專利名稱：用于在平坦表面上沉積大面積涂層的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在平坦表面上沉積均勻涂層的設(shè)備和方法。更加具體而言，本發(fā)明涉及一種使用多重等離子體源在平坦表面上沉積均勻涂層的方法和設(shè)備。再具體而言，本發(fā)明涉及一種用于通過經(jīng)公共注入系統(tǒng)向通過多重膨脹熱等離子體源產(chǎn)生的多個等離子體中注入反應(yīng)氣體而在平坦表面上沉積均勻涂層的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
等離子體源能夠以高沉積速度在基板上沉積各種涂層，諸如透明耐磨涂層、透明UV過濾涂層、以及多層涂層外殼。在這樣的沉積過程中，反應(yīng)氣體與等離子體反應(yīng)從而形成沉積在基板上的物種。單個等離子體源，諸如膨脹熱等離子體(以下也稱作“ETP”)源，可用于均勻涂覆直徑在約10至15cm范圍的區(qū)域。
多重等離子體源的陣列可以用于涂覆更大的基板面積。這種大面積涂覆工作通常涉及在宏觀平-或平坦-表面上沉積涂層。為了在這種平坦表面上獲得均勻涂層，該多重等離子體源可以隔開成二維圖案，例如直線或z字形陣列。
在使用多重等離子體源涂覆大面積時，通常通過獨立的傳輸系統(tǒng)為每個等離子體源提供反應(yīng)氣體，即，每個等離子體源具有需要單獨的流量控制的單獨的反應(yīng)氣體源。然而，在將等離子體沉積技術(shù)擴展到涂覆更大尺寸的表面時，使用獨立的反應(yīng)物源和流量控制器會導(dǎo)致涂覆工藝中的顯著不確定性，并導(dǎo)致涂層均勻性的下降。另外，隨著用于涂覆工藝的等離子體源的數(shù)量增加，為每個等離子體源配備獨立的傳輸系統(tǒng)和流量控制的成本明顯增大。
其中每個等離子體源具有獨立反應(yīng)氣體注入系統(tǒng)的多重等離子體源的陣列不能均勻涂覆大的平坦表面，且不經(jīng)濟。因此，所需要的是一種使用多重等離子體源均勻涂覆大面積、平坦基板的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供用于在大面積、平坦表面上使用多重等離子體源的陣列和公共前體-或反應(yīng)氣體-注入器沉積均勻涂層的方法和設(shè)備來滿足這些及其它需求。通過經(jīng)單個傳輸系統(tǒng)向多重等離子體源提供反應(yīng)氣體(或多種氣體)，可以輕易地對多重等離子體中的每一個保持反應(yīng)氣體的均勻流量。
因此，本發(fā)明的一個方面在于提供一種用于在基板的平坦表面上沉積均勻涂層的設(shè)備。該設(shè)備包括用于產(chǎn)生多個等離子體的多個等離子體源的至少一個陣列，其中該多個等離子體源的每個包括設(shè)置在等離子體室內(nèi)的陰極、陽極、以及用于非反應(yīng)(non-reactive)等離子體源氣體的入口；用于容納該基板的沉積室，其中沉積室與等離子體室流體連通，且其中等離子體室保持在第一預(yù)定壓強，而沉積室保持在第二預(yù)定壓強，第二預(yù)定壓強小于第一預(yù)定壓強；以及設(shè)置在沉積室中用于向該多個等離子體中的每一個內(nèi)提供均勻流率(flow rate)的至少一種反應(yīng)氣體的至少一個公共反應(yīng)氣體注入器。
本發(fā)明的第二方面在于提供一種公共反應(yīng)氣體注入器，其用于向由多個等離子體源的陣列產(chǎn)生的多個等離子體中注入均勻流量的至少一種反應(yīng)氣體。該公共反應(yīng)氣體注入器包括包括具有內(nèi)部空間的管壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體入口，該至少一種反應(yīng)氣體通過該內(nèi)部空間從至少一反應(yīng)氣體源供給；靠近第一等離子體的第一多個口，每個第一多個口經(jīng)過該管壁結(jié)構(gòu)從內(nèi)部空間至反應(yīng)氣體入口的外表面延伸，其中第一多個口被取向，從而該至少一種反應(yīng)氣體從內(nèi)部空間經(jīng)第一多個口通過，并以第一流率引導(dǎo)至第一等離子體中；以及靠近第二等離子體的第二多個口，每個第二多個口經(jīng)該管壁結(jié)構(gòu)從該內(nèi)部空間至該反應(yīng)氣體入口的外表面延伸，其中第二多個口被取向，從而該至少一種反應(yīng)氣體從該內(nèi)部空間經(jīng)第二多個口通過，并以第二流率引導(dǎo)至第二等離子體中，第二流率基本等于第一流率。
本發(fā)明的第三方面在于提供一種用于在基板的平坦表面上沉積均勻涂層的設(shè)備。該設(shè)備包括用于產(chǎn)生多個等離子體的多個等離子體源的至少一個陣列，其中多個等離子體源的至少一個為膨脹熱等離子體源，其中多個等離子體源的每一個包括設(shè)置在等離子體室內(nèi)的陰極、陽極、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口；用于容納基板的沉積室，其中沉積室與等離子體室流體連通，其中等離子體室保持在第一預(yù)定壓強，而沉積室保持在第二預(yù)定壓強，第二預(yù)定壓強小于第一預(yù)定壓強；以及設(shè)置在沉積室中用于向多個等離子體中的每一個中注入均勻流量的至少一種反應(yīng)氣體的至少一個公共反應(yīng)氣體注入器。該公共反應(yīng)物注入器包括包括具有內(nèi)部空間的管壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體入口，該反應(yīng)氣體通過該內(nèi)部空間從至少一反應(yīng)氣體源供給；靠近第一等離子體的第一多個口，每個第一多個口經(jīng)該管壁結(jié)構(gòu)從內(nèi)部空間至反應(yīng)氣體入口的外表面延伸，其中第一多個口被取向，從而該反應(yīng)氣體從內(nèi)部空間經(jīng)第一多個口通過，并以第一流率引導(dǎo)至第一等離子體中；以及靠近第二等離子體的第二多個口，每個第二多個口經(jīng)所述管壁結(jié)構(gòu)從該內(nèi)部空間至該至少一反應(yīng)氣體入口的外表面延伸，其中第二多個口被取向，從而該反應(yīng)氣體從該內(nèi)部空間經(jīng)第二多個口通過，并以第二流率引導(dǎo)至第二等離子體中，第二流率基本等于第一流率。
