CN1891857A - 羰基金属气相沉积的设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种通过羰基金属气相沉积法制备金属或涂覆金属的物体的经改进的方法和设备，其包括：a)将一个物体放入具有局部红外辐射透明窗的沉积室中；b)将所述气态羰基金属气体送入所述沉积室；c)使来自红外辐射源的红外辐射通过所述窗，以将所述物体的所述表面进行辐射加热至所述羰基金属气体在所述物体的所述表面上发生分解的温度，其改进在于：(a)所述窗由对波长在0.2μm－2.5μm范围内的辐射具有有效的透明度的材料制成；以及(b)所述红外辐射源提供所述红外辐射至所述窗，该辐射的功率级强度不足以将所述窗材料加热至在定态条件下于其上导致金属沉积的温度，但足以将所述物体表面加热至足以使所述羰基金属在所述物体表面上发生分解的温度。

Description

羰基金属气相沉积的设备及方法

技术领域

本发明涉及用于制造金属或涂覆金属的物体的羰基金属分解及金属沉积方法，特别是镍沉积，本发明更特别地涉及所述方法中的红外加热；本发明还涉及用于所述方法中的设备。

背景技术

化学气相沉积是一种用于在基底上沉积薄膜或涂层的公知方法。用于在基底上沉积镍薄膜或涂层的一种已知的化学蒸汽是在所谓的镍气相沉积法(NVD)中的羰基镍。典型地，将待涂覆镍的基底在反应室或沉积室中于羰基镍Ni(CO)₄的气氛中加热至预设的合适的反应温度，典型为175℃-180℃。羰基镍在经加热基底的表面上分解而于其上沉积镍薄膜或涂层。

来自供液罐的羰基镍流经蒸发器，在该蒸发器中其被转化为气流，在该气态流中可加入少量诸如一氧化碳的载气。

典型地，将羰基镍蒸汽连续引入沉积室，在该沉积室中其反应生成元素镍以及一氧化碳副产物。将废气连续地从该室中清除，以保证横跨基底表面的反应性羰基镍的正常循环。可按照诸如热传导、红外辐射、感应等公知方法加热该基底。

若待加热的基底不具有导电性，则红外加热(IR)是所需要的或另外是理想的，其中使红外辐射通过红外透明窗导入沉积室中以加热基底。优选地，在该室中红外辐射选择性地加热基底，而不加热羰基金属气体或红外透明窗。若将羰基金属气体加热至其分解温度以上，则其自发地发生分解。类似地，若将红外透明窗加热至羰基金属气体的分解温度以上，则该气体化合物非期望地在红外透明窗上分解，因为红外辐射无法有效地穿透雾化窗体，所以基本上致使基底上的羰基镀停止。为消除该问题，必须定期将该窗体取出以进行清洁或更换。沉积在该窗体上的金属也非红外透明的，这将引起该窗体增强的红外加热。

该问题的一个原因是由以下材料构成的红外透明窗并非完全对红外辐射透明，例如硼硅酸盐玻璃、透明熔凝石英、聚乙烯、对苯二酸盐、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯丙烯以及其他材料，结果窗体变热而足以于其上引起金属沉积。

Jenkin的第3,213,827号美国专利中描述了一种用于冷却红外透明室壁的气冷式冷却管。然而由于气冷的效率低，所以相信Jenkin的设计不足以有效地防止雾化。

防止羰基分解室中红外窗体雾化的Paserin的第0424183A1号欧洲专利申请以及Paserin的第5,145,716号美国专利中使用了液体冷却剂，其基本上是红外透明的以允许红外辐射穿过红外透明窗及冷却通道进入该室。实验室测试装置所用的窗体具有两块商标为PYREX^的红外透明玻璃片，两者的间隔为6mm。用各种液体填充PYREX^片之间的空隙。测试所用PYREX^片的厚度为4mm和5mm。与PYREX^片以及测试液体的一侧相邻间隔的是一盏140伏、440瓦的红外灯。将红外灯的灯丝加热至1980℃，则具有一个波长为1.46微米的峰。使用了不同的冷却剂：水、乙二醇、乙二醇二乙酸酯、四氯乙烷以及四氯乙烯。

