CN1147618C - 利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置 - Google Patents

Abstract

一种薄膜沉积装置包括：电弧蒸发部分，在该部分通过阴极弧光放电而产生一沉积材料的带电粒子；等离子体导管，该导管具有一个弯度且能把所述带电粒子从所述电弧蒸发部分导向一个基底；和励磁器，该励磁器用于产生一磁场以引导带电粒子从电弧蒸发部分向基底传输，所述装置还包括安装在等离子体导管的弯度处的凸出部位的反射磁场源，用于产生磁场，其与励磁器产生的磁场相互作用，从而使磁力线沿等离子体导管分布。

Description

利用阴极弧光放电的 薄膜沉积装置

技术领域

本发明涉及一种利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置，尤其涉及一种能从一个靶子蒸发电弧蒸气材料并把蒸发材料导向以便沉积至一基底的阴极弧光放电薄膜沉积装置。

背景技术

通常，电弧涂层工艺是真空涂层方法中的一种物理气相沉积工艺，其沉膜方式如下：在一个靶子的前端安装一个等离子体导管，把电弧放电所产生的带电粒子，即等离子体从上述靶子导向一个待涂覆基底。电弧涂层工艺用于制造常规切削工具、模具和半导体器件。针对这些用途，已经开发了一种薄膜沉积设备，该装置能够防止靶材大颗粒即中性粒子团沉积到基底上，该大颗粒会降低电弧涂层工艺所沉积的薄膜质量。

参考图1，一个普通的连续阴极弧光放电薄膜沉积装置包括一个产生电弧蒸气材料的靶子5、一个安装在靶子5前端的等离子体导管8和一个用于引导从靶子5产生的电弧蒸气材料的圆柱形电磁铁1，从而使电弧蒸气材料可以沉积到靶子5对面的基底6上。

在从靶子5产生的电弧蒸气材料中，即电子、靶材离子、中性粒子、大颗粒和带电大颗粒，带电粒子如电子、靶材离子或带电大颗粒沿着电磁体1产生的磁力线7迁移，然后沉积到基底6上。部分大颗粒和中性粒子被电磁铁1中心的高密度等离子体(电子和离子)离子化，然后沉积到基底6上，而其余部分粘附到上述等离子体导管8的内壁。

但是，在上述薄膜沉积装置中，由于靶子5和基底6对向放置，所以部分未离子化的大颗粒可能沉积到基底6上，从而降低了薄膜的质量。

为了解决上述问题，已提出一种矩形薄膜沉积装置，其中等离子体导管是弯形的并且磁场沿该等离子体导管分布。参考图2，上述矩形薄膜沉积装置包括一个产生电弧蒸气材料的靶子33、一个与靶子33接触以便给靶子33施加负电压的触发电极35、一个具有一个约90°弯的等离子体导管39、一个置于等离子体导管39安装靶子33处的外部的第一电磁铁46、一个置于上述等离子体导管39弯处的第二电磁铁48和一个包裹在等离子体导管39端部的第三电磁铁50。

在给靶子33施加电压的状态下，如果触发电极3 5接触靶子33，则同时产生电弧，产生的电弧在靶子33停留一预定时间后，将产生电弧蒸气材料。

如图3所示，如果给上述第一、第二和第三电磁体46、48和50提供电流，则产生沿等离子体导管39分布的如磁力线40所示的磁场。因此，从靶子33产生的电弧蒸气材料中(图2)，带电粒子将沿着磁力线40沉积于一个基底(图中未示)上。另外，部分被高密度等离子体离子化的中性粒子和大颗粒也沿着磁力线40沉积于基底上。未离子化的中性粒子和大颗粒不能到达基底而粘附于等离子体导管39和置于等离子体导管39内壁的一个挡板52。也就是说，多数大颗粒在等离子体导管39内的传输过程中，粘附于等离子体导管39内壁和挡板52，然后被清除掉。

在上述矩形薄膜沉积装置中，磁力线40在等离子体导管39弯处从导管39内部延伸出来。因此，多数带电粒子在沿磁力线40的迁移过程中碰撞弯处的内壁而逐渐消失，从而降低薄膜沉积效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置，它具有一个反射磁场源，使磁力线沿等离子体导管分布。

为了达到上述目的，提供了一种薄膜沉积装置，它包括：一个电弧蒸发部分，在该部分由阴极弧光放电产生沉积材料的带电粒子；一个具有一个弯度并能把上述带电粒子从上述电弧蒸发部分导向一个基底的等离子体导管；和一个励磁器，用以产生磁场，以便把带电粒子从电弧蒸发部分导向基底，该装置还包括一个安装在等离子体导管弯处凸出部位内的反射磁场源，用来产生磁场，该磁场与励磁器产生的磁场交互作用以使磁力线沿等离子体导管分布。