本發(fā)明的第四方面在于提供一種在基板的平坦表面上沉積均勻涂層的方法。該方法包括步驟為沉積室提供具有平坦表面的基板；將沉積室抽至預(yù)定的沉積壓強；從多個等離子體源的至少一個陣列產(chǎn)生多個等離子體；經(jīng)至少一個公共反應(yīng)氣體注入器向多個等離子體中的每一個中注入至少一種反應(yīng)氣體，使得進入第一等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第一流率基本等于進入第二等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第二流率；使該至少一種反應(yīng)氣體和多個等離子體朝向基板流入沉積室；以及該至少一種反應(yīng)氣體與多個等離子體反應(yīng)從而在基板的非平坦表面上形成涂層。
本發(fā)明的第五方面在于提供一種向由多個等離子體源的陣列產(chǎn)生的多個等離子體中注入反應(yīng)氣體使得進入第一等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第一流率基本等于進入第二等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第二流率的方法。該方法包括步驟從反應(yīng)氣體源向公共反應(yīng)氣體注入器供給至少一種反應(yīng)氣體；該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)靠近第一等離子體的公共反應(yīng)氣體注入器的第一多個口通過，其中第一多個口被取向，從而至少一種反應(yīng)氣體以第一預(yù)定流率引導(dǎo)至第一等離子體中；以及該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)靠近第二等離子體的公共反應(yīng)氣體注入器的第二多個口通過，其中第二多個口被取向，從而至少一種反應(yīng)氣體以第二預(yù)定流率引導(dǎo)至第二等離子體中，其中第二預(yù)定流率基本等于第一預(yù)定流率。
本發(fā)明的第六方面在于提供一種具有沉積在平坦表面上的均勻涂層的基板，其中該均勻涂層通過以下步驟沉積為沉積室提供具有平坦表面的基板，其中沉積室與多個等離子體源的至少一個陣列流體連通，其中多個等離子體源中的至少一個為膨脹熱等離子體源，其具有設(shè)置在等離子體室內(nèi)的陰極、陽極、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口，等離子體室與沉積室流體連通；將沉積室抽至預(yù)定的沉積壓強并將等離子體室抽至預(yù)定第一壓強，其中預(yù)定沉積壓強小于預(yù)定第一壓強；在多個等離子體源中產(chǎn)生多個等離子體，且使該多個等離子體流入沉積室；隨著多個等離子體流入沉積室經(jīng)至少一個公共氣體注入器向多個等離子體中的每一個注入至少一種反應(yīng)氣體，使得該至少一種反應(yīng)氣體到第一等離子體中的第一流率基本等于該至少一種反應(yīng)氣體到第二等離子體中的第二流率；使該至少一種反應(yīng)氣體和多個等離子體朝向基板進入沉積室；以及該至少一種反應(yīng)氣體與多個等離子體的每一個反應(yīng)從而在基板的平坦表面上形成涂層。
由以下詳細說明、附圖及所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些及其它方面、優(yōu)點和獨有特征將變得明顯。


圖1為用于使用膨脹熱等離子體源陣列在宏觀平坦的表面上沉積均勻涂層的設(shè)備的示意圖，其中反應(yīng)氣體通過獨立的反應(yīng)氣體注入器提供給每個等離子體源；圖2為本發(fā)明的用于使用膨脹熱等離子體源陣列在宏觀平坦的基板上沉積均勻涂層的設(shè)備的示意圖；圖3為示出本發(fā)明公共反應(yīng)氣體注入器的頂面圖和截面圖的示意圖；圖4為比較使用本發(fā)明的公共反應(yīng)氣體注入器和獨立氣體注入器沉積的非晶氫化碳化硅(a-SiCH)涂層的厚度分布的圖，其中反應(yīng)氣體為乙烯基三甲硅烷(VTMS)；圖5為利用ETP源的陣列獲得的a-SiCH涂層的厚度分布的圖，其中通過本發(fā)明的公共反應(yīng)氣體注入環(huán)為ETP源陣列提供八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)反應(yīng)氣體；以及圖6為比較使用單個公共反應(yīng)物注入器和根據(jù)本發(fā)明的多個公共反應(yīng)物注入器在聚碳酸酯基板上利用D4和氧氣(O2)的混合物沉積的非晶氫化碳氧化硅(a-SiOxCyH)涂層的厚度分布的圖。
具體實施例方式
以下說明中，相同的附圖標記在附圖所示的幾個圖中始終表示相同或相應(yīng)的部件。還應(yīng)理解，諸如“頂”、“底”、“向外”、“向內(nèi)”的術(shù)語是方便的詞語，而不構(gòu)成限制性術(shù)語。
總地參照各附圖，特別是參照圖1，將理解，該些圖示的目的在于介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，不是要對本發(fā)明構(gòu)成限制。用于使用包括多個膨脹熱等離子體源112的陣列110在宏觀平坦-或平-的表面上沉積均勻涂層的設(shè)備100在圖1中示意性地示出。圖1所示的設(shè)備100已在Barry Lee-Mean Yang等人的美國專利申請09/681,820“Apparatus and Method for Large AreaChemical Vapor Deposition Using Expanding Thermal Plasma G enerators”和Marc Schaepkens的美國專利申請09/683,148“Apparatus and Method forDepositing Large Area Coatings on Non-Planar Surfaces”中描述，兩者都作為參考在這里全文引入。該多個ETP源112的每一個被供給至少一種反應(yīng)氣體，該反應(yīng)氣體與所產(chǎn)生的ETP反應(yīng)，從而在基板(未示出)的表面上形成涂層。該至少一種反應(yīng)氣體通過單獨的反應(yīng)氣體注入器120以相同的流率供給給該多個ETP源112中的每一個。該至少一種反應(yīng)氣體在由該多個ETP源112中的每一個產(chǎn)生的等離子體中反應(yīng)，從而產(chǎn)生形成涂層的物種。
