CN1636076A - 磁控管负离子溅射源 - Google Patents

Abstract

被披露的负离子源包括：电极；有比该电极更大负电势的靶；位于该电极和该靶之间的用于产生放电的电源；至少一块磁铁，放置该磁铁来限制电子，这些电子作为所述放电的结果，在紧密靠近该靶的第一个表面产生。该负离子源还包括：传送系统，用于将铯运送到该靶的第二个表面；分布小室，置于该传送系统和该靶之间，用于将铯均匀地分布到所述靶的第二个表面上。该铯通过该靶上的开口从上述第一个表面扩散到第二个表面。该负离子源可以包括传统的磁控管溅射源，对该传统磁控管溅射源进行了改进，包括了铯分布系统。

Description

磁控管负离子溅射源

                         技术领域

本发明涉及离子束源，特别涉及到一种负离子束源，该负离子束源显示为圆形，或者矩形几何形状的大区域。

                         背景技术

先前的技术包括了许多用于将材料薄膜沉积到导电和绝缘基片上的工序。离子束沉积有利于许多形式的镀层技术。对于金刚石状的碳镀层沉积，化学蒸气沉积和蒸气相变沉积技术占主导地位。化学蒸气沉积工序包括热丝发射系统、等离子辅助沉积系统、等离子喷射和直流电弧喷射系统。每个沉积工序需要该基片处于高温，另外，这些工艺使用有大百分比氢气的气体混合物。氢气的高度集中经常会导致在薄膜中的类聚合碳氢化合物杂质，并且需要附加的气体，如氧气，来烧掉该聚合物。蒸气相变沉积工序包括碳弧系统、溅射和激光烧蚀系统。这些系统使该基片保持相对较低的温度，需要大量的努力用于控制沉积膜的性质。另外，为了实现连续的沉积，蒸气相变沉积工艺的按比例扩大需要巨大的投资。

与化学蒸气沉积相比，离子束沉积有许多的好处。离子束沉积工序实现了室温沉积。金属负离子的沉积速度不受温度的影响。几乎不需要或根本不需要样品表面的处理，并且该工序在离子束气氛中不使用氢气。一个集中负离子束的沉积速度可以大到每小时100微米。大体上，蒸气相先前技术的沉积工序不能使金属离子在大的沉积区域沉积。

离子束沉积系统使用了等离子或气体放电，来溅射电极，产生用于薄膜沉积的离子束，这样的离子束沉积系统得到了广泛地应用。溅射是一个现象，其特征为，当在低气压环境中的两个电极之间发生放电时，气体分子离子化，并且材料从更负的电极(-)或靶，在该离子化气体的分子的轰击下，慢慢解体。该材料从上述靶，解体成自由原子的形式，或者与该残余气体分子化合。许多被释放的原子可以在该靶周围的表面上凝聚，与此同时，剩余的部分通过与气体分子的碰撞，回到该靶。

在这方面可以参考“薄膜的真空沉积”(Vacuum Deposition of ThinFilms)，L.Holland(Chapman和Hall，伦敦，1966)。

这一过程也被称作阴极溅射，可与精细喷砂处理相类比，在该喷砂处理过程中，轰击粒子的动量比它们的能量更重要。因为氩气是惰性气体，大量存在，并且是重气体，有低的电离能，所以将氩气典型地用作溅射气体。氩气的惰性特性抑制了在该靶表面上形成化合物。

上述原子一旦从该靶解体或溅射，就进行运动，直至到达附近的表面，例如一个基片。该沉积层在该基片结构上形成或长大，并且受例如材料、温度和气体构成的影响。

当上述离子打击该靶时，该离子重新获得它们失去的电子。于是它们的原始电荷被中和，并且回到了作为原子的过程。通常使用直流电源作为电源。如果该靶是一个绝缘体，中和过程会在该靶的表面导致正电荷。这个正电荷可能增大到这样一个点，这时该轰击离子(+)被排斥，并且该溅射过程结束。为了使上述过程继续进行，该靶的极性必须逆转，以从放电中吸引足够的电子，用来除去表面电荷。为了吸引电子，并且不排斥该离子，必须使频率足够得高，以便在该离子的方向没有受到影响之前，逆转上述的极性。为了上述目的的典型工业频率是13.56MHz。由于这是一个无线电频率，一般称这一工艺为RF溅射。RF溅射使对绝缘体进行溅射成为可能。图1显示了一个例子，关于离子的产生方式和作为RF溅射结果的沉积的发生方式。

