CN1802724B - 高频等离子体射束源及喷射表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高频等离子体射束源(1)，带有：等离子体室(3)；电气装置(8、9)，将电压施加在该高频等离子体射束源(1)上，以激发和维持该等离子体；从等离子体空间(3)引出等离子体射束(I)的装置(4)；以及用引出网格(4)与真空室(7)分隔的出口。等离子体射束(I)从高频等离子体射束源(1)产生，基本上呈发散的喷射特性。本发明还涉及用高频等离子体射束源的等离子体射束(I)喷射一个表面的方法，其中所述等离子体射束(I)是发散的。
Description
技术领域
本发明涉及高频等离子体射束源以及按照独立权项的上位概念用等离子体射束方式喷射表面的方法。
背景技术
在基片的真空镀膜方法中经常采用所谓高频等离子体射束源。等离子体作为带电微粒含有接近中性的原子和/或分子、电子和正离子。该带电微粒通过电场和/或磁场被有目标地加速，并例如，剥蚀一个表面或给新形成的层带来反应性成分，例如氧等等。公知的还有离子支持方法，其中来自材料源(一般是蒸发源的材料)被蒸发并淀积在基片上。在基片上生长的材料与来自等离子体的反应性成分，例如氧被吸入，于是形成氧化物层。这样的方法一般是例如在制造光学用途的光透明层时使用。这里，等离子体射束的均匀程度对镀层有重大的意义，因为这样的镀层的光学特性一般随着氧含量发生重大变化。
在微电子技术中或光学应用中，制造薄镀层时力求制备尽可能均匀的镀层厚度和镀层性能，诸如淀积镀层的折射率。但在工业应用中要对大面积和/或同时对许多基片进行镀层，这使镀层厚度均匀性的问题显得突出。特别是在光学镀层的情况下，在一个表面或镀料基片上最多百分之几的层厚波动被看作是允许的。
从欧洲专利EP 349 556B1已知一种高频等离子体射束源，用来以高度平行的原子或分子喷射形成镀层尽可能大面积均匀地轰击表面。此外，为了不干扰等离子体，高频等离子体射束源的开孔设置呈现小网孔宽度的引出网格。该引出网格作为高频传输电极做成适当形状的金属丝网的形式或平行走向的金属丝形式。在等离子体和引出网格之间产生一个离子加速电位差，它使中性等离子体射束成为可能，在与喷射方向垂直的方向上是完全均匀的，而且丝毫不呈现调制结构。为了使引出网格面总是保持完全平整，并避免引出网格的变形对等离子体射束不利的影响，已知的高频等离子体射束源的引出网格的网格格保持设有调整张紧装置。为了使大面积喷射成为可能，一般增大高频等离子体射束源的宽度。然而这使成本上升，而且很快碰到结构极限。
在蒸发过程中，均匀地对大量基片进行镀层，其中基片安排在球形罩上。这里均匀地蒸镀特别大的面积。
当在基片上使用已知的高频等离子体射束源来大面积淀积镀层，而且基片安排在这样一个球形罩上或者安排在其他曲面上时，还发现：即使增大高频等离子体射束源的宽度，也必须忍受淀积的镀层厚度和镀层性能的均匀性的损失。结果是，无法同时达到大面积喷射和希望的质量要求。
发明内容
本发明的任务是创造一种高频等离子体射束源、一种带有这种类型的高频等离子体射束源的真空室，以及一种使大面积和高质量的表面喷镀成为可能的等离子体射束束的表面喷镀方法。
本发明的这个任务用独立权项的特征加以解决。
按照本发明的一个优选优选形态，与先有技术形成对比，产生一个发散的中性的等离子体射束束。
本发明的优点是，通过按照本发明的高频等离子体射束源的实施例，即使对安排在球形罩上的基片，也能淀积均匀的大面积的镀层或者对较大的面积进行清洁。
本发明的另一形态是高频等离子体射束源，特别是带有较高的平行度的离子体喷射，为了改善对安排在球形罩上的基片的喷镀，设置至少一个位于等离子体室之外的遮挡板，以避免在球形罩或基片上等离子体射束密度的不均匀范围。为此，同样可以用遮挡板在部分区域覆盖等离子体室的出口。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明，由此可以看出除权利要求书中概括的内容之外的本发明其他的特征、细节和优点。
附图中：
图1是一个带有优选的高频等离子体射束源的镀膜室；
图2是一个cosn喷射特性分布曲线；
图3是图1的镀膜室中的几何比例，其中基片被安排在一个球形罩上；
图4是球形罩上TiO2镀层折射率的分布；
图5是高频等离子体射束源出口的大小和射束发散度对球形罩上等离子体射束密度分布的影响
图6是先有技术的高频等离子体射束源；