其中，上述励磁器可以包括分别安装在靠近上述电弧蒸发部分和基底并环绕等离子体导管的第一和第二磁场源，和一个靠近等离子体导管弯度处并且使带电粒子转向的感应磁场源。

另外，上述电弧蒸发部分可以包括一个连接到一个阴极体的靶子；一个选择性接触上述靶子的触发电极，由它来激发电弧放电；一个装在靶子外部的电弧放电限制环，用于限制产生的电弧放电；一个装在上述阴极体内的第一电弧控制器，从而其位置可随靶子的电弧产生面而改变，以控制电弧的迁移；和一个安装在阴极体外部的环状的第二电弧控制器。

附图说明

本发明的上述目的和优点通过以下结合附图对优选实施例的详细描述将更加清楚。附图中：

图1是一个普通的利用阴极弧光放电的连续薄膜沉积装置的一个截面简图；

图2是一个普通的利用阴极弧光放电的矩形薄膜沉积装置的一个截面简图；

图3是图2中磁场分布的示意图；

图4是根据本发明的一个利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置的示意简图；

图5示出了图4中未给反射磁场源施加电流时的磁场分布；和

图6示出了图4中给反射磁场源施加电流时的磁场分布。

具体实施方式

如图4所示，根据本发明的利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置包括一个电弧蒸发部分100，在该部分通过阴极弧光放电产生沉积材料的带电粒子；一个具有一个弯度并且能把带电粒子从上述电弧蒸发部分100导向基底1的等离子体导向200；和一个用于产生把带电粒子迁移至基底1的磁场的励磁器。

电弧蒸发部分100包括一个连接到一个阴极体113的靶子110；一个可选择性接触靶子110的触发电极177，它用于产生一个电弧；一个安装在靶子110的外部的电弧放电限制环400，用于限制电弧；和第一、第二电弧控制器120和130，用于控制靶子110电弧产生面111上的电弧迁移。

阴极体113接到一个电弧供电电源的一个负极115a上，得到一个0～110V的电压和一个0～300A的电流，而靶子110与阴极体113接通。当负电压施加于靶子110上时，可转动地安装在等离子体导管200的一侧的触发电极117与靶子110接触，然后释放接触，从而产生一个电弧放电。因此，从靶子110的表面，即电弧产生面111产生电弧蒸发材料，例如带电粒子。此外，最好提供一个冷却装置(图中未示)，用于在产生带电粒子的过程中冷却靶子110。

电弧放电限制环400由一个环形磁性材料制成。一个用于防止带电粒子泄漏的凸出物401与电弧产生面111成约0～90°的角度。凸出物401与电弧产生面111之间的角度可根据靶子材料的种类而改变。

第一电弧控制器120置于靶子110后面的阴极体113内，控制靶子110的电弧产生面上产生的电弧的运动。优选地，第一电弧控制器120设置成能够根据靶材的种类改变它与靶子110的电弧产生面111的相对位置。该第一电弧控制器120可以是永磁体或电磁体。更具体地，优选使用永磁体作为第一电弧控制器120，因为它不会对靶子110产生热效应。

第二电弧控制器130安装在阴极体113的外部并成环形。该第二电弧控制器130是一个电磁铁，其磁场强度可以调节以控制电弧产生面111上所产生的电弧的运动；它由一个圆柱形组件131和缠绕该圆柱形组件131的线圈132组成。第二电弧控制器130也可以由一个永磁体代替。

等离子体导管200为弯形，与靶子110的中心线A约成30～120°角度(θ)，优选为60°角。

其中，等离子体导管200的直线部分L1和L2具有足够长度，以使不受磁场影响的中性粒子和大颗粒在从靶子110至基底1的传输过程中吸收在等离子体导管200的内壁200a，在到达基底1之前被清除。为了增强中性粒子和大颗粒的吸收，在等离子体导管200的内壁形成挡板250。该挡板250由许多从等离子体导管200内壁200a延伸出的板组成。上述挡板250也可以由连续形成的螺旋代替。

另外，等离子体导管200接至电弧供电电源115的一个正极115b，并施加一个高于靶子110电压的电压。在等离子体导管200的每个端部形成一个法兰235。因此，该等离子体导管200可以通过法兰235以螺钉连接方式连接到一个真空室。

励磁器包括第一和第二磁场源310和330，它们分别绕靶子110和基底1并环绕等离子体导管200，和一个靠近等离子体导管拐弯处的感应磁场源320。根据本发明的装置还包括一个反射磁场源350，用于和第一和第二磁场源310和330及感应磁场源320产生的磁场相互作用。

第一磁场源310引导从电弧产生面111产生的带电粒子沿等离子体导管200的直线部分L1传输。感应磁场源320把带电粒子转向使其不再磁撞等离子体导管拐弯处的内壁200a。而且，第二磁场源330引导已通过拐弯处的带电粒子沿直线部分L2向基底1传输。

第一和第二磁场源310和330及感应磁场源320都是可用电流调节磁场的电磁铁，分别由环绕等离子体导管200的圆柱形组件311、331和321与缠绕在这些圆柱形组件311、331和321上的线圈315、335和325组成。第一、第二磁场源310和330及感应磁场源320也可以由永磁体代替。由第一和第二磁场源及感应磁场源产生的磁场分布如图5所示。