在使用多重等離子體源涂覆大面積時，反應(yīng)氣體通常通過獨立的傳輸系統(tǒng)提供給每個等離子體源，即每個等離子體源具有需要單獨流量控制的單獨的反應(yīng)氣體源。通常，單獨的反應(yīng)氣體注入器120提供給該多個ETP源112中的每一個，如圖1所示。在圖1所示的實施例中，該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過單獨的環(huán)形注入器120(圖1中的頂視圖和截面圖中示出)進入由該多個ETP源112中的每一個產(chǎn)生的等離子體中的每一個內(nèi)。該至少一種反應(yīng)氣體中的每一種從單獨的反應(yīng)氣體源126提供給單獨的環(huán)形注入器120，單獨的流量控制器124調(diào)節(jié)從單獨的反應(yīng)氣體源126中的每一個到單獨的環(huán)形注入器120中的每一個的該至少一種反應(yīng)氣體的流量?；蛘?，可以以單獨的噴嘴(未示出)取代單獨的環(huán)形注入器120。
在將等離子體沉積技術(shù)擴展到涂覆較大尺寸的表面時，單獨的環(huán)形注入器120、單獨的反應(yīng)物源126、以及流量控制器124的使用會導(dǎo)致涂覆工藝中的顯著不確定性，并導(dǎo)致涂覆均勻性的最終降低。另外，隨著涂覆工藝中使用的等離子體源的數(shù)量增加，為每個等離子體源配備單獨的傳輸系統(tǒng)和流重控制的成本變得極大。
通常期望制備一涂層，該涂層在整個涂覆表面上具有至少一種選定性質(zhì)的均勻分布。此性質(zhì)包括但不限于涂層厚度、耐磨性、輻射吸收性、以及輻射反射性。通過諸如ETP源的單個等離子體源沉積的涂層中，這些性質(zhì)的分布的每一種具有關(guān)于等離子體源的軸的高斯分布。高斯分布的尺寸和形狀部分地依賴于等離子體的溫度，其又依賴于用于產(chǎn)生等離子體的功率和進入該等離子體中的該至少一種反應(yīng)氣體的流率。對于在相同功率下和基本相等的進入該多個等離子體的每一個中的至少一種反應(yīng)氣體的流率下產(chǎn)生的等離子體，通過將該多個等離子體源布置成陣列使得由單個等離子體源產(chǎn)生的高斯分布相交疊，可以獲得平坦表面上給定涂層性質(zhì)的均勻分布。
圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的在非平坦表面上沉積均勻涂層的設(shè)備200。設(shè)備200包括多個等離子體源212的至少一個陣列210。該設(shè)備可以包括與實際和涂覆非平坦基板230所需一樣多的陣列。類似地，每個陣列210可以包括與實際或所需一樣多的等離子體源212。在一個實施例中，該多個等離子體源212包括至少一個ETP等離子體源。雖然圖2示出了具有六個等離子體源212的單個陣列210，但多個陣列210、以及具有多于六個等離子體源212的至少一個陣列210也被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，陣列210可以包括多達約12個等離子體源212。陣列210可以為線性陣列或二維陣列，諸如但不限于等離子體源212的交錯陣列、Z字形陣列、柵格、以及多邊形(例如三角形、六邊形、八邊形等)。
該多個等離子體源212的每一個包括設(shè)置在等離子體室202內(nèi)的陰極214、陽極216、以及等離子體源氣體入口218。該等離子體源氣體為不活潑氣體，諸如惰性氣體，即氬、氦、氖、氪、或氙?；蛘撸梢允褂闷渌瘜W(xué)惰性的氣體作為等離子體源氣體，諸如但不限于氮氣和氫氣。優(yōu)選地，氬氣用作等離子體源氣體。通過在陰極214與陽極216之間激發(fā)電弧同時經(jīng)過等離子體源氣體入口218向電弧中引入等離子體源氣體，等離子體在該多個等離子體源212的每一個處產(chǎn)生。
在一個實施例中，該多個等離子體源212中的至少一個為膨脹熱等離子體(以下也稱作“ETP”)。在ETP中，等離子體通過在至少一個陰極與陽極之間產(chǎn)生的電弧中離子化等離子體源氣體從而形成正離子與電子而產(chǎn)生。例如，在產(chǎn)生氬等離子體時，發(fā)生如下反應(yīng)
。
然后，該等離子體膨脹到處于低壓的大容積內(nèi)，由此冷卻電子和正離子。在本發(fā)明中，等離子體在等離子體室202中產(chǎn)生，并經(jīng)開口206膨脹到沉積室204中。如前所述，沉積室204保持在明顯比等離子體室202低的壓強下。因此，ETP中的電子過于冷，由此具有不足以導(dǎo)致ETP內(nèi)該至少一種反應(yīng)氣體的直接離解的能量。取而代之地，引入等離子體中的該至少一種反應(yīng)氣體可以經(jīng)歷與ETP內(nèi)的電子的電荷交換和離解復(fù)合反應(yīng)。在ETP中，正離子和電子溫度近似相等且在約0.1eV(約1000K)的范圍內(nèi)。在其它類型的等離子體中，電子具有充分高的溫度從而重大地影響等離子體的化學(xué)性質(zhì)。在這樣的等離子體中，正離子通常具有約0.1eV的溫度，電子具有約1eV或10000K的溫度。
等離子體室202通過開口206與沉積室204流體連通。沉積室204與真空系統(tǒng)(未示出)流體連通，該真空系統(tǒng)能夠?qū)⒊练e室204保持在比等離子體室202低的壓強下。在一實施例中，沉積室204保持在低于約1乇(約133Pa)的壓強下，優(yōu)選在低于約100毫乇(約0.133Pa)的壓強下，而等離子體室202保持在至少約0.1大氣壓(約1.01×104Pa)的壓強下。等離子體室202優(yōu)選保持在約1大氣壓(約1.01×105Pa)的壓強下。