图7是空间电荷区的厚度与施加的引出电压的关系；
图8是在引出电压固定的条件下空间电荷区厚度与电流密度的关系；
图9是优选的引出网格布置；以及
图10是另一优选的引出网格布置。
具体实施方式
图1示意地表示高频等离子体射束源1，以下称作Hf(高频)等离子体射束源，带有发散的中性等离子体射束I。高频等离子体射束源1做成罐状，设置在一个形成为镀膜室7的真空室的范围内，被外壳2包围。图中没有表示镀膜室7的细节，诸如：一般的真空泵、气源、基片支架、分析仪等。高频等离子体射束源1设有等离子体室3，其中例如，通过高频辐射激发等离子体。为了激发和维持等离子体，设有电气装置8、9，即高频发送器8和电连接9。此外，至少可以设置一个磁铁5，一般用以将等离子体注入等离子体室3。为向高频等离子体射束源1供气，设置输入口6。为了从等离子体室3中的等离子体引出中性等离子体射束，在出口一个范围内设置一个引出网格4，最好具有较高的透射率。供透射用的、特别是引出网格4表面未覆盖的范围，表示源的大小。一般源的大小由出口的大小确定。从欧洲专利EP 349 556B1已知一个这样的源，但是带有平的引出网格，并带有方向性强的等离子体射束。最好是按照ECWR原理工作的源，带有密度相对较高的等离子体。
本发明的发散的等离子体射束I最好由等离子体和引出网格4之间目标明确的相互作用实现。引出网格4这样形成，使得等离子体射束I基本上呈现发散的喷射特性。在图9和10中，更详细地表示了相应的引出网格4的细节。
发散的等离子体射束应该理解为这样的等离子体射束，即在至少一个与主喷射方向，亦即，等离子体射束密度最高的方向垂直的方向上，仍有显著的喷射。通常主喷射方向表示为源的法线。射束发散度可以近似地用余弦分布的n次幂描述。余弦分布的幂次n是射束发散度的一个量度。n越大，等离子体射束方向性越强；n越小，等离子体射束越发散。关于这样的分布函数更详细的讨论可在G.Deppisch所著的“理论和实践中的蒸镀层层厚均匀性”中找到(″Schichtdickengleichmaessigkeit von aufgedampften Schichten inTheorie und Praxis)″，Vakuum Technik 30.Jahrgang，Heft3，1981)。图2表示对应于不同的n值的等离子体射束的相对离子电流与相对于源法线的射出角度的cosn分布曲线的函数关系。这种分布涉及一个数学计算的量值，它给出离子束密度在多大程度上取决于该角度。在强发散的射束(n＝1)时，在相对于源法线例如40度的角度仍达到在源法线方向发射值的78％的值，与此相反在n＝8时，在该角度只发射13％。在n＝16或n＝36时，在40度处实际上没有等离子射束存在。
图3表示作为镀膜室形成的真空室7的几何比例。在该镀膜室7中，多个基片10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6布置在基本上呈球形的球形罩11上。球形罩11形成球壳断面形式。基片10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6常常呈环形放置在球形罩11上，图上代表多个基片的每个附图标记指示球形罩上各自的环。垂直的虚线对应于源法线方向，或与此平行的方向。有基片10.1的最内的环对应于一个球形罩角度α例如9°，下一个有基片10.2的环对应于α＝14°的角度，有基片10.3的下一个环对应于α＝21°的角度，有基片10.4的下一个环对应于α＝27°的角度，下一个对应于α＝33°角度，而最外的环对应于α＝39°的角度。为了获得更好的镀层厚度均匀性，镀膜时球形罩11可旋转。在当前情况下高频等离子体射束源1设置得适当地偏离球形罩11的对称中心，其中RQ表示源对于对称轴Ks的径向距离。为了有目标地影响等离子体射束I在基片10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6的强度，除了RQ以外，特别是还可以改变源法线方向和/或距离YQ。最好还可以在镀膜室7内设置另一个材料源，特别是一个蒸发源。为此，可以相对于对称轴的方向以Beta角度倾斜。在本发明的其他实施例中，其上布置基片的表面主要呈另一种弯曲形式。
