CN1202535A - 能稳定沉积具有各种性能的各种材料的等离子膜沉积装置 - Google Patents

Abstract

由在真空室内产生的等离子束通过汽化一种材料在物件上沉积一种膜的等离子沉积装置中,炉子被放置在真空室中,炉衬和炉子部分接触以在炉子和炉衬之间保持较低的热传导性。炉衬中放置有材料。

Description

能稳定沉积具有各种性能的各种材料的等离子膜沉积装置

本发明涉及一种等离子膜沉积装置以在真空室内通过产生的等离子束使用作阳极的炉子上安装的材料汽化而在物件上沉积一层膜。

所了解的常规的等离子膜沉积装置为离子电镀装置和等离子CVD(化学气相沉积)装置。作为离子电镀设备，已了解到使用压力梯度等离子体源或HCD等离子体源用作弧光放电型的等离子体源。

这样一种离子电镀设备包含一真空室，等离子束发生器(等离子源)，一个炉子，及一转向线圈。真空室安装有等离子束发生器且在真空室内配置一炉子作为阳极。转向线圈放置在真空室的外部以将由等离子体源产生的等离子束引入阳极。

在所描述的类型的离子电镀设备中，等离子束产生于等离子发生器与炉子之间。将等离子束引导到设置于炉子上的材料上以用焦耳热量加热材料并因此将材料汽化。材料的汽化粒子被等离子束离子化。离子化的粒子沉积在提供有负电压、浮动电压或自偏压的基体的表面沉积。因此，膜沉积或成形于基体上。

这里，材料汽化如下。等离子束导入炉子中在炉内相对于炉子和/或材料放电。当电流流过材料时，在炉内的材料瞬间加热。这通常称作放电点火。加热的材料开始汽化。之后，材料继续通过焦耳热被加热并蒸发。

在这种等离子膜沉积装置中，当等离子束产生时，炉子的温度非常高。当炉子内的温度非常高时，等离子束是不稳定的且炉子可能熔化。因此，需要使用如水的冷却剂以冷却炉子。尤其是，将炉子设计成可使冷却剂流入。为了循环使用冷却剂以冷却炉子，装置设置有冷却系统，它包括一用以抽送冷却剂的泵和将泵和炉子的内部彼此连接的输送管。

当这种等离子膜沉积装置使用如氧化硅(SiO)，二氧化硅(SiO₂)，氧化镁(MgO)，氧化锌(ZnO)，或三氧化二铝(Al₂O₃)作为材料，难于使来自等离子束的电流流经材料。且由于炉子的大部分覆盖有如电绝缘材料的材料，因此很难由等离子束对炉子放电。因此，很难引起放电点火。即使放电点火发生，汽化材料也不会通过焦耳热被加热。因此，难于稳定地沉积薄膜。

另外，由于容置于炉内的材料被冷却剂冷却，一部分和炉子接触的材料快速冷却。尤其是，假如汽化材料是一种具有高热传导性的物质，如铝(Al)，材料部分被冷却，不过大部分材料在高温被加热且熔化。在这种情况，具有经常在炉内发生溅，不正常放电，不稳定熔化或在炉子上出现瘤状物的残留物的缺点。因此，也很难稳定地沉积膜。