在拐弯处的一个外部区域，即拐弯的凸出部位设置上述反射磁场源350。如果给该反射磁场源350施加一个电流，则该反射磁场源350产生一个磁场，其作用于由第一和第二磁场源310和330及感应磁场源320产生的磁场，从而使磁力线210沿等离子体导管200分布，如图6所示。反射磁场源是一个根据所施加电流而形成磁场的电磁铁，它包括一个作为磁体且两端各有一个法兰的磁轭351和缠绕该磁轭351的一个线圈355。这里，该反射磁场源安装时与靶子110的电弧产生面成一预定角度。

供电电源7独立地向第一和第二磁场源310和330、感应磁场源320、反射磁场源350和第二电弧控制器130提供电流。

基底1连接一个偏压电源5的负极，并施加约0～-1000V的负电压。

此外，根据本发明的薄膜沉积装置，用一个气源500通过一根气管510向等离子体导管200提供气体，如N₂、Ar或O₂。气管510伸到靶子110的前部。供应气体从靶子110的前部喷到电弧产生面111。供给等离子体导管200的气体用于产生带电的化合物粒子。例如，如果靶子110由Ti制成，当气源500供给N₂时，将由靶子110的电弧产生面111的电弧放电产生带电的TiN粒子。所产生的带电的TiN粒子由励磁器导引并沉积在基底1上。

根据上述本发明的利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置的运行将在下面详述。如图4所示，当一个负电压施加到靶子110上时，触发电极117接触靶子110产生一个电弧放电，然后脱离接触。所产生的电弧被电弧放电限制环400和第一和第二电弧控制器120和130产生的磁场限制在靶子110的电弧产生面111上，因而产生带电粒子。此时，如果给第二电弧控制器130提供一个三角或正弦波形的电流，则电弧产生均匀的带电粒子，即靶材离子、电子和带电颗粒，并逸出电弧产生面111。

带电粒子由第一磁场源310引导沿等离子体导管310的直线部分L1传输，在等离子体导管200的拐弯处被感应磁场源320转向并由第二磁场源330控制。然后，带电粒子沉积在基底1上。

与带电粒子一起从电弧产生面111上产生的一些大颗粒或中性粒子在等离子体导管200内与带电粒子碰撞从而离子化，然后经过与带电粒子同样的过程沉积在基底1上。

此外，未充电的中性粒子和大颗粒不受磁场影响，沿直线移动，粘附在靠近拐弯处的内表面200a或挡板250上，然后被清除。因此，只有很少的中性粒子和大颗粒料到达基底1。

在本例中，如图6所示，反射磁场源350把第一磁场源310和感应磁场源320在拐弯处的磁力线310推进去，从而使磁力线310沿等离子体导管200分布，因此加快了带电粒子的传输速度。

另外，当需要在基底1上沉积化合物时，从气源500供给一种预定的气体，靶子110的电弧发生面111上产生一个电弧，因此产生带电的化合物粒子。所产生的带电化合物粒子由励磁器引导沉积在基底1上。

如上所述，根据本发明的上述利用阴极弧光放电的薄膜沉积装置，在等离子体导管的拐弯处提供一个反射磁场源，以使磁力线沿等离子体导管分布。因此，带电粒子能够到达基底而不会碰撞等离子体导管的内壁，从而改善了薄膜沉积效率。

Claims (8)

1.一种薄膜沉积装置包括：一个电弧蒸发部分，在该部分通过阴极弧光放电而产生一沉积材料的带电粒子；一个等离子体导管，该导管具有一个弯度且能把所述带电粒子从所述电弧蒸发部分导向一个基底；和一个励磁器，该励磁器用于产生一磁场以引导所述带电粒子从所述电弧蒸发部分向所述基底传输，其特征在于，所述装置还包括一个安装在所述等离子体导管的所述弯度处的凸出部位的反射磁场源，用于产生磁场，其与所述励磁器产生的磁场相互作用，从而使磁力线沿所述等离子体导管分布。

2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述励磁器包括：

第一和第二磁场源，分别安装在靠近所述电弧蒸发部分和所述基底且环绕等离子体导管；和

一个感应磁场源，设置在靠近所述等离子体导管的弯度处，用来使带电粒子转向。

3.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述电弧蒸发部分包括：

一个连接至一个阴极体的靶子；

一个选择性地接触靶子的触发电极，以便激发电弧放电；

一个电弧放电限制环，其安装在所述靶子的外周，用以限制产生的电弧放电；

一个第一电弧控制器，其安装在阴极体内，使得其位置可相对于所述靶子的电弧产生面改变，用来控制电弧的迁移；和

一个环形的第二电弧控制器，其安装在所述阴极体的外周。

4.根据权利要求3所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述电弧放电限制环由磁性材料制成，它具有一个凸出物，该凸出物与所述电弧产生面形成约0～90°的角，用于防止带电粒子泄漏。

5.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述等离子体导管弯成30～120°的角度。

6.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，在所述等离子体导管的内壁凸伸地形成有挡板。

7.根据权利要求6所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述挡板以螺旋的形式连续形成。

8.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述反射磁场源是一电磁铁，它具有一个由磁性材料制成的磁轭和一个缠绕在所述磁轭上的线圈。

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