至少一個公共反應(yīng)氣體注入器220位于沉積室204內(nèi)，用于以預(yù)定的流率向由陣列210中的多個等離子體源212產(chǎn)生的多個等離子體中的每一個內(nèi)提供至少一種反應(yīng)氣體。公共反應(yīng)氣體注入器220在圖3中的截面圖和頂視圖中示出。該至少一種反應(yīng)氣體通過反應(yīng)氣體注入器系統(tǒng)(圖3中的222)從至少一個反應(yīng)氣體源(圖3中的226)提供到公共反應(yīng)氣體注入器220，該反應(yīng)氣體注入器系統(tǒng)包括流量控制器(圖3中的224)從而調(diào)節(jié)從反應(yīng)氣體源226到公共反應(yīng)氣體注入器220的該至少一種反應(yīng)氣體的流量。該至少一個反應(yīng)氣體源224可以是單一反應(yīng)氣體源，此時可以使用單一流量控制器222，或者是多種，其中各種反應(yīng)氣體或前體在注入到該多個等離子體內(nèi)前被混合。
當(dāng)?shù)入x子體經(jīng)開口206進入沉積室204內(nèi)時，該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過公共反應(yīng)氣體注入器220提供給由陣列210中的多個等離子體源212產(chǎn)生的多個等離子體中的每一個。該至少一種反應(yīng)氣體以基本相同的流率從公共反應(yīng)氣體注入器220流入等離子體的每一個。該至少一種反應(yīng)氣體可以包括單一反應(yīng)氣體或多種反應(yīng)氣體的混合物，且可以從單一反應(yīng)氣體源或分開的多個反應(yīng)氣體源226通過分開的多個反應(yīng)氣體注入器系統(tǒng)222提供給單一的公共反應(yīng)氣體注入器220或分開的多個公共反應(yīng)氣體注入器220。
公共反應(yīng)氣體注入器220包括公共注入環(huán)220，其在圖4中的截面圖和頂視圖中示出?？梢詾槊糠N反應(yīng)氣體提供單獨的公共注入環(huán)220，或者可以將單一的公共注入環(huán)220用于多種反應(yīng)氣體的混合物的注入。公共注入環(huán)220由具有內(nèi)部空間的管壁結(jié)構(gòu)(tubular-walled structure)形成，經(jīng)過該內(nèi)部空間，該至少一種反應(yīng)氣體從反應(yīng)氣體源226供給至由陣列210中的多個等離子體源212產(chǎn)生的多個等離子體中的每一個。公共注入環(huán)220可以由厚度約5/8英寸(約15.9mm)的不銹鋼管形成。公共注入環(huán)220包括靠近多個等離子體的每一個定位的多個口(未示出)。該多個口的每一個經(jīng)管壁結(jié)構(gòu)從管壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間延伸至公共注入環(huán)220的外表面。該多個口被取向，使得該至少一種反應(yīng)氣體從內(nèi)部空間經(jīng)該多個口通過且進入該多個等離子體的每一個。公共注入環(huán)220包括間隔約0.5英寸(約12.7mm)的螺紋孔，以允許插入具有穿過其加工的口的調(diào)節(jié)螺釘(set screw)。此口可具有約0.040英寸(約1.02mm)的直徑。
公共反應(yīng)氣體注入器220可以具有環(huán)形以外的構(gòu)造。例如，公共反應(yīng)氣體注入器220可以由如上所述的具有多個口的管壁結(jié)構(gòu)形成為單條或其它幾何形狀，例如但不限于三角形、矩形和蜿蜒形。
通常，經(jīng)過一個口或多個口的流率與該口上的壓降ΔP(即公共反應(yīng)氣體注入器內(nèi)的壓強與沉積室204內(nèi)的壓強之差)與該口的流導(dǎo)(conductance)之比成比例流率∝ΔP/流導(dǎo)。
當(dāng)公共反應(yīng)氣體注入器220內(nèi)的壓強與沉積室204內(nèi)的壓強相對恒定時，ΔP恒定。于是，通過提供具有相等數(shù)量的相同直徑的口的公共反應(yīng)氣體注入器220可實現(xiàn)至多個等離子體中的每一個的反應(yīng)氣體的基本相等的流量，該口將至少一種反應(yīng)氣體引導(dǎo)到多個等離子體中的每一個中。由此，對于相等尺寸的口，靠近第一等離子體的口的線密度將基本等于靠近第二等離子體的口的線密度。在ΔP恒定時實現(xiàn)基本相等的流率還可以通過匹配靠近多個等離子體的每一個的多個口的流導(dǎo)來實現(xiàn)。流導(dǎo)也可以通過調(diào)整口的線密度、口直徑、或口長度來匹配。
在某些情況下，在整個公共反應(yīng)氣體注入器220中，壓強可能不恒定。此情形會產(chǎn)生反應(yīng)氣體進入由多個等離子體源212產(chǎn)生的多個等離子體內(nèi)的不相等的流量。例如，引導(dǎo)到由更遠離反應(yīng)氣體源226的等離子體源(圖3中標記為“A”)產(chǎn)生的等離子體中的反應(yīng)氣體的量可以比引導(dǎo)到更靠近反應(yīng)氣體源226的等離子體源(圖3中標記為“B”)中的少。在這些情形下，可以通過改變公共反應(yīng)氣體注入器220中口直徑、口的線密度和多個口的流導(dǎo)中的至少一個來使反應(yīng)氣體到多個等離子體中的每一個的流率相等。例如，通過使公共反應(yīng)氣體注入器220在等離子體源A附近具有比位于等離子體源B附近的口的數(shù)量更多數(shù)量的口，可以使反應(yīng)氣體到由等離子體源A和B產(chǎn)生的等離子體內(nèi)的流率相等。或者，通過使公共反應(yīng)氣體注入器220在等離子體源A附近比在等離子體源B附近具有更大的口的線密度，可以使流率相等。通過使公共反應(yīng)氣體注入器220在等離子體源A附近具有其直徑大于等離子體源B附近的口的直徑的口，可以使反應(yīng)氣體的流率相等。最后，使公共反應(yīng)氣體注入器220在等離子體源A附近具有流導(dǎo)更低的口可以用于使至等離子體源A和B產(chǎn)生的等離子體的流率相等。
在本發(fā)明中，例如，通過以其中未加工有口的常規(guī)螺釘替換具有口的調(diào)節(jié)螺釘中的一些，可以改變沿公共反應(yīng)氣體注入環(huán)220的口的線密度從而使流量相等?？诘牧鲗?dǎo)還可以通過使用具有穿過其加工的口的延長的調(diào)節(jié)螺釘來改變。
