專利名稱：用于陰極材料連續(xù)沉積的雙陽極交流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及在基底上形成和沉積絕緣膜的反應(yīng)等離子濺射沉積方法，更具體而言涉及使用與至少兩個陽極相連的交流電源的反應(yīng)等離子濺射方法，在濺射過程中所述兩個陽極被驅(qū)動交替呈負(fù)性和正性。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的直流濺射工藝中，靶或陰極必須是導(dǎo)電的，因為到達(dá)靶的離子必須能夠接受來自靶的電子以再次變成中性氣體原子。如果靶是絕緣的，它的表面就會很快被到達(dá)的離子充電，這可能會產(chǎn)生阻滯電勢而使濺射過程停止。另一方面，可以通過和反應(yīng)性背景氣體反應(yīng)化學(xué)形成絕緣體的方式沉積來自金屬靶的絕緣材料膜。這叫做反應(yīng)濺射。商業(yè)上對涉及沉積這種絕緣膜的工藝的興趣逐漸提高。這種工藝的新的應(yīng)用包括耐磨涂層沉積領(lǐng)域；用于微電路或電子設(shè)備如電容器的絕緣膜；復(fù)雜建筑的玻璃涂層；用于建筑玻璃層壓層的聚酯膜上或食品包裝的隔氧層上的涂層；用于高功率電燈或感應(yīng)電爐熱屏蔽的熱反射涂層；用于平板顯示器、包括用于LCD顯示器的ITO玻璃的屏障和功能層的沉積；和種種其它相似的功能應(yīng)用。除此之外，是用于在各種塑料、天然和人造纖維及金屬基底上產(chǎn)生裝飾效果的多種反應(yīng)PVD工藝。
但是，如果反應(yīng)產(chǎn)物是電絕緣體，陽極上就會有問題發(fā)生。因為絕緣膜涂覆反應(yīng)室每個表面，其也一定會涂覆陽極，無論陽極是單獨的部件還是室壁。當(dāng)然，陽極的目的是為了收集來自等離子體的電子以在離子離開去轟擊靶時保持等離子體中性；這些電子形成電源的回程電流。因為陽極表面用絕緣膜涂覆，電子的導(dǎo)電通路也被涂覆，濺射過程無法持續(xù)。這被叫做“消失的陽極”問題。過去，使用單一靶濺射進(jìn)行反應(yīng)過程直到這個效應(yīng)開始產(chǎn)生嚴(yán)重問題，于是打開系統(tǒng)機械刮除在陽極上的令人不快的絕緣層以得到新的金屬表面，或用新的沒有被涂覆的陽極進(jìn)行替換。關(guān)于用絕緣體涂覆陽極的另一個缺點是當(dāng)電子試圖在那里聚集時所述絕緣體一般會充電。這個充電會在陽極的絕緣膜內(nèi)產(chǎn)生電場，這可能會超出膜材料的介電絕緣強度。當(dāng)這種現(xiàn)象出現(xiàn)時就會形成電弧，電弧的能量可能導(dǎo)致部分膜從陽極上脫落，形成粒子，這種粒子可能包含在基底上形成的膜層。這會導(dǎo)致最終產(chǎn)品可能無法接受的缺陷。即使電弧不在陽極產(chǎn)生，上述的充電也會產(chǎn)生電場而影響電子回到陽極。這會因此在大的體系中產(chǎn)生不均一的等離子區(qū)密度，導(dǎo)致沿著延伸的靶面不均一的沉積速度。甚至在電弧導(dǎo)致系統(tǒng)問題之前，任何形成的不均勻的膜厚度都可能從體系中產(chǎn)生無法接受的涂覆產(chǎn)品(如產(chǎn)量損耗)。這個充電不僅限于陽極；由于在靶的濺射區(qū)域外絕緣材料的化學(xué)反應(yīng)或反向散射再沉積，絕緣島也可能在靶(陽極)表面形成。這些絕緣島可以因為離子轟擊而充電并形成電弧和不均勻的電場。