为了达到尽可能均匀的大面积喷射球形罩11，通常选择出口尽可能大的定向等离子体射束的高频等离子体射束源1。诚然，镀膜研究以及模拟计算的实际结果表明，对于这样一个的装置，通过增大出口，只能有条件地达到基片上淀积的镀层的镀层厚度的充分均匀性。然而，按照本发明通过采用发散的等离子体射束I可以改善镀层质量，特别是镀层厚度均匀性。
图4表示在基本上呈球形的球形罩上TiO2镀层的折射率分布。这里如图1和图2所示，采用16≤n≤32的高频等离子体射束源和镀膜室7的较大出口来淀积二氧化钛TiO2。TiO2是透明的并呈现取决于所用的等离子体射束强度的折射率。高频等离子体射束源的出口面积为18.750mm2。在均匀喷射球形罩11时，在球形罩11上光折射率就一定会均匀。没有等离子体喷射时，折射率约为2.2，而在非常高的等离子体射束喷射密度下该值高达2.4。图4中的测量结果表明，根据等离子体射束密度的改变，在位置1和6上覆层的折射率约比位置2至5上的小30％，其中这些位置对应于图2中球形罩11上的所述环10.1.....和球形罩11上分配的角度。
图5表示高频等离子体射束源出口大小以及喷射发散性对球形罩上等离子体射束密度分布的影响的模拟计算结果。在n＝16和相对小的出口(只有如图4中的面积的1/10)的高频等离子体射束源下，等离子体射束密度强烈地取决于球形罩角度(最上的曲线)。在n＝16但是出口较大的高频等离子体射束源下，角度依赖性略小。n＝8和n＝4的曲线同样用小的出口计算。可以清楚地知道，发散性增大，亦即，幂次n减小，等离子体射束密度较小地随着球形罩角度改变。这样便增大了球形罩上等离子体射束的均匀性。
发散的等离子体射束I简单地使得对球形罩11的大面积均匀喷射成为可能。与较大出口和较高平行度的等离子体射束的高频等离子体射束源的传统的解决方案相比，在基片上淀积材料和/或用等离子体射束喷射基片时，例如，用以改变基片而进行发散的等离子体喷射，导致均匀得多的结果。在平面表面的场合，可以预期发散的等离子体射束下喷射的均匀性较低，然而对于许多应用，诸如清洁表面仍旧是足够的。
采用本发明的喷射表面的方法，射束发散度高的高频等离子体射束源的等离子体射束I最好使用具有高达n＝16，特别是n＝4和n＝10的发散度，其中n是描述其喷射发散性的余弦分布函数cosn的幂次。带有这种喷射特性的等离子体射束I使例如在球形罩11上的基片10.1.....上均匀性较高的等离子体射束密度成为可能，并改变覆层和/或供给例如氧等的成分。
可以理解，本发明不限于其发散的喷射特性可以用余弦分布函数表征的高频等离子体射束源，而是包括每一个适当的合乎目标的发散的喷射特性。
所希望的发散的喷射发散性可以按照目的通过高频等离子体射束源1的结构配置来达到。这里，与先有技术已知的实施形式不同，最好在高频等离子体射束源1出口的范围改变引出网格4。优选三种可能的方式。引出网格4具有大网孔宽度的网孔，或者它不是平面的，而是向着等离子体做成凹的或者凸的。引出网格4还可以呈现凹的或凸的形式，以及网孔宽度较大的网孔。引出网格4最好由线径约0.02-3mm，特别是最好0.1-1mm的钨网组成。最好引出网格表面的至少一部分区域是圆柱类(特别是圆柱形立体)的外壳表面的片段。例如引出网格4可以具有矩形的基面，它对应于高频等离子体射束源1相应地形成的出口。在圆柱形立体的场合，圆柱体的纵轴可以布置得平行于矩形的一边。常常通过使圆柱形外壳呈弧形，做成面向等离子体的凹的或凸的形式。
为了进行比较，图6示意地表示按照先有技术的在出口范围内带有平的引出网格4和平行度较高的等离子体射束I的高频等离子体射束源1。引出网格4上的等离子体边沿层基本上是平的。按照一般准则，诸如从EP 349 556B1获知，引出网格4形成细网孔的，使之不受其影响。因此，将网孔宽度选择得小于引出网格4和等离子体之间的空间电荷区的厚度。
空间电荷区的厚度d可以从教科书查到。据此厚度d取决于电流密度j和等离子体边沿和引出网格4之间的电压降U：
式中ε0：真空的介质常数，
e：单位电荷
mion：有关离子的质量
U：等离子体边沿和引出网格4之间的电压降(对应于引出电压)为了确定引出网格4按照本发明增大的网孔宽度，采取以下步骤。
对于10A/m2的离子电流，对于运行这种镀膜装置的一般值表明，在出口为0.1m2的高频等离子体射束源的情况下，算出空间电荷区的厚度d，如图7所示。据此，空间电荷层的厚度d随着电压降增大，并在0.5mm至2.5mm之间改变，电压降在约50和约370伏之间改变。在50和200伏之间优选的电压范围，厚度d明显地小于2mm。