一旦被注入到多個等離子體中的每一個內(nèi)，該至少一種反應(yīng)氣體在多個等離子體中的每一個內(nèi)經(jīng)歷至少一種反應(yīng)。這種反應(yīng)可以包括但不限于電荷交換反應(yīng)、離解復(fù)合反應(yīng)、以及分裂反應(yīng)。于是來自該多個等離子體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)的產(chǎn)物結(jié)合，從而在容納在沉積室204中的基板230的表面234上沉積涂層232。基板230可以靜止地安裝于基板座(未示出)上，或與移動致動器(未示出)連接，該移動致動器相對于陣列210移動(或“掃描”)基板230。
以下示例用于說明本發(fā)明提供的特征和優(yōu)點，并非要對本發(fā)明進行限制。
示例1通過比較使用提供有本發(fā)明的公共反應(yīng)氣體注入環(huán)的ETP源陣列沉積在平(即平坦)的聚碳酸酯基板上的涂層與使用提供有獨立反應(yīng)氣體注入器的ETP源陣列沉積的涂層，提供了對本發(fā)明的實驗支持。用其中乙烯基三甲硅烷(VTMS)前體被傳輸至多個獨立ETP源的噴嘴的ETP源陣列獲得的非晶氫化碳化硅(以下稱作“a-SiCH”)涂層的厚度分布與使用設(shè)置有本發(fā)明的公共反應(yīng)氣體注入環(huán)的ETP源陣列以VTMS獲得的a-SiCH涂層的厚度分布比較。圖4中示出了涂層的厚度分布。用本發(fā)明的公共注入環(huán)獲得的涂層的ETP源之間位置處厚度的標準偏差與平均厚度的比(∑/平均)(3％)比使用用于ETP源的每一個的獨立的反應(yīng)氣體注入器獲得的膜的(13％)低。由此，使用本發(fā)明的公共注入氣體環(huán)獲得的涂層表現(xiàn)出比使用獨立反應(yīng)氣體注入器獲得的涂層更高程度的均勻性。
示例2以ETP源陣列獲得a-SiCH涂層的厚度分布，其中八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)反應(yīng)氣體通過本發(fā)明的公共反應(yīng)氣體注入環(huán)提供給由ETP源陣列產(chǎn)生的等離子體。圖5示出了所沉積的涂層的厚度分布。結(jié)果顯示，利用D4的沉積導(dǎo)致涂層具有ETP源間厚度的5％(∑/平均)。于是，通過經(jīng)本發(fā)明的公共注入氣體環(huán)向ETP產(chǎn)生的等離子體提供反應(yīng)氣體D4獲得的涂層表現(xiàn)出較高的均勻性。
示例3由D4和氧氣(O2)的混合物在聚碳酸酯基板上沉積可作為耐磨涂層的非晶氫化碳氧化硅(以下稱作“a-SiOxCyH”)涂層。在一個實驗中，該涂層通過經(jīng)單一公共反應(yīng)氣體注入環(huán)注入D4和O2來沉積。在另一個實驗中，該涂層通過經(jīng)分開的公共反應(yīng)氣體注入環(huán)注入O2和D4來沉積。所沉積的涂層的涂層厚度分布在圖6中比較。圖6中的厚度分布無統(tǒng)計差異，由此說明，單獨的多種反應(yīng)氣體可以通過單一公共反應(yīng)氣體注入器或分開的多個公共氣體注入器提供給由多個ETP等離子體源產(chǎn)生的等離子體，從而獲得高度均勻的涂層。
雖然已經(jīng)為說明的目的展示了典型實施例，但上述介紹不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的范圍的限制。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行各種調(diào)整、應(yīng)用和替換而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍。例如，本發(fā)明不必限于多個ETP源的陣列，而是可以用于任何可用于涂覆大面積基板的多個等離子體源的陣列。
權(quán)利要求
1.一種用于在基板(230)的平坦表面(234)上沉積均勻涂層(232)的設(shè)備(200)，所述設(shè)備(200)包括a)用于產(chǎn)生多個等離子體的多個等離子體源(212)的至少一個陣列(210)，其中所述多個等離子體源(212)的每個包括設(shè)置在等離子體室(202)內(nèi)的陰極(214)、陽極(216)、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口(218)；b)用于容納所述基板(230)的沉積室(204)，其中所述沉積室(204)與所述等離子體室(202)流體連通，且其中所述等離子體室(202)保持在第一預(yù)定壓強，所述沉積室(204)保持在第二預(yù)定壓強，所述第二預(yù)定壓強小于所述第一預(yù)定壓強；以及c)設(shè)置在所述沉積室(204)中用于向所述多個等離子體中的每一個內(nèi)提供均勻流率的至少一種反應(yīng)氣體的至少一個公共反應(yīng)氣體注入器(220)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述多個等離子體源(212)中的至少一個為膨脹熱等離子體源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述至少一個陣列(210)包括所述多個等離子體源(212)的至少一個線性陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述至少一個陣列(210)包括所述多個等離子體源(212)的至少一個二維陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定壓強為至少約0.1大氣壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定壓強為約1大氣壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述第二預(yù)定壓強小于約1乇。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述第二預(yù)定壓強小于約100毫乇。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(200)，其中所述等離子體源氣體包括氬、氮、氫、氦、氖、氪和氙中的至少一種。