众所周知，可使用磁场来集中电荷。在一个被称作平面磁控管的结构中，磁场的放置方式使通过电离过程产生的电子在靠近该靶表面的区域俘获。与在非磁场结构中相比，这些电子被更紧密的控制在一起，因此被迫在该磁场中的一个轨道中移动。如果该磁轨道是闭合的，那么这些电子将自由环绕在该封闭磁场的周围。磁力线通常是环状的，使得该电子轨道也是环状的。因为电子集中在这一区域内，进入这个电子云的气体原子更可能失去电子，从而发生电离。这个提高了的效率意味着，需要一个低气压来维持该溅射过程。只有当上述磁场和电场是正交的，即相互之间90°时，这一所谓的磁控管作用才会出现。因此，多数该电离现象出现在上述电子云的中间。这样形成的离子立即被吸引到该负向偏压的靶上，如上面所述，离子碰撞在该靶的表面上，使材料的原子从它的表面上被喷射(溅射)出去。一个关于平面磁控管溅射结构的工作的实例，如图2所示。

在该平面磁控管结构中，从该靶上移除材料的速度大约比在非磁场结构中的速度大10倍。因为上述电子被磁场限制，所以不允许自由运动，它们中的非常少的电子到达了通常处于地电位的该基片。这消除了大量的、当电极不是那么限定的时候，该基片所经历的加热。在另一方面，该靶受到穿刺离子的轰击，特别是在大部分离子产生的区域，在有磁场限定的区域内，引发了对该靶材料非常局部的加热。

这样，所述的溅射系统更进一步使用离子轰击，来从一个电极溅射中性粒子，即原子。该中性粒子在沉积到附近的表面上之前，一直运动。众所周知，用第一个离子束，按照这样的方式轰击一个靶，以从一个电极引起电荷相反的离子的溅射，引起第二个离子束的产生，该第二个离子束于是沉积在该基片上。可以确定的是，使用铯离子作为轰击的第一离子源，从金属和难熔的金属靶产生了大量的电荷相反的离子。这是因为在溅射表面上的铯镀膜降低了从该靶材料溅射负离子所需的逸出功。其它有低电子亲和势的材料，例如铷或钾，也会降低该逸出功，但是，对任何非放射性元素的电子亲和势最低的铯，在这一方面最有效。

固态铯源已经被开发出来，作为离子束沉积系统。Kim和Seidl在“真空科学技术学报”(Journal of Vacuum Science Technology)的19895年5月/6月号，卷A7(3)，第1806-1809页的“通过固态电解质多孔的钨表面的铯离子的传送”(Cesium Ion Transport Acorss A Solid Electrolyte-PorousTungsten Interface)以及“普通应用物理”(General APPlied Physics)1990年5月15日，卷67(6)，第2704-2710页的“一种新型固态铯离子源”(ANew Solid State Cesium Ion Source)中，描述了一种固态铯源Cs+。该Cs+源固体电解质包括，一个铯发光沸石的固体电极，该电极夹在一个多孔的钨发射电极和一个无孔的铂电极之间。通过一个外加电压与热量的联合，实现了Cs+离子的发射。该固体电解质铯源的进一步详细资料可以在“材料研究协会年会记录”(Materials Research Society SymposiumProceedings)，卷135，第95-100页的“金属固体的电解质表面的理论”(Theory of Metal-Solid Electrolyte Interface)和1998年11月8日公布的M.Seidl的名为“离子和原子的固态源”(Solid-state source of Ions and Atoms)的美国专利NO.4783595中找到。

Kim等人的以离子枪形式的铯离子源，已被用于金、铜、钼、钨和钽的离子束溅射沉积。从该固态铯离子枪出来的该铯粒子通过一对偏斜的平板，这两个平板把该铯离子束送向位于该离子枪中心线一侧的靶上，不在它的笔直的路径上。与该靶相对放置、并在该离子束枪中心线的另一侧的基片，接收作为铯轰击的结果、从靶上释放的溅射分子。(见“科学设备的评论”(Review of Scientific Instruments)，卷63(no.12)，1992年12月，第5671-5673页，Kim等人的“用于离子束溅射沉积的固态铯离子枪”(Solid-State Cesium Ion Gun for Ion Beam Sputter Deposition))在这一方面还可以参考1996年5月28日公布的S.I.Kim的名为“固态铯离子枪”(SolidState Cesium Ion Gun)的美国专利No.5521389。还可以参考1995年11月14日公布的S.I.Kim的名为“负离子溅射束源”(Negative Ion Sputtering BeamSource)的美国专利No.5466941。由于其不与本发明的教导冲突，这两个已公布的专利在此完全地引入作为参考。