這個問題在2001年2月6日發(fā)布的轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的名稱為“ACPowered System for Continuous Deposition of a Cathode Material”的美國專利6,183,605中被提出，并在此引入作為參考。在該專利中，提供了兩個陽極，每一個都連接到中心抽頭的交流電源的一側(cè)。電源的中央點或“分接點”(tap)連接到單個普通類型的磁控濺射源上。一旦等離子體被建立，一個陽極相對于另一個開始為正性時，第一個陽極就會收集電子。如果有足夠的面積并且沒有磁場，這個陽極的電位就會接近于等離子體的電位。這將在次級變壓器的一半形成從第一陽極流到靶的電流。這些電子與來自等離子體而到達(dá)靶的離子結(jié)合接通電路。同時，由于一半次級電壓，靶相對于等離子體為負(fù)性。這個負(fù)電位吸引來自等離子體的離子濺鍍靶。在變壓器的作用下第二個陽極被驅(qū)動相對于等離子體進(jìn)一步為負(fù)性，并是靶電位的兩倍。這個電極也吸引來自等離子體的離子，導(dǎo)致其表面的濺射，這可以去除之前那里形成的任何絕緣材料的堆積。
同樣，在電源的另外半循環(huán)上，當(dāng)電壓使第二陽極相對于第一陽極變正性時，第二陽極將收集電子，使電位與等離子體電位接近。這會導(dǎo)致在次極變壓器的另一半有電流。由于一半次級電壓，靶相對于等離子體再次為負(fù)，并繼續(xù)被來自等離子體的離子濺射。但是，在該部分循環(huán)上，第一陽極被驅(qū)動為負(fù)性，導(dǎo)致其表面的濺射，去除了當(dāng)它偏壓為正時可能已經(jīng)在那形成的任何絕緣材料的堆積。這樣每一個陽極元件根據(jù)交流電源的極性交替作為真正陽極(電子收集器)和濺射陰極(離子收集器)。
本發(fā)明的一個目的是通過提供用單一中心抽頭的電感器代替變壓器而大大簡化了設(shè)計的濺射系統(tǒng)改進(jìn)‘605專利的反應(yīng)濺射工藝，。
本發(fā)明另一個目的是通過提供完全不依靠磁性的濺射系統(tǒng)改進(jìn)‘605專利的反應(yīng)濺射工藝。這樣的系統(tǒng)具有需要空間少且較便宜的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于反應(yīng)濺射的改進(jìn)設(shè)備，該設(shè)備使用由交流電源驅(qū)動的單一中心抽頭電感器除去在多個陽極上任何絕緣材料的堆積，在所述多個陽極中每一陽極元件根據(jù)交流功率的極性交替地作為真正陽極(電子收集器)和濺射陰極(離子收集器)。在本發(fā)明的另一個實施方案中，電感器被二極管替代，所述二極管在每個陽極為離子收集狀態(tài)期間供給等離子體電流。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中使用交流電源驅(qū)動中心抽頭變壓器的雙靶濺射系統(tǒng)。
圖2所示為結(jié)合本發(fā)明原理的使用交流電源驅(qū)動中心抽頭電感器的雙靶濺射系統(tǒng)；并且圖3所示為結(jié)合本發(fā)明原理的使用交流電源驅(qū)動雙二極管的雙靶濺射系統(tǒng)。
具體實施例方式
圖1顯示了使用交流電源驅(qū)動的中心抽頭變壓器的雙濺射系統(tǒng)，其在轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利6,183,605中有相應(yīng)教導(dǎo)，并在此引入作參考。在室1中放置有基底3、靶4和至少兩個陽極11和12。陽極驅(qū)動供電器14提供交流電壓，該供電器通過陽極變壓器13與兩個陽極分離，這樣當(dāng)陽極11被驅(qū)動為正性時，陽極12被驅(qū)動為負(fù)性，反之亦然。次級變壓器13具有一個分接點，通過該點在從端部去掉的點連接到副線圈。分接點可能在也可能不在變壓器的電中心，以實現(xiàn)等分電壓。當(dāng)陽極供電器14的電壓循環(huán)使陽極11相對于陽極12為正性時，陽極11收集來自等離子體的電子(也就是所說的在“電子收集”狀態(tài))。這將在次級變壓器13的左邊一半產(chǎn)生電流從陽極11流向靶4。這些電子與來自等離子體2到達(dá)靶4的離子結(jié)合接通電路。