10.一種公共反應(yīng)氣體注入器(220)，用于向由多個等離子體源(212)的陣列(210)產(chǎn)生的多個等離子體中注入均勻流量的至少一種反應(yīng)氣體，所述公共反應(yīng)物注入器包括a)反應(yīng)氣體入口，包括具有內(nèi)部空間的管壁結(jié)構(gòu)，所述至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)該內(nèi)部空間自反應(yīng)氣體源供給；b)靠近第一等離子體的第一多個口(240)，所述第一多個口(240)中的每一個經(jīng)過所述管壁結(jié)構(gòu)從所述內(nèi)部空間延伸至所述反應(yīng)氣體入口的外表面，其中所述第一多個口(240)被取向，從而所述至少一種反應(yīng)氣體從所述內(nèi)部空間經(jīng)所述第一多個口(240)通過，并以第一流率被引導(dǎo)至所述第一等離子體中；以及c)靠近第二等離子體的第二多個口(242)，所述第二多個口(242)中的每一個經(jīng)過所述管壁結(jié)構(gòu)從所述內(nèi)部空間延伸至所述至少一個反應(yīng)氣體入口的外表面，其中所述第二多個口(242)被取向，從而所述至少一種反應(yīng)氣體從所述內(nèi)部空間經(jīng)所述第二多個口(242)通過，并以第二流率被引導(dǎo)至所述第二等離子體中，所述第二流率基本等于所述第一流率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一多個口(240)包括具有第一線密度的第一預(yù)定數(shù)量的口，所述第二多個口(242)包括具有第一線密度的第二預(yù)定數(shù)量的口。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一預(yù)定數(shù)量等于所述第二預(yù)定數(shù)量。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一線密度等于所述第二線密度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，所述第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，所述第二流導(dǎo)與所述第一流導(dǎo)相等。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一預(yù)定數(shù)量與所述第二預(yù)定數(shù)量不同。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，所述第二.多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，所述第二流導(dǎo)與所述第一流導(dǎo)不同。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)物注入器，其中所述反應(yīng)物注入器包括圍繞所述陣列(210)的注入環(huán)。
18.一種用于在基板(230)的表面(234)上沉積均勻涂層(232)的設(shè)備(200)，所述設(shè)備(200)包括a)用于產(chǎn)生多個等離子體的多個等離子體源(212)的至少一個陣列(210)，其中所述多個等離子體源(212)的至少一個為膨脹熱等離子體源，其中所述多個等離子體源(212)的每一個包括設(shè)置在等離子體室(202)內(nèi)的陰極(214)、陽極(216)、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口(218)；b)用于容納所述基板(230)的沉積室(204)，其中所述沉積室(204)與所述等離子體室(202)流體連通，其中所述等離子體室(202)保持在第一預(yù)定壓強，所述沉積室(204)保持在第二預(yù)定壓強，所述第二預(yù)定壓強小于所述第一預(yù)定壓強；以及c)設(shè)置在所述沉積室(204)內(nèi)用于向所述多個等離子體中的每一個中注入均勻流量的至少一種反應(yīng)氣體的至少一個公共反應(yīng)氣體注入器(220)，所述公共反應(yīng)氣體注入器(220)包括(i)反應(yīng)氣體入口，包括具有內(nèi)部空間的管壁結(jié)構(gòu)，所述反應(yīng)氣體經(jīng)過該內(nèi)部空間自至少一個反應(yīng)氣體源供給；(ii)靠近第一等離子體的第一多個口(240)，所述第一多個口(240)中的每一個經(jīng)過所述管壁結(jié)構(gòu)自所述內(nèi)部空間延伸至所述反應(yīng)氣體入口的外表面，其中所述第一多個口(240)被取向，從而所述反應(yīng)氣體從所述內(nèi)部空間經(jīng)所述第一多個口(240)通過并以第一流率被引導(dǎo)至所述第一等離子體中；以及(iii)靠近所述第二等離子體的第二多個口(242)，所述第二多個口(242)中的每一個經(jīng)過所述管壁結(jié)構(gòu)從所述內(nèi)部空間延伸至所述至少一個反應(yīng)氣體入口的外表面，其中所述第二多個口(242)被取向，從而所述反應(yīng)氣體從所述內(nèi)部空間經(jīng)所述第二多個口(242)通過并以第二流率被引導(dǎo)至所述第二等離子體中，所述第二流率基本等于所述第一流率。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述第一多個口(240)包括具有第一線密度的第一預(yù)定數(shù)量的口，所述第二多個口(242)包括具有第二線密度的第二預(yù)定數(shù)量的口。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定數(shù)量等于所述第二預(yù)定數(shù)量。