然而仍需要提供一种显著降低或完全避免在窗体上沉积金属的经改进的方法。

发明内容

本发明的一个目的是在对窗体不使用任何冷却系统的情况下有效地防止羰基分解室中窗体的雾化。

本发明的另一个目的是减少羰基金属分解过程的功率损失。

本发明提供一种改进的方法和设备，其中金属在基底上的沉积过程中，沉积室的窗体无需进行冷却。

因此，在一方面，本发明提供一种通过羰基金属气相沉积法制备金属或涂覆金属的物体的经改进的方法，其包括：

a)将一个物体放入具有局部红外辐射透明窗的沉积室中，该物体的一个表面待用羰基金属气体通过所述金属气相沉积法进行处理；

b)将所述气态羰基金属气体送入所述沉积室；

c)使来自红外辐射源的红外辐射通过所述窗，以将所述物体的所述表面进行辐射加热至所述羰基金属气体在所述物体的所述表面上发生分解的温度，其改进在于：

(a)所述窗由对波长在0.2μm-2.5μm范围内的辐射具有有效的透明度的材料制成；以及

(b)所述红外辐射源提供所述红外辐射至所述窗，该辐射的功率级强度不足以将所述窗材料加热至在稳态条件下于其上导致金属沉积的温度，但足以将所述物体表面加热至足以使所述羰基金属在所述物体表面上发生分解的温度。

优选地，所施加的功率级强度应不足以将该窗材料加热到至少100℃的温度。

该窗材料对0.25μm-2.5μm范围内的波长优选具有90％的透明度，更优选为95％。

本发明最具价值之处在于Ni(CO)₄气相分解生成镍和一氧化碳。

在另一方面，本发明提供一种用于通过羰基金属气相沉积法制备金属或涂覆金属的物体的经改进的设备，其包括：

(i)一个用以接收所述具有表面的物体的羰基金属分解室；所述室具有局部红外辐射透明窗，并适于接收羰基金属蒸汽；

(ii)一个用以可操作地发射红外辐射通过所述窗进入所述室中以加热所述物体的所述表面并与所述室相邻近的红外辐射源；其改进在于：

a)所述窗由对波长在0.2μm-2.5μm范围内的辐射具有有效的透明度的材料制成；以及

b)所述红外辐射源可操作地提供所述红外辐射至所述窗，该辐射的功率级强度不足以将所述窗材料加热至在稳态条件下于其上导致金属沉积的温度，但足以将所述物体表面加热至使所述羰基金属在所述物体表面上发生分解的温度。

该窗对0.25-2.5μm范围内的波长优选具有至少90％的透明度，更优选为至少95％。

附图说明

为使本发明可被更好地理解，现仅通过实施例并参照附图描述一个优选的具体实施方案，其中：

图1为本发明的方法和设备的设计示意图；

图2为灯丝温度为2400K的卤素灯的光谱辐射分布图；

图3A和图3B为VICOR玻璃(石英型)的透射曲线；以及

图4为BOROFLORAT^TM硼硅酸盐的透射曲线。

具体实施方式

参照图1，所示为带有相关联的红外源14、滤光器16以及用于红外发射器16的传送组件18的金属沉积室12，其整体上为10。

更具体而言，室12具有一个羰基镍蒸汽进料入口20以及含有废弃一氧化碳的废气出口22。室12具有一个红外辐射透明窗24。

红外辐射源14位于邻近窗24的有效距离处并与之相平行，在本具体实施方案中该红外辐射源具有装置18，其用以沿平行于窗24的方向横向传送红外发射器14以提供横跨并穿过窗24全长的均匀辐射。