同時，在變壓器13和陽極供電器14的作用下，相對于等離子體陽極12被驅(qū)動為負(fù)性，并且這個負(fù)電位吸引額外的來自等離子體的離子(也就是該陽極在“離子收集”狀態(tài))。這些離子導(dǎo)致陽極12表面的濺射，這種陽極12的濺射除去任何絕緣材料的堆積，其在當(dāng)陽極12為正性且因此接近等離子電勢時在交流供電器14的前半循環(huán)上可能已經(jīng)形成。
同樣地，當(dāng)陽極供電器14的電壓循環(huán)使陽極12相對于陽極11為正性時，陽極12將收集來自等離子體的電子。這將在次級變壓器13的右半部產(chǎn)生電流從陽極12流向靶4。這些電子與來自等離子體2到達(dá)靶4的離子結(jié)合形成電路。同時，在變壓器13和陽極供電器14的作用下，陽極11相對于等離子體被驅(qū)動為負(fù)性，這種負(fù)電位吸引來自等離子體的離子，導(dǎo)致陽極11的表面濺射。這種陽極11的濺射除去任何絕緣材料的堆積，其在當(dāng)陽極11為正且接近等離子電勢時可能在供電器14的前半循環(huán)已經(jīng)形成。
這樣每一個陽極元件11和12根據(jù)交流供電器14的瞬時極性交替地作為真正陽極(電子收集器)和濺射陰極(離子收集器)。
參考圖2，示意了使用交流電源驅(qū)動的中心抽頭電感器代替變壓器的雙濺射系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運行和性能與如上所述的變壓器應(yīng)用相同。然而與使用變壓器相比，使用這種單一抽頭電感器節(jié)省空間且花費較少。
圖3圖示了使用交流電源的雙濺射系統(tǒng)，該濺射系統(tǒng)使用一對陰極4連接到二極管接頭的二極管代替變壓器和電感器。這個電路設(shè)計與圖1電路設(shè)計運行方式非常相似。當(dāng)陽極供電器14的電壓循環(huán)使陽極11相對陽極12為正性時，陽極11將收集來自等離子體的電子(即，可以說陽極11是在“電子收集”狀態(tài))。同時，這將由從電源供電器14流經(jīng)二極管D2至靶4的電流所平衡。同時，在電源14的作用下陽極12相對于等離子體被驅(qū)動為負(fù)性，這個負(fù)電勢吸引來自等離子體的額外的離子(即，陽極12是在“離子收集”狀態(tài))。
同樣，當(dāng)陽極供電器14的電壓循環(huán)使陽極12相對于陽極11是正性時，陽極12將收集來自等離子體的電子。這將由自供電器14流經(jīng)二極管D1至靶4的電流平衡。同時，在二極管D1和陽極供電器14的作用下陽極11相對等離子體被驅(qū)動為負(fù)性，這個負(fù)電勢吸引來自等離子體的離子導(dǎo)致在陽極11的表面的濺射。所述陽極11的濺射除去了任何絕緣材料的堆積，其在當(dāng)陽極11是正性且與等離子體電勢相近時可能在交流電源14的前半周期已經(jīng)形成。每一陽極元件11和12根據(jù)交流供電器14的瞬時極性再次交替地作為真正陽極(電子收集器)和濺射陰極(離子收集器)。
本發(fā)明特別參照一個優(yōu)選的實施方式進(jìn)行了詳述。應(yīng)理解的是除以上詳述外，在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的任何變動和修改都可實施。還應(yīng)理解的是在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)可做任何變化、改造、修改和替代。
權(quán)利要求
1.用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其包括a)包含離子和電子的產(chǎn)生等離子體的等離子體室；b)至少兩個置于等離子體室內(nèi)的濺射陽極；c)置于等離子體室內(nèi)極靠近等離子體的靶陰極，其中該靶陰極包括可以響應(yīng)來自等離子體的離子的轟擊由靶陰極濺射的原子，從而在等離子體室中的基材表面成膜；和d)與中心抽頭電感器并聯(lián)在一起的交流電源，所述的中心抽頭電感器具有一個連接到第一濺射陽極的端點、連接到第二濺射陽極的第二個端點和連接到靶陰極以保持靶陰極相對所述的等離子體處于負(fù)電位的電感器的中心抽頭，其中交流電源驅(qū)動每個陽極，交替地在濺射陽極相對于等離子體是負(fù)電位的半循環(huán)內(nèi)呈離子收集狀態(tài)以吸引離子，和在濺射陽極相對于等離子體是小電位或接近等離子體電位的半循環(huán)內(nèi)呈電子收集狀態(tài)以吸引電子。
