CN1243599A - 气相沉积涂覆设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气相沉积涂覆设备。特别涉及一种在其中离子流密度受到精细控制以改进涂覆的设备。这种控制加强在一单个设备中可获得的沉积条件的多用性并扩大其范围,结果具有很不相同特性的涂层可在同一设备中沉积。该气相沉积设备包括真空室(1)、放置在或围绕在涂覆区域(2)周边的至少一个涂覆装置或电离源(3),放置成跨涂覆区域(2)产生磁场域(7)的一个或多个内部磁装置(6)和用于改变磁力线的强度或位置有助于磁约束的装置。

Description

气相沉积涂覆设备
本发明涉及气相沉积涂覆设备。特别涉及在其中离子流密度受到精细控制以改善涂覆的设备。这种控制增强了可在一单个设备中可获得的多样性并扩大了沉积条件的范围，使得具有很不相同特性的涂层可在同一设备中被沉积。而且本发明能够在大容积设备中沉积高质量的涂层，改进涂层生产率及成份通过量。该沉积设备以在其中被驱向样品的离子流受到精细控制的磁控管溅射源为基础。
磁控管溅射是能够生产用于广泛应用范围的高质量气相沉积涂层的很好的既定技术。
在过去的十年内已发生了许多对磁控管溅射的改进。通过不平衡性磁控管提供了第一次突破[B.WINDOWS，N.SAVVIDES，真空科学技术杂志(J.Vac.Sci.Technol.)A4(1986)453]，它改进了从磁控管环境逃逸的离子通量，使要被涂覆的样品受到较高离子轰击产生了以一定类型涂层结构中的良好效果。这一原理中的变量及不平衡度的控制模式先前已被披露在[W.MAASS，B.CORD.D.FERENBACH，T.MAR ENS，P.WIR2，专利DE3812379，1980年4月14日]。
在一大容积涂覆设备的场合，必须在远离磁控管的区域内提供高的离子化源。通过使用辅助激励源如射频和微波装置[M.NIHEL，J.ONUKI，Y.KOUBUCHI，K.MIYAZAKI，T.ITAGAKI，专利JP60421/87，1988年3月16日优先权]和相邻于磁控管源的磁配置装置[D.G.TEER，第一届国际溅射与等离子体处理会议报告-ISSPO91，日本东京，1991年2月；及A.FEUERSTEIN，D.HOFMANN，H.SCHUSSELER，专利DE 4038497，1990年12月3日优先权，及S.KAPLEC，J.MUSIL，专利CS4804/89，1989年8月14日优先权；及W.P.MUNZ，F.J.M.HAUZER，B.J.A.BUIL，D.SCHULZE，R.TIETEMA，专利DE 4017111，1990年5月28日优先权]进行这种附加电离。所有被描述的方法都有最大室尺寸上的限制，一般限为0.5到1米直径，这可用于成功涂层的沉积。
本发明克服了这种限制可产生直径达4米的新颖设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种气相沉积设备，包括真空室(1)，置于或围绕在涂覆区(2)周边的至少一个涂覆装置或电离源(3)，其特征为该设备带有这样定位的以便跨涂覆区(2)产生磁力线的一个或更多个内磁装置(6)以及用于改变磁力线强度或位置的装置。
根据本发明的另一个方面，提供一多段沉积单元，包括多个涂覆段(station)(3，6)每一个段都确定一约束容积，该单元包括放置在或围绕在涂覆区的周边的多个涂覆装置或电离源(3)，及定位设置成产生穿过每一个涂覆区(2)磁力线(7)的一个或多个内部磁装置(6)(10)，以及用于改变磁力线的强度或位置的装置。
根据本发明的再一个方面，提供一个气相沉积涂覆方法，其特征在于用装置(3)、(6)可跨过涂覆区(2)调节磁力线(7)，装置(3)(6)能够使离子流密度被控制。