因此本发明的目的在于提供一种等离子体膜沉积装置，它能稳定沉积如具有各种性能如电绝缘性，高熔点及高热传导率的材料的各种物质。

随着描述的进行，本发明的另一个目的将变得更加明显。

本发明的等离子膜沉积装置很实用以用以在真空室内由产生的等离子束通过汽化材料在物件上沉积一种膜。

按照本发明，等离子体膜沉积装置包括放置于真空室内的炉子，及一和炉子部分接触的炉衬以在炉子和炉衬之间保持低的热传导性以容置材料。

图1是常规的离子电镀装置的垂直剖面图。

图2显示了按本发明的第一实施例的离子电镀装置的主要部分的垂直剖面图。

图3显示了用于按本发明的第一实施例的离子电镀装置的炉子的另一个例子的垂直剖面图。

图4显示了按本发明的第二实施例的离子电镀装置的主要部分的垂直剖面图。

为了达到易于了解本发明的目的，参考图1，描述了常规的离子电镀装置。离子电镀装置包括：一气密的真空室10。真空室10装有经过导向装置12的等离子束发生器20。等离子光束发生器20可以是，例如，压力梯度等离子枪，一转向线圈31放置在导向装置12的外部用以引导等离子束300。等离子束发生器20装有一第一中间电极27和一第二中间电极28。第一和第二中间电极27和28用于会聚等离子束且在等离子束发生器20中同轴设置。第一中间电极27具有一永磁体27a以使它的磁化轴平行于等离子束发生器20的中心轴。第二中间电极28具有一线圈28a以使它的中心轴和等离子束发生器20的中心轴一致。

等离子束发生器20包括一绝缘管26将由第一和第二中间电极27和28确定的通道连接起来。绝缘管21可以是，例如，一玻璃管。一空心柱体22放置在绝缘管21中。圆柱体22由钼(Mo)制成且放置一由钛(Ta)制成的管子23。由LaB₆制成的环形板24将由圆柱体22和管子23确定的空间分开。圆柱体22和管子23与导电部分25相连。导电部分25其上具有一载体气体输入口26以接收如惰性气体的载体气体。惰性气体可以是，例如，氩气。载体气体通过管子23进入真空室10。

经过处理的基片100放置于真空室10中。基片100由输送装置61支撑。基片100与一直流电源相连以具有负偏压。电学上用作阳极的炉子41放置于真空室10的底部且放置在基片100的对面。将辅助电极42定位以围绕炉子41的外部圆周留出固定的空间。辅助电极42放置一永磁体。

导电部分25与可变电源90的负极相连接。可变电源90的负极分别通过电阻器R₁和R₂与第一和第二中间电极27和28相连接。炉子41与可变电源90及电阻R₁和R₂相连接。

气体进入口10a和气体排出口10b成形于真空室10的侧壁。气体进入口10a用于引进如惰性气体的载体气体。惰性气体可以是，如氩气(Ar)或者氦气(He)。气体排出口10b用于从真空室10排出气体。气体入口10a与没有显示的气体提供源相连接而气体排出口10b与没有显示的气体排出泵相连。

在上述提到的离子电镀设备中，当通过载体气体进入口26引入载体气体时，在第一中间电极27和圆柱体22之间开始放电。因此，产生了等离子束300。等离子束300由转向线圈31和辅助阳极42中的永磁体引导并到达作为阳极的炉41和辅助阳极42。

当等离子束300到达炉41时，炉41上的材料200由焦耳热加热以汽化。材料200的汽化的微粒通过等离子束300离子化。离子化的微粒沉积于提供有负电压，浮动电压，或自一偏压的基片100上。因此，在基片100上形成膜。

在这种包括图1显示的装置的等离子膜沉积装置中，当产生等离子束时，炉子被加热至高温。在这个过程中，等离子束变得不稳定且炉子可能会融化。因此，需要冷却剂如水来冷却炉子。尤其是，将炉子设计成便于冷却剂流入其中的结构。为了使炉内的冷却剂循环，装置装有冷却剂回路系统。冷却剂回路系统包括用以抽运冷却剂的泵和用以循环冷却剂的管路。

参照图2，按照本发明的第一实施例的离子电镀装置作为等离子膜沉积装置，包括与图1中显示的那些相同的部件。换句话说，离子电镀装置包括一真空室，一等离子束发生器(等离子源)，一炉子，一辅助电极42及一转向线圈。如和图1中一起提到的，等离子束发生器附着于真空室，炉子放置在真空室内。放置辅助电极以与围绕炉子41的外部圆周留下一固定的空间。辅助阳极42放置一永磁体。转向线圈放置于真空室的外部以引导由等离子源产生的等离子束进入阳极。