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定數(shù)量不同于所述第二預(yù)定數(shù)量。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備(200)，其中所述第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，所述第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，所述第二流導(dǎo)與所述第一流導(dǎo)相等。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備(200)，其中所述第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，所述第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，所述第二流導(dǎo)與所述第一流導(dǎo)不同。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述至少一個公共反應(yīng)氣體注入器(220)包括圍繞所述陣列(210)的注入環(huán)。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述至少一個陣列(210)包括所述多個等離子體源(212)的至少一個線性陣列。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述至少一個陣列(210)包括所述多個等離子體源(212)的至少一個二維陣列。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定壓強為至少約0.1大氣壓。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備(200)，其中所述第一預(yù)定壓強為約1大氣壓。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述第二預(yù)定壓強小于約1乇。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備(200)，其中所述第二預(yù)定壓強小于約100毫乇。
31.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備(200)，其中所述等離子體源氣體包括氬、氮、氫、氦、氖、氪和氙中的至少一種。
32.一種在基板(230)的平坦表面(234)上沉積均勻涂層(232)的方法，該方法包括步驟a)向沉積室(204)提供具有平坦表面(234)的基板(230)；b)將該沉積室(204)抽至預(yù)定的沉積壓強；c)由多個等離子體源(212)的至少一個陣列(210)產(chǎn)生多個等離子體；d)經(jīng)至少一個公共反應(yīng)氣體注入器(220)向該多個等離子體中的每一個中注入至少一種反應(yīng)氣體，從而進入第一等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第一流率基本等于進入第二等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第二流率；e)使該至少一種反應(yīng)氣體和該多個等離子體朝向該基板(230)流入該沉積室(204)內(nèi)；以及f)使該至少一種反應(yīng)氣體與該多個等離子體反應(yīng)從而在該基板(230)的平坦表面(234)上形成該涂層(232)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中該多個等離子體源(212)的至少一個為膨脹熱等離子體源，其具有設(shè)置在等離子體室(202)內(nèi)的陰極(214)、陽極(216)、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口(218)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中使該至少一種反應(yīng)氣體和該多個等離子體朝向該基板(230)流入該沉積室(204)內(nèi)的步驟包括步驟a)保持該沉積室(204)在第二預(yù)定壓強，其中該第二預(yù)定壓強小于該等離子體室(202)中的第一壓強；以及b)使該多個等離子體從該等離子體室(202)朝向該基板(230)膨脹到該沉積室(204)中。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中向該多個等離子體中注入反應(yīng)氣體的步驟包括a)將該至少一種反應(yīng)氣體從反應(yīng)氣體源供給至該至少一個公共反應(yīng)氣體注入器(220)；b)使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過該公共反應(yīng)氣體注入器(220)內(nèi)靠近該第一等離子體的第一多個口(240)和靠近該第二等離子體的第二多個口(242)；c)經(jīng)該第一多個口(240)將該至少一種反應(yīng)氣體以第一流率引導(dǎo)進該第一等離子體內(nèi)；以及d)經(jīng)該第二多個口(242)將該至少一種反應(yīng)氣體以第二流率引導(dǎo)進該第二等離子體內(nèi)，該第一流率基本等于該第二流率。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中該第一多個口(240)包括第一預(yù)定數(shù)量的口，該第二多個口(242)包括第二預(yù)定數(shù)量的口，且其中該第一預(yù)定數(shù)量等于該第二預(yù)定數(shù)量。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中該第一多個口(240)包括第一預(yù)定數(shù)量的口，該第二多個口(242)包括第二預(yù)定數(shù)量的口，且其中該第一預(yù)定數(shù)量與該第二預(yù)定數(shù)量不同。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中該第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，該第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，其中該第一流導(dǎo)等于該第二流導(dǎo)。
