中的实施是不可行的。
本领域需要的是一种用于有效地维持电源的正极侧到小溅射腔室内的等离子体的可用性的装置和方法，所述正极侧可能或可能不处于接地电位。
发明内容
本发明的系统、组件和方法维持电源的正极侧到溅射腔室内的等离子体的可用性。这些目的部分通过提供溅射系统来实现，所述溅射系统包括：靶材；腔室；阳极，定位在靶材和腔室之间；以及防护罩，定位在靶材和阳极之间。在本发明的某些实施方案中，阳极包括增加阳极的至少一部分的表面积的表面纹理。
这些目的部分通过提供阳极布置来实现，所述阳极布置包括：靶材掩模，至少部分突出到溅射路径中，所述靶材掩模具有第一纵向侧和第二纵向侧；阳极防护罩，定位在靶材掩模和靶材之间；以及形成在靶材掩模和阳极防护罩之间具有大约0.5至1.5毫米厚度的空间。
这些目的部分通过提供一种用于防护溅射系统的阳极的方法来实现，所述方法包括以下步骤：将阳极插置在溅射靶材和溅射腔室之间；将阳极防护罩插置在溅射靶材和阳极之间；以及在阳极的表面和阳极防护罩的表面之间形成大约0.5至1.5毫米的间隙。
附图说明
将参考附图，根据以下对本发明的实施方案的描述中明白并阐明本发明的实施方案能够具有的这些和其它方面、特征和优点，其中：
图1是本发明的一个实施方案的系统的截面透视图。
图2是本发明的一个实施方案的靶材掩模的正视图。
图3是本发明的一个实施方案的靶材掩模的透视图。
图4是本发明的一个实施方案的靶材掩模的后视图。
图5是本发明的一个实施方案的靶材掩模的侧视图。
图6是本发明的一个实施方案的靶材掩模的沿图2的线A-A的截面图。
图7是本发明的一个实施方案的靶材掩模的一部分的图6的区域B的放大截面图。
图8是本发明的一个实施方案的阳极防护罩的正视图。
图9是本发明的一个实施方案的阳极防护罩的侧视图。
图10是本发明的一个实施方案的靶材掩模的部分正视图。
图11是本发明的一个实施方案的靶材掩模和阳极防护罩的正视图。
图12是本发明的一个实施方案的靶材掩模和阳极防护罩的正视图。
图13是本发明的一个实施方案的靶材掩模和阳极防护罩的正视图。
图14是示出本发明的一个实施方案的系统的一系列按顺序执行的涂层次数中在靶材处的测得电压的图表。
图15是示出本发明的一个实施方案的系统的一系列按顺序执行的涂层次数中在靶材处的测得电压的图表。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的具体实施方案。然而，本发明可以许多不同形式实施，并且不应当解释为限于本文所陈述的实施方案；而是，提供这些实施方案使得本公开将是透彻的并且完整的，并且将本发明的范围全面传达给本领域所属技术人员。附图中所示的实施方案的详细描述中所用的术语不意在限制本发明。在图中，相同数字指代相似元件。
广泛地说，本发明提供了用于有效地维持从溅射腔室内的电源的负极(阴极)表面通过等离子体到正极侧(阳极，通常是接地)的通路的装置和方法。因此，本发明的装置和方法提供了改善的接地以实现溅射腔室延长的使用时间。这部分由靶材掩模和阳极防护罩组件来实现，所述组件在掩模和阳极防护罩之间产生空间。防护罩用于保护作为系统阳极部分的掩模免于氧化物层积聚，从而允许等离子体基本上不受阻碍或未被遮蔽地通向用于接地的阳极。
参考图1，在本发明的某些实施方案中，溅射涂层系统10包括腔室12和腔室衬垫14，靶材窗口16穿过腔室衬垫14而形成。靶材18的纵向表面与腔室窗口16近似对准。靶材18的形状可为具有近似平面的前后纵向表面的相对较薄的圆柱体。定位在靶材18和腔室衬垫14之间的是衬垫20，具有第一侧24和第二侧26的靶材掩模22附接到衬垫20。在某些实施方案中，阳极防护罩28的至少一部分并入在衬垫20和靶材掩模22的第二侧26之间。
在某些实施方案中，靶材18、靶材掩模22和阳极防护罩28定位在彼此基本平行的独立平面内。至少靶材掩模22的一部分和阳极防护罩28的一部分突出到靶材18和腔室衬垫14之间的溅射路径15中。在某些实施方案中，靶材18、靶材掩模22和阳极防护罩28的基本上平行的平面基本上垂直于溅射路径15取向。根据本发明的示例性溅射系统的额外的方面在受让人的美国公布号2014/0174912中进行了详细描述，所述公布的全部内容以引用的方式并入本文。