Pargellis等人在“真空科学技术学报”(Journal of Vacuum ScienceTechnology)的1983年七月/九月号的A1(3)卷的第1388-1393页的“从铯激活的石墨表面溅射负碳原子”(Sputtering Negative Carbon Ions FromCesiated Graphite Surfaces)中，描述了用于从被铯离子轰击的石墨靶，溅射负碳离子的系统。Pargellis等人从一个铯原子源轰击石墨块，该铯原子源插管进入一个铯炉的离子束产生区域。该正铯离子对该石墨靶的轰击导致了负碳离子的产生。有关该铯炉和该不同离子束的提取电极的具体布置几乎没有给出什么详细资料。

在“科学设备评论”(Rev.Of Scientific Instruments)67(1966年3月30)中，J.Ishikawa的名为“用于改造材料的负离子源”(Negative-Ion Sources forModification of Materials)一文中描述了已发展出来、用于负离子沉积的几种溅射型负离子源。

总之，如以上所证实的，与化学蒸气沉积相比，离子束沉积有许多的优点。离子束沉积的工序使室温沉积能够进行。金属负离子的沉积速度不受温度的影响。几乎不需要或根本不需要样品表面的处理，并且该工序在离子束气氛中不使用氢气。自一个集中负离子束的沉积速度可以大到每小时100微米。大体上，蒸气相变的先前技术的沉积工序不能使金属离子在大的沉积区域沉积。

众所周知，使用传统的磁控管溅射结构来实施离子束沉积。这样的结构的有利点在于磁控管结构的益处，即消除了大量的基片加热，同时将增加了的离子束对该靶的轰击，与上面提到的离子束沉积的益处结合在一起。

                        发明内容

本发明的一个目的和优点是，提供一种改善过的用于离子束沉积的磁控管溅射源。本发明的第二个目的和优点是，提供一种改善过的磁控管溅射源，该源包括了溅射负离子的铯引入能力。本发明的再一个的目的和优点是，在溅射靶的表面上，提供均匀一致的铯分布。本发明的又一个目的和优点是，允许铯通过在靶上的开口，扩散到该靶的溅射发生的区域。提供有圆形或非圆形几何形状的改进磁控管溅射源，也是本发明的一个目的和优点。

前述的和其它的问题已克服，而且本发明的目的，通过与本发明实施例一致的方法和设备，得到了实现。

所揭示的负离子源包括：电极；有比该电极更大负电势的靶；位于该电极和该靶之间的用于产生放电的电能供给；至少一块磁铁，放置该磁铁来限制住电子，这些电子作为所述放电的结果，在紧密靠近该靶的第一个表面产生。该负离子源还包括：传送系统，用于将铯运送到该靶的第二个表面；分布小室，置于该传送系统和该靶之间，用于将铯均匀地分布到所述靶的第二个表面上。该铯通过该靶上的开口从上述第一个表面扩散到第二个表面。该负离子源可以包括传统的磁控管溅射源，对该传统磁控管溅射源进行了改进，包括了铯分布系统。

                       附图说明

通过结合图1至图8的以下详细说明，本发明的特点和优点将更明确。

图1显示了已知的使用RF溅射的离子产生和沉积机构。

图2显示了一个传统的平面磁控管溅射结构。

图3显示了与本发明教导一致的一个磁控管溅射装置。

图4显示了一个铯引入系统的详图。

图5显示了一个铯分布小室的详图。

图6A、6B和6C分别显示了一个溅射靶的顶视图、侧视图和底视图。

图7显示了一个分布小室和一个有方形几何形状的靶。

图8显示了一个磁控管负离子溅射源的简化图，其中将铯运送到靶的外部表面。

                      具体实施方式

图3显示了磁控管溅射装置10和铯引入系统15。等离子放电的能量通过连接器20提供，并且该能量通过进给杆30导入装置主体25。氩气或者另外一种适合的气体，通过端口35引入。由该RF能或直流电能产生、并通过进给杆30传导的该等离子放电，使该氩气电离。氩气离子轰击靶50，与该等离子电势相比，该靶负向偏压。磁铁40和45用于将由氩气电离产生的电子，限制在靶50的外部表面55上。作为氩离子轰击的结果，靶材料的中性溅射粒子和离子从该靶50解体。