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中該第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，該第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，其中該第一流導(dǎo)與該第二流導(dǎo)不同。
40.一種向由多個等離子體源(212)的陣列(210)產(chǎn)生的多個等離子體中注入至少一種反應(yīng)氣體使得進入第一等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第一流率基本等于進入第二等離子體的該至少一種反應(yīng)氣體的第二流率的方法，該方法包括步驟a)將該至少一種反應(yīng)氣體從反應(yīng)氣體源供給至公共反應(yīng)氣體注入器(220)；b)使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過該公共反應(yīng)氣體注入器(220)中靠近該第一等離子體的第一多個口(240)，其中該第一多個口(240)被取向，從而該至少一種反應(yīng)氣體以第一預(yù)定流率被引導(dǎo)至該第一等離子體中；以及c)使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過該公共反應(yīng)氣體注入器(220)中靠近該第二等離子體的第二多個口(242)，其中該第二多個口(242)被取向，從而該至少一種反應(yīng)氣體以第二預(yù)定流率被引導(dǎo)至該第二等離子體中，其中該第二預(yù)定流率基本等于該第一預(yù)定流率。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過該公共反應(yīng)氣體注入器(220)中的第一多個口(240)的步驟包括使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過第一預(yù)定數(shù)量的口，且其中使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過第二多個口(242)的步驟包括使該至少一種反應(yīng)氣體經(jīng)過第二預(yù)定數(shù)量的口。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中該第一預(yù)定數(shù)量與該第二預(yù)定數(shù)量不同。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中該第一多個口(240)的每一個具有第一流導(dǎo)，該第二多個口(242)的每一個具有第二流導(dǎo)，其中該第二流導(dǎo)與該第一流導(dǎo)不同。
44.一種具有沉積在平坦表面(234)上的均勻涂層(232)的基板(230)，其中該均勻涂層(232)通過以下步驟沉積a)向沉積室(204)提供具有該表面(234)的該基板(230)，其中該沉積室(204)與多個等離子體源(212)的至少一個陣列(210)流體連通，其中該多個等離子體源(212)中的至少一個為膨脹熱等離子體源，其具有設(shè)置在等離子體室(202)內(nèi)的陰極(214)、陽極(216)、以及用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口(218)，該等離子體室(202)與該沉積室(204)流體連通；b)將該沉積室(204)抽至預(yù)定沉積壓強，并將該等離子體室(202)抽至預(yù)定第一壓強，其中該預(yù)定沉積壓強小于該預(yù)定第一壓強；c)在該多個等離子體源(212)中產(chǎn)生多個等離子體，且使該多個等離子體流入所述沉積室(204)內(nèi)；d)當(dāng)該多個等離子體流入該沉積室(204)內(nèi)時經(jīng)至少一個公共氣體注入器向該多個等離子體中的每一個內(nèi)注入至少一種反應(yīng)氣體，使得該至少一種反應(yīng)氣體進入第一等離子體中的第一流率基本等于該至少一種反應(yīng)氣體進入第二等離子體中的第二流率；e)使該至少一種反應(yīng)氣體和該多個等離子體朝向該基板(230)流入該沉積室(204)內(nèi)；以及f)使該至少一種反應(yīng)氣體與該多個等離子體的每一個反應(yīng)從而在該基板(230)的該表面(234)上形成該涂層(232)。
全文摘要
一種方法和設(shè)備(200)，用于利用多個等離子體源(212)的陣列(210)和公共反應(yīng)氣體注入器(220)在大面積平坦表面(234)上沉積均勻涂層(232)。設(shè)備(200)包括多個等離子體源(212)的至少一個陣列，其中多個等離子體源(212)中的每一個包括設(shè)置在等離子體室(202)內(nèi)的陰極(214)、陽極(216)和用于非反應(yīng)等離子體源氣體的入口(218)；以及設(shè)置在含基板(230)的沉積室(204)內(nèi)的公共反應(yīng)氣體注入器(220)。公共反應(yīng)氣體注入器(220)借助單一輸送系統(tǒng)向多個等離子體源(212)產(chǎn)生的多個等離子體中的每一個提供均勻流量的至少一種反應(yīng)氣體。該至少一種反應(yīng)氣體與多個等離子體反應(yīng)，從而在基板(230)上形成均勻涂層(232)。
文檔編號C23C16/50GK1764738SQ03826341
公開日2006年4月26日 申請日期2003年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者馬克·謝普肯斯 申請人:通用電氣公司