经观察，在例如150伏引出电压下，空间电荷区的厚度d与离子电流密度的关系由图8所示曲线给出。空间电荷层厚度d在固定的引出电压下随着电流密度上升而下降，在4A/m2和25A/m2之间优选范围内，空间电荷区的厚度d小于2mm。
图9示意地表示本发明的等离子体射束源1，具有增大的网孔宽度的网孔的引出网格4的优选配置。若网孔宽度大于空间电荷区的厚度d，则在这个范围内等离子体边沿层变形，正如引出网格4以下的波形曲线所示。这导致等离子体射束I发散性增大。合用的网孔宽度还应该足够小，这样等离子体不会显著地通过出口漏出。当空间电荷区的厚度在在0.5和2.5mm之间的范围内时，网孔宽度适当地优选最大为30mm，特别优选最大为20mm，。
图10示意地表示引出网格4另一个推荐优选配置，它不是平的，而是从等离子体室3看去做成凹的。这样做成弯曲等离子体边沿层，和突出的等离子体射束I，呈现发散的喷射特性。这里引出网格4的网孔宽度还可以选择得相对小，特别是小于空间电荷区的厚度。引出网格4也可以做成凸的。
在另一个实施例中，引出网格4可以在它的面积至少一部分区域内做成不均匀。为此可以例如改变网孔宽度，使得向边沿设置较小的网孔宽度。为了在等离子体室3之外调制等离子体射束，还可以设置一个或者多个遮挡板。同样，可以用遮挡板覆盖出口部分区域，这样通常有的表面不均匀的喷射范围就会渐渐消失。为了另外调制等离子体射束，遮挡板可以另外被施加电势。
在本发明的一个可选实施例中，采用从EP 349 556B1获知的带有平面引出网格的、用以喷射布置在球形罩上的基片的高频等离子体射束源，然而其中在射束源的等离子体室之外的空间范围内布置至少一个遮挡板。该遮挡板对等离子体射束加以调制，以在喷射中消除球形罩上不然就不均匀喷射的区域。这同样可以通过覆盖出口的部分区域来实现。特别是，所用的遮挡板的形状最好根据所达到的喷射结果凭经验确定。此外，预先设有为调制等离子体射束而加有电势的遮挡板。
附图标记说明
1 高频等离子体射束源
2 外壳
3 等离子体室
4 引出网格
5 磁铁
6 气体入口
7 镀膜室
8 高频发送器
9 电气连接
10 基片
11 球形罩
I 等离子体射束
Ks 球形罩对称轴
α 球形罩角度
Rs 源对称轴的径向距离
RQ 源对称中心的垂直距离
Claims (26)
1.一种高频等离子体射束源，带有：等离子体用的等离子体室(3)；电气装置(8、9)，用以激发和维持等离子体；引出网格(4)，用以从等离子体室(3)引出中性等离子体射束(I)；以及出口，其中所述引出网格(4)布置在该出口的范围内，其特征在于，为达到形成为发散的中性等离子体射束(I)，所述引出网格(4)形成为从所述等离子体室(3)看去凸出。
2.按照权利要求1的高频等离子体射束源，其特征在于，所述中性等离子体射束(I)的发散性通过引出网格(4)的非平面形状实现。
3.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，为了达到等离子体电流密度的高均匀性，在要喷射的弯曲的表面的至少一部分区域，中性等离子体射束(I)适应该表面的所述至少一部分区域的形状。
4.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，引出网格的表面的至少一部分区域是一个圆柱形立体外壳面的片段。
5.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，在引出网格(4)的表面的至少一部分区域上引出网格(4)不均匀地形成。
6.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，设有至少一个位于等离子体室(3)外的遮挡板。
7.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，在部分区域内出口用遮挡板覆盖。
8.按照上述权利要求1-2中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，所述引出网格(4)呈现具有这样一种网孔宽度的网孔，它比引出网格(4)和等离子体室(3)中的等离子体之间的空间电荷区的厚度小。