在本优选的具体实施方案中，滤光器16位于红外源14与窗24之间。

将具有表面28的物体26合适地放置在室12的中央位置，在该表面上羰基镍发生分解并沉积镍。

窗24(厚1.8cm)优选由熔凝石英制成，更优选由在0.2-2.5mKm波长范围内具有非常良好的透明度的7913VYCOR^TM玻璃(Corning)制成。

可将热吸收滤光器安装在辐射源和窗之间。该过光滤器最优选在2.0μm到至少5.0μm的波长范围内进行吸收以降低被窗体吸收的热。

滤光器16优选由硼硅酸盐玻璃制成，其对近红外辐射(0.35-2.5mKm)是可见的，但其能吸收波长大于2.5μm的辐射，更优选由BOROFLORAT^TM硼硅酸盐玻璃制成(Edmund Industrial Optics，巴灵顿，新泽西州，美国)。典型滤光器的直径为约20cm，厚度为约0.65cm。

该辐射源的最大辐射光谱最优选在紫外至中红外波长范围内，即光谱的可见光部分提供穿过窗体的最大透射率以及最小吸收率以使窗体保持在羰基金属气体发生分解的温度以下。在本发明的实际中，该窗体温度优选不达到100℃。优选的红外发射器为其有利的辐射发射波长范围为0.2-2.5μm且最大为约1.1-1.4mKm的卤素灯。

优选将红外辐射发射器与传送装置相连，以使其均匀地横向移动跨越该窗以均匀地加热基底表面。若该窗与红外源之间的距离不能被优化，则可在窗和红外源之间安装环境空气通风装置以防止对流传热。若需要高密度的热流以加热厚度大的导热物体，则可能需要具有低发射率的物体。

可提供选择性的卤素红外辐射发射器(Heraeus，德国)。最合适的是短波红外发射器(灯丝温度为1800℃-2000℃；峰值kW/m²)。卤素灯短波发射器是优选的，这是因为其坚硬的构造以及对电压变化要求的耐久性。

应注意的是，该滤光器与窗体可由相同的材料制成。在优选的具体实施方案中，可通过在窗和滤光器之间的间隙中进行通风或抽真空而减少由滤光器至窗体的热传导。本发明的实际中所用的标准卤素灯的灯丝温度约为2100℃，其提供的最大波长约为1.3μm。一种可供选择的优选的红外辐射发射器是具有金反射器的双碳灯丝型发射器。

由于石英和VICOR^TM玻璃型开始吸收大于约2mKm，该滤光器的目的是消除红外辐射的任何长波长尾(long wavelength tail)。

实施例

在几个测试实验中发现，可使用本发明的辐射以促使镍在基底或物体表面上沉积，该辐射透过石英窗而不会使金属在玻璃表面上沉积。使用1.5kW的卤素灯和传送系统以通过扫描表面提供生长薄膜厚度的均匀性。发现在0.1至0.4mm/h的不同沉积速度下，在具有直径为20cm的硅晶片表面的物体上沉积镍的均匀性为0.025-0.25mm。

结果表明可实现对以下参数的最有利控制，例如基底表面和基底厚度、羰基化物流、载气流和辐射流。该窗体由在紫外至近红外的波长范围内基本上透明的材料制成，因此不会被加热以避免羰基金属蒸汽在窗上发生分解反应。

最令人满意的结果是，在甚至由具有非常低热导率的材料制成的平薄基底上实现均匀沉积。均匀地辐射状加热、掩模以及分离金属，即在本具体实施方案中于沉积后从基底分离镍复型的诸预期的问题均易于处理。

选择红外灯与窗之间优选的最佳距离以通过环境空气通风或通过使用流通空气的通风装置来避免玻璃的发热。通过引入的羰基镍前体与一氧化碳载气的混合物使该室内部的窗体表面冷却。引入的气体的温度显然必须高于Ni(CO)₄前体的冷凝温度，且显著低于其分解温度。惊奇地发现该冷却作用足以使窗体保持在低于约100℃的温度，并因此而低于任何沉积温度。

