專利名稱：制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層的濺射方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于濺射涂層工藝的方法和設(shè)備，特別地，使用該方法和設(shè)備能夠制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)描述了如何借助于濺射工藝在基體上制備涂層，其中在一個真空體系中點(diǎn)燃等離子體，通過施加一個合適的勢差，等離子體中的離子被加速向含有涂層材料的靶子運(yùn)動并將涂層材料從靶子中移去，使得所述材料被沉積在待涂層的基體上。必須施加在靶子上的所述勢差可以通過施加一個直流或脈沖電壓而產(chǎn)生。為了進(jìn)行脈沖操作，可以選擇向右延伸進(jìn)入高頻范圍(射頻RF)的頻率。但是，如果可能，靶子或?yàn)R射陰極通常總是保持一個負(fù)電勢，或者對于雙極脈沖操作，當(dāng)處于正脈沖范圍內(nèi)時，靶子或?yàn)R射陰極僅保持一個非常低的正電勢，原因是正脈沖從等離子體上除去電荷載體(電子)，因而正電勢是不利的。但是，在特定的情況下，如果例如在濺射介電材料時，在靶子上形成一個絕緣層且該絕緣層破壞涂層設(shè)備的電容性，那么在上述很小的程度上是需要正電勢的。在這種情況下，為了影響靶子的放電，從而反抗在所述絕緣層上形成的電荷，需要允許電壓曲線振蕩進(jìn)入正電勢的范圍，或者需要施加一個低的正電壓。但是，考慮到正電勢在濺射陰極或靶子上的上述反作用，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，如果可能，保持非常低的正電勢或者避免施加正電勢。
為了制備盡可能不存在殘余應(yīng)力的涂層，現(xiàn)有技術(shù)還描述了在涂覆過程中給基體施加一個偏壓。所述偏壓同樣是單極或雙極脈沖電壓。給基體施加一個偏壓會導(dǎo)致在基體上形成的涂層受到離子的轟擊，或者對于雙極操作的情況，受到離子和電子的轟擊。利用施加在基體上的偏壓加速的離子或者離子和電子轟擊基體，通過選擇性地影響膜的微觀結(jié)構(gòu)，減小在涂層沉積過程中形成的任何殘余應(yīng)力。但是，該方法的缺點(diǎn)是由于受到離子或者離子和電子的轟擊，基體的溫度很高。由于基體需要一個電壓電源，因此該涂覆工藝更為復(fù)雜。如果針對偏壓采用脈沖操作，則需要額外的系統(tǒng)，例如信號發(fā)生器、過濾器或者當(dāng)脈沖偏壓與陰極電壓同步工作時需要同步組件。該方法的另一個缺點(diǎn)是由于例如在該過程中熱效應(yīng)會導(dǎo)致偏壓發(fā)生變化，因此涉及基體偏壓的濺射過程更難控制；還有可能例如由于偏壓導(dǎo)致在基體上產(chǎn)生飛弧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種借助于濺射工藝制備基體涂層的方法和設(shè)備，使用該方法和設(shè)備能夠減少或者避免上述缺點(diǎn)。一個特定的目的是允許產(chǎn)生膜性能并在基體上產(chǎn)生殘余應(yīng)力優(yōu)化膜，為此，只可能在困難的條件下施加一個偏壓或者根本不施加偏壓，例如位于旋轉(zhuǎn)的基體籃或其他載體中的基體通常就是這樣。就膜的應(yīng)力優(yōu)化而言，該目的是基本上減小或防止膜中存在特別不利的殘余拉伸應(yīng)力，或者將這種應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。而且，本發(fā)明的方法和設(shè)備具有簡單的設(shè)計(jì)且易于(即經(jīng)濟(jì)上可行)操作。
本發(fā)明的目的是由具有權(quán)利要求1的特征的方法和具有權(quán)利要求6的特征的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的有益實(shí)施方式構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。
解決上述問題的一個非常簡單的方案主要是完全不給基體施加與上述缺點(diǎn)有關(guān)聯(lián)的偏壓，而是根據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)中被認(rèn)為是缺點(diǎn)的早期發(fā)現(xiàn)，調(diào)整正的靶面電壓脈沖，使得能夠用該電壓脈沖代替基體偏壓。如果合適地調(diào)整施加在靶子上的正電勢脈沖，則離子會向靶子加速運(yùn)動——例如，如果將氬氣用作惰性氣體，則產(chǎn)生帶有正電荷的氬離子。該效果與施加基體偏壓取得的效果相同，在后一情況下，同樣地，離子被加速離開等離子體進(jìn)入基體——膜的微觀結(jié)構(gòu)受到影響，使得負(fù)的殘余拉伸應(yīng)力減小。本發(fā)明方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是還能獲得濺射回流效果。如果作用于離子的正的加速電壓升高超出了濺射臨界值，則原先在涂層膜中僅僅松散結(jié)合的原子離開該膜；這對于具有大的長寬比結(jié)構(gòu)的涂層的側(cè)壁覆蓋度是重要的。
與基體偏壓相反，在靶子上施加脈沖正電壓僅僅導(dǎo)致離子脈沖式地轟擊基體，而不是離子或者離子和電子連續(xù)地轟擊基體。這樣，基體上的熱效應(yīng)達(dá)到最小。而且，對于很難，甚至不可能施加偏壓的基體，選擇性地影響膜的微觀結(jié)構(gòu)是可能的。用施加在靶子上的正電壓脈沖代替基體偏壓的另一個優(yōu)點(diǎn)是能夠降低配置和操作涂覆設(shè)備的成本，原因是不需要為了在基體上施加偏壓而提供額外的電壓電源。
在這種情況下，利用靶子上的信號發(fā)生器，既產(chǎn)生用于濺射陰極(靶子)處的電壓信號的負(fù)的基本信號形狀，又產(chǎn)生用于本發(fā)明方法的正的電壓信號是有利的。這種手段簡化了濺射涂覆設(shè)備，使其便于操作。