该设备可包括一些涂覆装置，涂覆装置之一最好是围绕要涂覆样品放置的磁控管阴极。在室的内部或朝向室的内部一个或多个装置产生磁场。这些装置可构成一个或多个磁极性，它们可以是与磁控管源的外部磁阵列相同或不同的磁极性。这些磁源提供一种装置使得可以在要控制的不同离子轰击条件下在涂覆设备不同区域内和/或在沉积过程的不同时间上沉积。
这些磁极的磁强度可以通过不同装置来控制，如通过改变电磁单元的电流或通过永久磁铁装置的机械移位或二者都用。
在同一设备中可使用同一或不同的磁控管极性。
磁控管的磁强度也可以随内部及外部磁极的相对位置的所能进行的变化而变化。
为了使等离子体约束最佳化，在仓室环境内可应用辅助磁极。磁封闭的加强可通过与中央磁极呈相反极性的磁装置来取得。而且通过产生磁场适当的电流能提供恰当的磁约束，特别是当这些电流与其他的磁装置组合在一起时更是如此。所有这些磁变化使这种设备在其应用中具有多用性。
一般地，这种设备将使在较大沉积设备中确保高质量涂覆所必需的最大磁约束成为可能。内部磁装置可以具有与要涂覆的样品独立的偏置。这些要涂覆的样品可被偏置或非偏置。向要被涂覆的样品施加的偏置可以由直流(DC)及不同频率的交流激励装置施加，交流激励装置例如有在非常低频率(1-1000Hz)的交流电，或低频(1-1000KHz)的脉冲电压(脉冲LF)，或中频(MF)波(1-3MHz)或射频(RF)波(1-1000MHz)，或这些或其它激励装置的任何结合或调制。
这种设备可包括任何其它数量的用于加强电离的装置如微波和/或中及高频装置及适用于产生辉光放电的装置及离子真空技术如电弧、热丝、激光、电子枪和离子束。
可以通过磁控管与内部磁极的磁连接制造大约2米直径的较大设备。磁控管与附加磁装置的空间分布可以变化以便取得在其中磁约束条件适于涂层沉积的空间的最佳化。一个大的涂覆设备可由一或更多磁约束空间或段来构成。
仅参照下列图1到图11以示例的方式描述本发明的各个方面：其中
图1示出由本发明描述的包括基本磁约束的沉积设备的一个例子；
图2是由本发明描述的一个沉积室的三维视图；
图3示出具有附加磁装置的本发明所描述的沉积单元；
图4示出由本发明描述的可以调制磁约束的附加磁装置的沉积单元；
图5示出由本发明描述的带有与样品独立的用于中央磁装置偏值的沉积单元的剖面图；
图6示出由本发明描述的多段沉积单元；
图7表示本发明所描述的多段沉积单元；
图8示出了由本发明所描述的具有由内部磁控管磁极被拉开到某种程度所造成的较高磁约束的系统；
图9示出了由本发明所描述的一个系统，它具有由于中央极性的改变以致其与磁控管的外磁极同一极性所造成的低水平磁约束；
图10示出了由本发明所描述的系统，它具有低水平的磁约束，这个磁约束进一步由于将磁控管外磁极拉回某种程度而进一步降低；以及
图11示出由本发明所描述的一个系统，它具有对涂覆段的不同区域不同的磁约束水平。
依次参照附图。
图1是柱形室的顶视图。该沉积单元包括真空室1，它通过泵系统被抽成真空。用于涂覆的元件2可以转动以致它们面向不同的磁控管3或其它可能的涂覆装置或电离源。溅射过程发生在磁控管靶4的表面。磁控管的外磁极5的前表面与室6中央区域上放置磁装置极性相反，以致磁力线7跨过用于涂覆的元件2的区域。被包含在磁控管中的磁极在其磁极的后部可以具有或可以不具有一个或几个铁磁元件，如软铁支持板。为了影响或不影响磁路真空室1可以由非铁磁或铁磁材料构成。
图2是磁控管3放在室壁1上的沉积设备。在中央极内放置一磁组合体6。样品2用靶材料4或任何在沉积过程中在等离子体反应中形成的其它化学化合物来涂覆。