图4非常详细地显示了该铯引入系统15和该溅射装置10支持上述靶50的的部分。该铯引入系统15包括端口60，该端口最好能容纳铯的安瓿。因为铯遇氧气非常易起反应，端口60最好能容纳铯的安瓿，同时不允许铯接触到空气。通过位于端口60和储存器65之间的关断阀70，铯被传送到储存器65。为了在无氧的环境中，保存所限制的铯原子(通常如80所示)，提供了附加端口75，用于允许该铯储存器65抽空。阀85和90方便了控制抽空和铯流动。该铯80以液态被保存在储存器65中。加热器95实现了该储存器65的加热，其目的是使该铯80可以流动。计量阀100控制流入分布小室120的铯80的数量。在加热过的铯80与在该分布小室120中的有地电位的铯之间，绝缘体110提供了暂时的电绝缘。

该铯分布系统是通过首先将密封的安瓿容纳的铯加入该端口60来运行。阀70和85关闭，阀90打开，并且该铯管路被抽空，或泵空。一旦完成了抽空，阀90关闭，并且打破该铯安瓿上的密封。阀85接着打开，该储存器65被抽空。当该储存器65完成抽空时，阀70打开，允许铯流入该储存器65。运行并调整加热器95来控制该储存器65中的铯80的温度。使用计量阀100来控制送入该分布小室120的铯的数量。

该铯分布小室包裹在最好是铜制的溅射主体25中。该溅射主体25还被外面的防护罩125包裹，该防护罩为该溅射装置10提供了地电位保护。在该分布小室120中的铯，通过在靶50上的成串的孔130扩散，这样被传送到该靶50的外部表面55。如上面所述，铯遇空气极易起反应，这样，容易被污染。将铯从位于该溅射装置主体25内部的内表面供给该靶，其益处在于，该铯更少地暴露到环境中，并且更少可能被污染。

需要清楚的是，该溅射装置10可以包括传统的磁控管溅射源，该源经过翻新，包括了该铯分布系统15和其它适合离子沉积的组件。一个具有代表性的，但没有限制性的这样的传统磁控管的例子是，由US公司制造的模型US’枪II^TM(Model US’GunII^TM)，零件号码是SU-501-H/V。该铯分布系统15可通过将该系统结合到该传统磁控管溅射源，来进行改进翻新，使用的方式是，将该铯供给该分布小室120，以传送到该靶50的外表面55。

关于该分布小室的结构的更详细的图示，在图5中以分解的形式显示出来。如上文所述，该溅射主体25包裹住了该分布小室120。一个加热器135加热该分布小室，来使该铯均匀一致地可传送，也就是，使铯温度均匀一致，允许该铯通过该分布小室，被均匀地分布。一个任选的多孔插入物140可以填充该分布小室120，用于更进一步地提高铯通过该分布小室120的分布均匀性。该多孔插入物最好由多孔金属泡沫材料、钢丝绒、或者铯沸石^TM固体电解质构建。磁铁40和45最好放置在该溅射主体25内。垫片145密封了该分布小室120，以防止铯的渗漏。

图6A、6B和6C分别详细显示了该靶50的顶视图、侧视图和底视图。在图6A中，任选择的塞子145可放置在靶50内。该塞子最好是多孔的，如果需要的时候，可用来防止液态铯接触到该靶50。该塞子145可以由沸石^TM材料或其它适合防止液体铯滴溢漏到该靶50的材料制成。在靶50上的孔130允许该铯扩散到该靶50的外表面55上。该孔130最好直径是0.4mm，但是在0.1～1.0mm的范围内变化。在一个优选实施方式中，8～16个孔可以以环形图案，一起分组，该环形分组方式重复进行，以便与由该磁场150和155限定的该电子轨道相对应(见图4)。在另外一个实施方式中，8～16个孔可以以辐射状图案平均分布，这样的分布方式与由该磁场150和155限定的该电子轨道相对应(见图4)。应该清楚的是，本发明不局限于在该靶内的特殊的孔大小、特殊的孔数目、或特殊的孔分布方式，还在不损害该靶50的结构完整性的同时，可包括任何孔数目、孔大小、或适合以均匀一致的方式分布铯的分布方式。

现在回到图4，磁铁40和45产生了磁场150和155，该磁场将由该离子化过程产生的电子，限制到该靶50的外表面55上的一个轨道，与该分布小室120的形状(例如圆形)相符。该等离子放电160包括了电子、氩离子和中性氩。由于该靶相对于该等离子体保持负电势，氩离子朝该靶50加速。该氩离子的运动如箭头165所示。该氩离子轰击该靶的结果是，电子、中性溅射粒子和溅射负离子从该靶喷射出来，如箭头170所示。实验的结果表明，本发明能够在6英寸直径范围内，产生一个均匀一致的溅射镀层。将一个非晶态金刚石状的镀层沉积下来，该镀层有高度的抗刮伤硬度。