应当理解，图1的截面图仅示出了系统10的一部分，并且仅示出了上述部件的部分。例如，在某些实施方案中，虽然靶材掩模22和阳极防护罩28以单体引用，但是至少这些部件成对地并入在系统10中。换句话说，系统10对系统中的每个溅射源采用两个对称或不对称定位的靶材掩模22和阳极防护罩28。
还应当理解，本发明的系统10的部件的各个部分的描述的尺寸仅以举例方式提供。本领域所属技术人员将理解，这些部件的尺寸和形状的变化可预期并且在本发明的范围内。
参考图2-7，在本发明的某些实施方案中，靶材掩模22具有相对较薄的基本上平面的形式。靶材掩模22包括边缘部分30和内部部分32。边缘部分30具有例如大约0.118英寸的边缘厚度34。靶材掩模22的边缘部分30限定半径为大约2.854英寸的外边缘弧42。靶材掩模22的长度56为大约4.646英寸。当将一对靶材掩模22安装在根据本发明的系统10中时，该对掩模22的边缘部分30彼此分开大约1.969的长度60。
靶材掩模22的内部部分32从边缘部分30突出，由此限定半径为大约2.363英寸的弧46。在运行中，靶材掩模22的内部部分32用作系统10的阳极或接地。当一对靶材掩模22安装在根据本发明的系统10中时，该对掩模22的内部部分32彼此分开大约2.361英寸的长度58。
在某些实施方案中，靶材掩模22包括孔50，插入硬件(诸如螺钉或螺栓)插入穿过所述孔50，以将靶材掩模安装到例如衬垫20。单个靶材掩模22上的孔50彼此分开大约2.937英寸的长度54。当一对靶材掩模22安装在根据本发明的系统10中时，每个不同掩模22上的相应孔50彼此分开大约4.311英寸的长度52。
在如至少图1、6和7中示出的一些实施方案中，靶材掩模22的内部部分32的第二侧26相对于靶材掩模22的边缘部分的第二侧26形成凹部36。凹部36具有例如大约0.030英寸的厚度38。边缘部分30和内部部分32的凹部36的交叉点限定大约2.441英寸的内部边缘弧44。边缘部分30的内部边缘弧44和内部部分32的拱46的交叉点限定半径为例如0.213英寸的弧48。
如至少图6、7和10中所示，在某些实施方案中，靶材掩模22的内部部分32的第二侧26包含纹理40，即，靶材掩模22的内部部分32的第二侧26不是光滑的。例如，纹理40的形式可为线性形成的峰谷或槽的行，例如线性齿状物行。纹理40的线性形式可为弧形的，以便在内部部分32的整个或基本上整个侧26上基本上遵循靶材掩模22的边缘部分30的弧44，如图10所示。例如，纹理40的紧邻的各个槽彼此分开大约0.025英寸的长度62。纹理40的槽的深度64例如为大约0.020英寸，并且由纹理40的槽的侧壁形成的角度66为例如大约60度。
在某些实施方案中，纹理40的形式可为规则或不规则的线性峰谷图案，或者可采取增加靶材掩模22的内部部分32的表面积的任何其它形式。凹部36和纹理40可用于促进等离子体无阻碍地通向靶材掩模22的内部部分32。在本发明的某些实施方案中，内部部分32的侧26是光滑的，即，是没有纹理的。
在某些实施方案中，靶材掩模22由例如以下各者形成：诸如铝或6061-T6铝等金属；诸如316或304级等不锈钢或钛合金。
接下来转到本发明的阳极防护罩28，参考图8和9，在某些实施方案中，阳极防护罩28具有对称或不对称的平面长球状或足球状形状的一般形式。阳极防护罩28的第一半径74为例如2.363英寸，阳极防护罩28的第二半径76为例如2.854英寸。阳极防护罩28具有例如大约0.03英寸的厚度68。
安装在系统10内时，阳极防护罩28通过将阳极防护罩28的周边部分78夹在靶材掩模22的边缘部分30的第二侧26和衬垫20的表面之间，从而附接到系统10。阳极防护罩28未被保持或夹在边缘部分30的第二侧26和衬垫20的表面之间的其余部分在靶材掩模22的内部部分32的第二侧26的全部或一部分上方延伸并覆盖之。由于形成在靶材防护罩22的内部部分32的第二侧26上的凹部36，空间或间隙80形成在靶材防护罩22的内部部分32的第二侧26和阳极防护罩28之间，如图1所示。空间或间隙80例如在大约0.02至0.06英寸或0.5至1.5毫米的范围中。
在某些实施方案中，阳极防护罩28包括孔70，插入硬件(诸如螺钉或螺栓)插入穿过所述孔，以将阳极防护罩28安装到例如衬垫20。单个阳极防护罩28上的孔70彼此分开大约2.937英寸的长度72。阳极防护罩28的孔70的间距和靶材掩模22的孔50的间距基本上相同，使得在组装系统10期间，安装硬件可同时插入穿过相应的孔50和孔70。