但是，為了盡可能任意地調(diào)整靶子的脈沖正電壓信號的頻率、信號形狀、振幅等，優(yōu)選通過在一個負(fù)的基本信號形狀上疊加一個脈沖正電壓信號，從而在濺射陰極(靶子)產(chǎn)生電壓信號。
在使用本發(fā)明方法制備各種膜的過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)選擇在30至2000V范圍內(nèi)的正電壓脈沖的振幅是非常有利的，特別是40至1800V，優(yōu)選50至1000V，和/或選擇在1至20μs范圍內(nèi)的正電壓脈沖的脈沖持續(xù)時間是特別有利的。還發(fā)現(xiàn)選擇在15至450kHz范圍內(nèi)的頻率是有利的。


結(jié)合后面針對一個比較實(shí)施例的詳細(xì)描述以及附圖能夠清楚地理解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征。
圖1示出了一個典型靶子的電勢圖；圖2示出了用高頻偏壓沉積的膜中殘余應(yīng)力減小和電阻率增大；圖3示出了用本發(fā)明方法沉積的膜中殘余應(yīng)力減小或逆轉(zhuǎn)。
具體實(shí)施例方式
在這個比較實(shí)施例中，對沉積過程中向基體施加一個射頻偏壓而得到的NiV膜的殘余應(yīng)力的影響與根據(jù)本發(fā)明方法使用不同的正電壓脈沖而沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力發(fā)展作比較。圖1示出了本發(fā)明方法中使用的典型的信號形狀。除了一個具有負(fù)電勢的半波，每個周期還包括一個具有正的靶面電勢的半波。
對比使用現(xiàn)有技術(shù)方法(圖2)和使用本發(fā)明方法(圖3)分別沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力，可以明顯看出，使用本發(fā)明方法能夠取得與使用基體偏壓相同的效果。
圖2中，將NiV膜的殘余應(yīng)力對射頻偏壓功率(bias power)作圖，所述NiV膜沉積在一個被加熱的基體上，所述基體被施加一個雙極脈沖射頻偏壓。借助于常規(guī)的DC濺射工藝，其中濺射功率為9kW且氬氣流速約為48sccm，膜厚度約為3500的NiV膜以每千瓦功率約15.6/s的濺射速率沉積。如圖2所示，隨著射頻偏壓功率的增大，NiV膜的殘余應(yīng)力減小，直至甚至出現(xiàn)殘余應(yīng)力從拉伸應(yīng)力到微小的壓縮應(yīng)力的逆轉(zhuǎn)。
使用本發(fā)明方法制備的NiV膜同樣產(chǎn)生積極效果，其中在制備過程中不使用偏壓，而是如本發(fā)明所提供的，向靶子提供雙極脈沖(參見圖1)。其他參數(shù)保持不變。如圖3所示，隨著正電壓脈沖的正電勢的增大，NiV膜的殘余拉伸應(yīng)力減小，或者甚至逆轉(zhuǎn)變成壓縮應(yīng)力。通過對比發(fā)現(xiàn)，在不使用正脈沖部分的情況下，沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力沒有顯著的變化，即使在-900V至約-1600V的范圍內(nèi)改變負(fù)脈沖電壓也沒有顯著變化。
權(quán)利要求
1.一種制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層的方法，特別是用于制備具有低拉伸應(yīng)力的涂層，該方法借助于在靶子(陰極)上形成雙極脈沖電壓特性的濺射工藝，其特征在于，調(diào)整施加在靶子上的正電壓脈沖，從而代替施加在基體上的偏壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過在一個負(fù)的基本信號形狀上疊加一個正的脈沖電源信號產(chǎn)生正電壓脈沖，正電壓脈沖的頻率、信號形狀和振幅等是可調(diào)節(jié)的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，正電壓脈沖的振幅為30至2000V，特別是40至1800V，優(yōu)選50至1000V。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，正電壓脈沖的脈沖持續(xù)時間為1至20μs。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所施加的正電壓脈沖的頻率為15至450kHz。
6.一種用于制備涂層的濺射涂覆設(shè)備，特別是用于制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層，優(yōu)選按照如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法制備，其特征在于使用一種電壓電源設(shè)備，利用該設(shè)備調(diào)節(jié)靶子上的脈沖正電壓信號，所述信號具有足以代替基體上的偏壓的強(qiáng)度。
7.如權(quán)利要求6所述的濺射涂覆設(shè)備，其特征在于，設(shè)置一個能夠產(chǎn)生負(fù)的基本信號形狀和正電壓信號的信號發(fā)生器，從而在靶面上產(chǎn)生電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助于濺射工藝制備特別的固有電壓優(yōu)化涂層，特別是制備低拉伸應(yīng)力涂層的方法或設(shè)備，其中在靶子(陰極)上形成雙極電壓形狀。在靶面上調(diào)節(jié)正電壓脈沖，從而代替基體上的偏壓。
文檔編號H01J37/34GK1656244SQ03811588
公開日2005年8月17日 申請日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者瓦爾特·哈格 申請人:優(yōu)利訊斯巴爾扎斯股份公司