在离子电镀装置中，在等离子束发生器和炉子41之间产生了等离子束，等离子束被引导到材料200上以通过焦耳热加热材料200且汽化材料200。材料200的汽化微粒通过等离子束离子化。离子化的微粒沉积于提供有负电压，浮动电压，或自偏压的基片的表面。因此，膜沉积或成形于基片上。

炉子41和辅助阳极42由附着于真空室的底部的支撑板50支撑。炉子41通过绝缘板82由支撑板50电绝缘。辅助电极42通过绝缘板81由支撑板50电绝缘。中凹的部分41a成形于炉子41的上表面的接收材料200。中空空间41b用作冷却空间，它成形于装有凸缘的下部。中空空间41b与管子71c和71b相连接以循环作为冷却剂的冷却水。

辅助阳极42具有一中空环形磁铁壳体。环形磁铁壳体围绕着炉子41的上部且和炉子41同轴设置。环形永磁体421和线圈422位于环形永磁体壳体中。环形永磁体421的极轴与垂直方向平行。线圈422协同环形永磁体421用以将等离子束引导进入炉子41。环形磁体壳体具有一环形上部壳体423a和环形下部壳体423b。在这种情况，水冷空间成形于环形永磁体壳体内。上部的壳体具有一进入口和成形于其上的一排出口。进入口和排出口分别和管子71a和管子71c相连，用以循环冷却水。

离子电镀装置还包含一炉衬43用以容置材料200。

炉衬43具有电传导性，耐热性且是一其上端开放的圆柱体。炉衬43是由包括碳(C)，氮化硼(BN)，钼(Mo)，钨(W)，钛(Ta)，及碳化硅(SiC)中的至少其中一种的材料制成的。

炉衬43和炉子41部分相接触以保持低热传导性且在炉子41和炉衬43之间保持电传导性。换句话说，炉衬43安置在炉子41上以使它们之间的接触区域尽量小。特别是，炉衬43只和炉子41的内部的底面接触，且炉衬43相对于炉子41的内部的侧表面具有一空间。

在离子电镀设备中，材料200如下汽化。将导入炉41的等离子束相对于炉衬43和/或炉子41放电。当炉衬43发生放电时，材料200瞬间快速加热。材料200瞬间加热而开始汽化。之后，由于焦耳热而产生的热使材料200继续汽化。

这里，由于炉衬43的大部分与炉子41的内部的侧表面分隔开，材料200不会瞬间冷却。

当在等离子束放电过程中，容置在炉衬43中的材料200的量减小时，转换到炉衬43放电。因此，加热材料200不会受到干扰。

另外，由于炉衬43具有电传导性，可以使用如SiO，SiO₂，MgO，ZnO或Al₂O₃的电绝缘材料作为材料200。

返回图3，炉子41′是用于第一实施例的离子电镀设备的炉子41的改型。炉子41″具有一内凹的部分41a，一中空空间41b，及一成形于其内部的底面的凸缘41c，炉衬43安置于凸缘41c上。

因此，炉衬43和炉子41′部分接触以在炉子41′和炉衬43之间保持低的热传导性。换句话说，炉衬43与炉子41′接触的接触面积小于图2中的情况，因此，材料200不会瞬间冷却。

参照图4，除了炉子41″和衬里43′形状分别和炉子41和衬里43不同外，按本发明第二实施例的离子电镀装置和第一实施例的离子镀装置相似。

离子电镀装置可以连续向炉衬43′中填加材料200′。炉衬43′和炉子41″部分接触以在炉子41″和炉衬43″之间保持低热传导性。

炉子41″具有圆柱形状。在图4中垂直方向延伸的通孔41c″成形于炉子41″中。内凹部分41a″成形于炉子41″的顶端。中空空间41b″成形于炉子41″的内部的圆周上。环形中空空间41b″与管子71c和71b相连接以循环冷却水。