在本发明的某些实施方案中，阳极防护罩28和靶材掩模22的形状和尺寸制定成使得阳极防护罩28覆盖或基本上覆盖靶材掩模22的内部部分32的整个侧26，如图1所示。在某些替代实施方案中，阳极防护罩28不覆盖或基本上不覆盖靶材掩模22的内部部分32的整个侧26。例如，如图11所示，阳极防护罩28不覆盖靶材掩模22的内部部分32的沿着靶材掩模22的内部部分32的半径46的部分。
在运行中，形成在靶材防护罩22的内部部分32的第二侧26和阳极防护罩28之间的空间或间隙80允许等离子体无阻碍地通向靶材掩模22的内部部分32。由于阳极防护罩28覆盖并防护靶材掩模22的内部部分32的用作系统10的阳极或接地的至少一部分，本发明的系统10有效地阻挡从靶材18溅射的所有或相当大部分材料，以防沉积并积聚在靶材掩模22的内部部分32上，即系统阳极上。
在某些实施方案中，阳极防护罩28由例如金属、不锈钢或304不锈钢形成。这类防护罩也可由诸如钛合金等高强度材料制成。
在本发明的某些实施方案中，如图12和13所示，阳极防护罩可能不如上所述搁置在靶材掩模的边缘部分上或附接到其上。如图10所示，另选地，靶材防护罩可直接搁置在靶材掩模的内部部分的纹理化或非纹理表面上。可通过提供从靶材掩模和阳极防护罩中的任一个突出的特征，来形成靶材掩模的内部部分和阳极防护罩之间的空间或间隙，从而将靶材掩模和阳极防护罩保持彼此分离。例如，这样的特征可采取从防护罩的后表面伸出的突起部的形式。这种突起部可采取表面上的凹坑的形式，其形成阳极防护罩28和靶材掩模22的内部部分32之间的点接触。这样的突起部允许靶材掩模不需要凹部36。这种突起部还可通过限制可能偏转到靶材掩模中的量来辅助控制由积聚的涂层材料引起的阳极防护罩的变形。
虽然上述实施方案公开了防护溅射涂层系统的靶材掩模的部分，但是预期溅射系统的其它内部部分也可用作阳极，从而使溅射系统接地。因此，防护和形成使等离子体进入其它接地结构或溅射涂层系统内存在的结构的空间或间隙也可预期到，并且在本发明的范围内。在某些实施方案中，阳极防护罩并入到用于防止溅射腔室壁的涂层的沉积防护。
在某些实施方案中，将阳极防护罩并入到磁控溅射源中，从而提供完全独立于溅射腔室壁操作的隔离闭路路径。在某些实施方案中，系统和电源的阳极可能不是电接地的。在这类情况下，阳极防护罩将与接地电隔离并经由布线直接连接到电源阳极。通过采用由例如陶瓷材料形成的绝缘支柱或块可实现与接地的隔离。
实施例
为了评估本发明的系统的功效，监测本发明的采用阳极和阳极防护罩的“测试”溅射涂层系统的系统电压。测试系统配置有阳极防护罩，在阳极防护罩的表面和阳极的表面之间形成大约1毫米的间隙或空间。此测试组件配置用于系统内所采用的低折射率硅靶材和高折射率锆靶材两者。还监测本发明的不采用阳极和阳极防护罩的“对照”溅射涂层系统的系统电压。由于运行电压是工艺稳定性的一个很好的指标，所以在一系列按顺序执行的涂层次数中在系统的每个相应靶材处测量测试系统和对照系统的系统电压。
图14示出了测试系统的研究的测量电压，并且图15示出了对照系统的研究的测量电压。测得的电压是每层记录的平均电压。平均值由控制软件计算，所述控制软件每1秒钟或更短时间记录电压，并报告计算的平均值。图14和15的最左栏表示测量电压的不同的涂层次数A-E和F-H。为了在延长的运行时间内获得评估，在次数A-E和F-H之间，每个系统连续运行大约三个小时，以执行大约10-15个涂层次数。在这三个小时的时间内，在图14和15中表示为“3小时”，没有记录电压测量值。
图14示出了在采用根据本发明的阳极防护罩的测试系统的延长使用中，运行电压(对于功率控制模式)的变化非常小。相比之下，图15示出了在不采用根据本发明的阳极防护罩的对照系统的相同的延长使用中，电压的变化相对较大。测试系统和对照系统的测量电压的比较表明了采用本发明的阳极防护罩的测试系统的工艺稳定性的显著改善。结果显示，与对照系统中的低折射率材料的使用中5至10伏的变化相比，对于测试系统中的低折射率材料，等离子体的稳定性更高，变化仅为1至2伏。
高折射率材料在采用阳极防护罩的测试系统中也显示出改善的稳定性，与不采用阳极防护罩的对照系统相比，运行电压的变化减小了大约1/2。这种稳定性的改善导致涂层工艺中改善的可重复性，并且由于阳极表面的损耗而增加系统维护之间的持续时间。