图3是一个具有二个磁控管的设备，其中中央磁装置6具有与磁控管3的外磁装置5的极性相反的磁极性。附加磁装置8围绕样品放置于例如室壁，提供在系统内补充并加强磁约束的磁场这样磁力线7跨样品2趋向中央磁极。
图4表示一个具有三个磁控管的设备，其中中央磁装置6具有与磁控管3的外磁装置5相反的极性。附加磁装置8和9加强磁约束。磁装置6和9既可用机械移动变化也可由电流来改变，以致磁约束程度可随磁力线7的变化而得到调制。
图5表示一沉积设备的剖面图，其中中央磁装置6可以独立于样品2偏置。这种磁阵列可以处于流动电位(floating potential)(这里电流等于离子流)或以正的或负的极性在与样品的相同或不同电位上偏置。样品可由例如DC，AC，脉冲CF，MF，RF或上述的任意组合或调制来偏置。
图6表示一个多段涂覆设备，其中沉积单元包括4个不同涂覆段，它们提供4种不同磁约束体积。在本例中每一段具有不同磁控管3且涂覆不同样品2。磁约束在磁控管3与一局部中央极6之间产生。
图7表示一多段涂覆设备。该沉积设备由三个不同样品支座2构成。在本例中所有磁控管都放置在室壁1上。相反极性的二系列磁极6和10跨样品引导磁力线7。
图8代表一单段涂覆设备，它带有磁控管内磁装置11，该装置与磁控管的外磁装置5相独立地被拉开，以便进一步加强与中央极6和磁控外磁装置5的磁连接7。中央磁装置6例如包括一些独立可控制的磁装置12构成，它们的每一个可独立地由例如它们构成上的永久磁铁的旋转和/或平移来改变极性。
图9表示一单段设备，其中中央磁装置12已被反转结果使极性与磁控管外磁装置5相同，因而具有防止与内磁极6连接的效果。
图10表示单段涂覆设备，其中中央磁装置12已被反转，结果使极性与磁控管外磁装置5相同，磁控管外磁装置5进一步被拉回，增加防止与内磁极6连接的效果。
图11代表一单段涂覆设备，其中中央磁装置12具有二种不同极性。同时磁控管具有二种不同极性3a和3b，在段的不同区域提供不同磁约束。这个段允许以不同程度的离子轰击来涂覆沉积。靶4可以是相同材料的或不同材料的。在本例中磁控管中的二个由于与中央磁装置互补的极性呈现磁约束。磁控管之一呈现与相应中央磁装置相同的极性防止与内磁极6的连接。

Claims (10)

1.一种气相沉积涂覆设备，其构成为真空室1，设置在或围绕在涂覆区(2)周边的至少一个涂覆装置或电离源(3)，其特征为该设备带有一个或多个内部磁装置(6)，定位成使得跨涂覆区(2)产生磁力线(7)，以及用于改变该磁力线强度或位置的装置。
2.如权利要求1的设备，其中至少一个涂覆装置或电离源是磁控管(3)。
3.如权利要求1或2的设备，其中涂覆装置或电离源由能够产生强磁场的永久或电磁阵列构成。
4.如前面的任何一项权利要求的设备，其中内部磁装置基本放置在室中央。
5.如前面的任何一项权利要求的设备，其中内部磁装置(6)由一个单个或多个极性构成。
6.如前面任何一项权利要求的设备，包括移位内部磁装置的装置。
7.如前面任何一项权利要求的设备，其中涂覆装置或电离源(3)和/或内部磁装置(6)(10)具有不同极性并被这样排列使得相互可转变极性。
8.一种多段沉积单元，其构成为多个涂覆段(3，6)，每一个确定一个约束体积，单元包括设置在或围绕在涂覆区(2)的周边的多个涂覆装置或电离源(3)及这样定位将跨每一个涂覆区(2)产生磁力线(7)的一个或多个内部磁装置(6)(10)和用于改变磁力线的强度或位置的装置。
9.如权利要求8的多段涂覆设备，其中一个或多个内部磁装置由两个系列相反极性的磁极(6)(10)构成，它们引导跨每一个涂覆区(2)的磁力线(7)。
10.一种气相沉积涂覆方法，其特征在于通过改变其强度或位置调节跨涂覆区(2)的磁力线(7)。
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