配置辅助阳极42以围绕着炉子41″的外部圆周留出一固定的空间。辅助阳极42具有一环形上部壳体423a，环形下部壳体423b，环形永磁铁421放置在上部和下部壳体423a和423b之间的内部的空间中。在上部和下部壳体423a和423b之间的内部空间与管子71a和管子71c连接以循环冷却水。

辅助阳极42由支撑部50a支撑。炉子41″通过其凸缘和绝缘板82挂在辅助阳极42的下部壳体423b上。在炉子41″和辅助阳极42的内侧面之间留出一小空隙。

炉衬43′具有一圆柱体形状且放置在炉41″中。在炉衬43′和内凹部分41a″的内表面之间形成一空间。

离子电镀设备具有一材料填充装置36用以向炉衬43′中填充材料200′。材料填充装置36包括一推挤杆35，具有一顶部平板部分36b的一螺旋轴36a，一螺母部分36d，一链轮36e，一驱动带链36f，及一支承部分38。

支承部分38附着于真空室10的底部。其中支承部分38这里支撑螺母部分36d以使螺母部分36d围绕垂直轴旋转。链轮36e附着于螺母部分36d的圆柱面上。驱动带链36f与链轮36e及一发动机(图中未显示)相啮合。将螺旋轴36a拧进螺母部分36d，且当螺母部分36d在一个及另一个旋转方向旋转时，螺旋轴36a可上下滑动，但不旋转。顶部平板部分36b与螺旋轴36a一体成型。推挤杆35与顶部平板部分36b相连。具有中空部分的顶部平板部分36b和推挤杆35分别彼此相连。顶部平板部分36b的中空部分和推挤杆35的中空部分和柔性管37和39相连接以循环冷却水。柔性管37和39可和顶部平板部分36b和推挤杆35一起上下移动。

当通过发动机驱动带链36f和链轮36e时，螺母部分36d旋转。螺母部分36d的旋转转化成螺旋轴36a，顶部平板部分36b和推挤杆35的上、下移动。因此，放置于推挤杆35的材料200′在炉衬43′中上、下移动。由于上述的结构，离子镀装置能在不打开真空室的情况下，向炉衬43′填充材料200′。

以离子电镀装置中，炉料43′和炉子41″部分接触以在炉子41″和炉衬43′之间保持低热传导性。换句话说，由于炉子41″具有由凹部分41a″，炉衬43′与炉子41″具有小的接触面积。因此，材料200′不会瞬间冷却。

Claims (8)

1.一种等离子膜沉积装置在真空室内通过产生的等离子束由汽化材料以在物件上沉积一种膜，所述的等离子膜沉积装置包括：

一放置于所说的真空室内的炉子；及

一炉衬，与所述的炉子部分接触以在炉子和炉衬之间保持低热传导性，以容置所说的材料。

2.按权利要求1所述的等离子膜沉积装置，其特征在于：其中所述的炉料具有电传导性，耐热性，及上端和下端至少有一开放的容器形状。

3.按照权利要求2所述的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中所述的炉衬由含有碳，氮化硼，钼，钨，钛和碳化硅中的至少一种材料制成的。

4.按权利要求2所述的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中所说的炉子装有冷却装置。

5.按权利要求2所述的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中所说的炉衬由所说的炉子支撑以使至少其上部与炉子的内侧面分离开。

6.按权利要求5所述的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中每个所述的炉子和所说的炉衬具有一其上端和下端开放的容器形状。

所述的等离子膜沉积装置还包括一填充装置以通过所述的炉子和所说的炉衬的下端向所述的炉衬中填充所述的材料。

7.按权利要求5所说的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中每一个所述的炉子和所述的炉衬具有一其上端开放的容器形状。

所述的炉衬安装在所述的炉子上以使其外底表面和炉子的内底表面接触。

8.按权利要求7所述的等离子膜沉积装置，其特征在于，其中所述的炉子具有一成形于其所述的内底表面的凸缘部分。

所述的炉衬通过所说的凸缘部分安装于所述的炉子上。

Images