该分布小室和该靶的几何形状不局限于圆形结构。其它的几何形状，例如方形、矩形和其它适合离子沉积的几何形状都可以用于构建该溅射装置10、该分布小室120、该磁铁40和45、以及该靶50。在这方面可参照学术出版社(Academic Press)1992年出版的Ohring的“薄膜的材料科学”(The Material Science of Thin Films)第124-126页。

图7显示了一个分布小室175和一个矩形的靶180。磁铁160和165是矩形的，从而产生出矩形的磁场。这导致了电子被限制在该靶180的表面上的一个矩形轨道内，与该分布小室175的矩形形状相符。

应该清楚的是，当描述该靶50有多个开孔，这些孔允许铯扩散到该靶50的外表面55上时，本发明不局限于对该靶50这样使用铯。铯可以通过使用许多方法和技术引入到该靶，可以从任何角度，或到该靶的任何表面上。

图8显示了一个磁控管负离子溅射源的简化图，在那里将铯运送到该靶50的外表面55。在图8中，将计量阀110结合到一个通道或路径200上，该路径200延伸通过该溅射主体125。该路径有一个出口210，将铯引入到该靶50的外表面55。在该表面55上，电子被磁铁40和45的磁场限制住。

还应该清楚的是，虽然典型地用氩气作为溅射气体，本发明不限于使用氩气；任何适合的溅射气体，例如氙，可以用于本发明的实践中。

另外还应该清楚的是，虽然本发明在上下文中对一个用于产生放电的RF电源的进行了说明，本发明还可以使用直流电源，或任何适合产生离子生成放电的电源。

这样，尽管本发明参照它的优选实施方式，被特殊化地显示和说明，业内人士将会明白，如果不脱离本发明的范围和要旨，可以作形式和细节的改变。

Claims (10)

1.一种负离子源，包括：

电极；

比所述的电极有更大负电势的靶；

电源，用于在所述的电极和所述的靶之间产生放电；

至少一块磁铁，放置该磁铁来产生限制电子的磁场，这些电子作为所述放电的结果，在紧密接近所述靶的第一个表面产生；

传送系统，用于将铯运送到所述靶的第二个表面，所述的第二个表面与第一个表面相反；

其中，所述靶还包括开孔，通过它们，所述的铯从所述的第二个表面扩散到所述的第一个表面，置于所述传送系统和所述靶之间的分布小室，用于将铯均匀地分布到所述靶的所述第二个表面上。

2.根据权利要求1的负离子源，其中，所述的传送系统已被改进成传统的磁控管溅射源。

3.根据权利要求1的负离子源，其中，所述分布小室还包括加热器，用于使所述铯处于均匀一致的温度，允许所述铯在所述分布小室中均匀一致地分布。

4.根据权利要求1的负离子源，其中，所述分布小室还包括多孔插入物，该插入物设置在所述分布小室的内部，用于使分布小室各处的铯均匀一致地分布。

5.根据权利要求1的负离子源，其中，所述传送系统还包括：

铯源，可分离地连接到第一个端口；

储存器，连接到所述第一个端口，所述第一个端口用于传送铯到所述储存器；

加热器，紧密靠近所述储存器，用于加热在所述储存器中的铯；

第二个端口，连接到所述储存器，用于允许所述储存器经受真空；

阀，用于计量从所述储存器到所述分布小室的铯流量。

6.根据权利要求1的负离子源，其中，所述电源供给RF能量。

7.根据权利要求1的负离子源，其中，所述电源供给直流电。

8.根据权利要求1的负离子源，其中，所述分布小室、所述靶和所述磁铁的形状是非圆形的。

9.在基片上沉积离子的一种方法，包括以下的步骤：

在电极和靶之间产生放电；

把作为所述放电的结果而产生的电子，限制在第一个区域上，该第一个区域紧密邻近所述靶的第一个表面；

通过用于均匀地将铯分布在第二个表面上的分布小室，将铯传送到该靶的第二个表面；

通过所述靶中的开孔，将铯从所述第二个表面扩散到所述第一个表面。

10.根据权利要求9的方法，其中，所述传送的步骤还包括加热所述铯到均匀一致温度的步骤，允许所述铯在所述分布小室中均匀分布。

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