在该室中成功地在由不同材料制成的各种基底上沉积镍，而不会使窗起雾。发现红外加热基底的某些优点为：当直接加热经沉积的基底表面时，基底材料的导热性能不发挥明显的作用，并且原则上任何材料都可用作基底。而仅需要该材料经受沉积温度。

虽然本说明书对本发明的某些优选的具体实施方案进行了说明和图示，但应理解为本发明并不仅限于这些特定的具体实施方案。更具体而言，本发明包括所有与已描述和图示的特定具体实施方案和特征在功能上或机械上等效的具体实施方案。

Claims (13)

1、一种通过羰基金属气相沉积法制备金属或涂覆金属的物体的经改进的方法，其包括：

a)将一个物体放入具有局部红外辐射透明窗的沉积室中，该物体的一个表面待用羰基金属气体通过所述金属气相沉积法进行处理；

b)将所述气态羰基金属气体送入所述沉积室；

c)使来自红外辐射源的红外辐射通过所述窗，以将所述物体的所述表面进行辐射加热至所述羰基金属气体在所述物体的所述表面上发生分解的温度，其改进之处在于：

(a)所述窗由对波长在0.2μm-2.5μm范围内的辐射具有有效的透明度的材料制成；以及

(b)所述红外辐射源提供所述红外辐射至所述窗，该辐射的功率级强度不足以将所述窗材料加热至在稳态条件下于其上导致金属沉积的温度，但足以将所述物体表面加热至足以使所述羰基金属在所述物体表面上发生分解的温度。

2、如权利要求1中所限定的方法，其中所述材料对波长在0.2μm-2.5μm的所述范围内的辐射具有至少90％的透明度。

3、如权利要求1或2中所限定的方法，其中所述功率级强度不足以使所述窗加热到至少100℃。

4、如权利要求1至3之一中所限定的方法，其还额外包括使所述红外辐射通过一个位于所述红外辐射源与所述窗之间的滤光器以吸收波长大于2.5μm的红外辐射。

5、如权利要求1至4之一中所限定的方法，其还额外包括将所述红外辐射源在一个平行于且邻近于所述窗的平面内往复移动。

6、如权利要求1至5之一中所限定的方法，其中所述窗由对近红外辐射基本上透明的硼硅酸盐玻璃制成。

7、如权利要求1或2中所限定的方法，其中所述金属为镍。

8、一种用于通过羰基金属气相沉积法制备金属或涂覆金属的物体的经改进的设备，其包括：

(i)一个用以接收所述具有表面的物体的羰基金属分解室；所述室具有局部红外辐射透明窗，并适于接收羰基金属蒸汽；

(ii)一个用以可操作地发射红外辐射通过所述窗进入所述室中以加热所述物体的所述表面并与所述室相邻近的红外辐射源；其改进之处在于：

a)所述窗由对波长在0.2μm-2.5μm范围内的辐射具有有效的透明度的材料制成；以及

b)所述红外辐射源可操作地提供所述红外辐射至所述窗，该辐射的功率级强度不足以将所述窗材料加热至在稳态条件下于其上导致金属沉积的温度，但足以将所述物体表面加热至使所述羰基金属在所述物体表面上发生分解的温度。

9、如权利要求8中所限定的设备，其中所述窗材料对波长在0.2μm-2.5μm的所述范围内的辐射具有至少90％的透明度。

10、如权利要求8或9中所限定的设备，其中所述红外辐射可操作地将所述物体的表面加热至约150-175℃的温度。

11、如权利要求8至10之一中所限定的设备，其还额外包括传送装置，该传送装置适于以平行于所述窗的方向传送所述红外辐射源以对所述物体表面均匀加热而进行均匀的金属沉积。

12、如权利要求8至11之一中所限定的设备，其还额外包括可操作地吸收波长大于2-5μm的红外辐射的滤光装置，该滤光装置位于所述红外辐射源与所述窗之间。

13、如权利要求8至12之一中所限定的设备，其中所述窗由对近红外辐射基本上为可见的硼硅酸盐玻璃制成。

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