9.一种高频等离子体射束源，带有：等离子体用的等离子体室(3)；电气装置(8、9)，用以激发和维持等离子体；引出网格(4)，用以从等离子体室(3)引出中性等离子体射束(I)；以及出口，其中所述引出网格(4)布置在该出口的范围内，其特征在于，为达到形成为发散的中性等离子体射束(I)，引出网格(4)呈现具有这样一种网孔宽度的网孔，它至少与在引出网格(4)和等离子体室(3)中的等离子体之间的空间电荷区的厚度一样大。
10.按照权利要求9的高频等离子体射束源，其特征在于，引出网格(4)呈现具有这样一种网孔宽度的网孔，它至多大到让等离子体仍基本上留在等离子体室(3)中。
11.按照上述权利要求9-10中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，为调制中性等离子体射束(I)，用至少一个遮挡板施加电势。
12.按照上述权利要求9-10中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，在镀膜室(7)中，与出口基本上相对地布置一个弯曲的表面，其上有基片(10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6)。
13.按照上述权利要求9-10中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，除高频等离子体射束源(1)外还设有一个蒸发源。
14.按照上述权利要求9-10中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，所述引出网格(4)由线径0.02-3mm的钨网形成。
15.按照上述权利要求9-10中任一项的高频等离子体射束源，其特征在于，至少设有一个磁铁(5)，用以将等离子体封闭在等离子体室(3)的范围内。
16.一种真空室，带有：外壳(2)、高频等离子体射束源和要喷镀的表面，其特征在于，所述高频等离子体射束源(1)是按照上述权利要求中任一项形成的。
17.按照权利要求16的真空室，其特征在于，要喷镀的表面是弯曲的，其上容纳一个或者多个基片(10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6)。
18.一种用高频等离子体射束源的等离子体射束喷镀表面的方法，其特征在于，使用一个发散的等离子体射束(I)，而所述高频等离子体射束源按照权利要求1-15中的任一项形成。
19.按照权利要求18的方法，其特征在于，所述等离子体射束(I)具有发散度n＝4的喷射特性，其中n是余弦分布函数的幂次。
20.按照权利要求18和19中任一项的方法，其特征在于，所述等离子体射束(I)的喷射特性是等离子体和引出网格(4)之间有目的的相互作用导致的。
21.按照权利要求18和19中任一项的方法，其特征在于，为了达到在表面的至少一部分区域上等离子体射束密度的高均匀性，等离子体射束(I)的喷射特性与要喷镀表面的至少一部分区域相适应。
22.按照权利要求18和19中任一项的方法，其特征在于，设置一个弯曲表面。
23.按照权利要求18和19中任一项的方法，其特征在于，通过对表面的喷射来实现表面的镀层。
24.按照权利要求18和19中任一项的方法，其特征在于，通过对表面的喷射来实现表面的改变。
25.一种高频等离子体射束源，所述高频等离子体射束源带有：等离子体用的等离子体室(3)；电气装置(8、9)，用以激发和维持等离子体；引出网格(4)，用以从等离子体室(3)引出中性等离子体射束(I)；以及出口，其中所述引出网格(4)布置在该出口的范围内，其特征在于，为达到形成为发散的中性等离子体射束(I)，所述引出网格(4)形成为从所述等离子体室(3)看去凸出和/或所述引出网格(4)具有如下网孔宽度，所述网孔宽度大于引出网格(4)和等离子体室(3)中的等离子体间的空间电荷区的厚度。
26.一种用高频等离子体射束源的等离子体射束喷镀表面的方法，所述高频等离子体射束源带有：等离子体用的等离子体室(3)；电气装置(8、9)，用以激发和维持等离子体；引出网格(4)，用以从等离子体室(3)引出中性等离子体射束(I)；以及出口，其中所述引出网格(4)布置在该出口的范围内，其特征在于，为达到形成为发散的中性等离子体射束(I)以引出中性等离子体射束(I)，使用形成为从所述等离子体室(3)看去凸出的引出网格(4)和/或具有如下网孔宽度的引出网格(4)，所述网孔宽度大于引出网格(4)和等离子体间的空间电荷区的厚度。
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