虽然本发明已经就特定实施方案和应用进行了描述，但是本领域所属技术人员根据本教示可产生另外的实施方案和修改，而不脱离本发明的精神或不超出本发明所要求保护的范围。因此，应理解本文中的附图和描述是以举例的方式提供，以促进对本发明的理解并且不应解释为限制本发明的范围。

Claims (20)

1.一种溅射系统，包括：
靶材；
腔室；
阳极，定位在所述靶材和所述腔室之间；以及
阳极防护罩，定位在所述靶材和所述阳极之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述靶材包括基本上定位在单个平面内的纵向表面。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述靶材包括硅或锆。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极包括定位在基本上平行于所述靶材的所述表面的所述平面的平面内的纵向表面。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极包括边缘部分，所述边缘部分具有大于所述阳极的内部部分的厚度的厚度。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极包括表面纹理。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极包括由线性峰谷形成的表面。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极防护罩包括定位在基本上平行于所述靶材的所述表面的所述平面和所述阳极表面的所述平面的平面内的纵向表面。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极防护罩定位成比所述靶材更靠近所述阳极。
10.根据权利要求1所述的系统，其中在所述阳极的表面和所述防护罩的表面之间形成大约0.5至1.5毫米的间隙。
11.一种阳极布置，包括：
靶材掩模，至少部分突出到溅射路径中，所述靶材掩模具有第一纵向侧和第二纵向侧；
阳极防护罩，定位在所述靶材掩模和靶材之间；以及
形成在所述靶材掩模和所述阳极防护罩之间厚度为大约0.5至1.5毫米的空间。
12.根据权利要求11所述的布置，其中所述靶材掩模包括阳极。
13.根据权利要求11所述的布置，其中所述靶材掩模包括边缘，所述边缘具有大于所述靶材掩模的内部部分的厚度的厚度。
14.根据权利要求13所述的布置，其中所述阳极防护罩直接抵靠所述靶材掩模的所述边缘的所述第一纵向表面来定位。
15.根据权利要求11所述的布置，其中所述第一纵向表面的至少一部分包括相对于所述第二纵向表面的表面积增加所述第一纵向表面的表面积的纹理。
16.一种用于防护溅射系统的阳极的方法，包括以下步骤：
将阳极插置在溅射靶材和溅射腔室之间；
将阳极防护罩插置在所述溅射靶材和所述阳极之间；以及
在所述阳极的表面和所述阳极防护罩的表面之间形成大约0.5至1.5毫米的间隙。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将阳极插置在溅射靶材和溅射腔室之间的所述步骤包括将所述阳极的纵向表面定位在基本上平行于所述溅射靶材的纵向表面的平面中。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将阳极插置在溅射靶材和溅射腔室之间的所述步骤包括将所述阳极的纹理表面插置在溅射靶材和溅射腔室之间。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将阳极防护罩插置在所述溅射靶材和所述阳极之间的所述步骤包括将所述阳极防护罩的纵向表面定位在基本上平行于所述阳极的纵向表面的平面中。
20.根据权利要求16所述的方法，其中将阳极防护罩插置在所述溅射靶材和所述阳极之间的所述步骤包括用所述阳极防护罩覆盖所述阳极暴露于所述溅射靶材的整个纵向表面。
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