2.權(quán)利要求1所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中交流電源處于的頻率使靶陰極表面呈現(xiàn)自偏壓電位，該電位相對于等離子體為負(fù)。
3.權(quán)利要求1所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中交流電源有循環(huán)周期，在該循環(huán)周期中至少一個濺射陽極一直處于離子收集狀態(tài)的時間少于等離子體衰減所要求的時間。
4.權(quán)利要求1所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中等離子室含有反應(yīng)性氣體。
5.權(quán)利要求4所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中響應(yīng)于離子轟擊而從靶陰極濺射的原子與反應(yīng)性氣體反應(yīng)以形成并沉積膜。
6.用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其包括a)包含離子和電子的產(chǎn)生等離子體的等離子體室；b)置于等離子體室內(nèi)的至少兩個濺射陽極；c)置于等離子體室內(nèi)極靠近等離子體的靶陰極，其中陰極包括可以響應(yīng)來自等離子體的離子的轟擊從靶陰極濺射的原子，從而在等離子體室中的基材表面成膜；和d)與一對串聯(lián)的二極管并聯(lián)的交流電源，所述二極管中第一二極管的陰極連接到第一濺射陽極，第二二極管的陰極連接到第二濺射陽極，且第一個和第二二極管的陽極接頭連接到靶陰極以維持靶陰極相對于所述的等離子體處于負(fù)電位，其中交流電源驅(qū)動每一個濺射陽極，交替地在陽極相對于等離子體是負(fù)電位的半循環(huán)內(nèi)呈離子收集狀態(tài)以吸引離子，和在陽極與電源電壓相比相對于等離子體電位要小、且在任一個濺射陽極處于離子收集狀態(tài)時提供等離子體電流的半循環(huán)內(nèi)呈電子收集狀態(tài)以吸引電子。
7.權(quán)利要求6所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中交流電源處于的頻率使靶陰極表面呈現(xiàn)相對于等離子體為負(fù)的自偏壓電位。
8.權(quán)利要求6所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中交流電源有循環(huán)周期，在該循環(huán)周期中至少一個濺射陽極一直處于離子收集狀態(tài)的時間少于等離子體衰減所要求的時間。
9.權(quán)利要求6所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中等離子體室含有反應(yīng)性氣體。
10.權(quán)利要求9所述的用于陰極材料濺射沉積的設(shè)備，其中響應(yīng)于離子轟擊而從靶陰極濺射的原子與反應(yīng)性氣體反應(yīng)形成并沉積膜。
全文摘要
本發(fā)明提供在連續(xù)操作模式下用于絕緣材料濺射沉積的設(shè)備1，所述設(shè)備使用至少兩個濺射陽極(11，12)和連接到中心抽頭導(dǎo)體以維持該靶陰極(4)相對等離子體(2)處于負(fù)電位的陰極(4)，其中交流電源(14)驅(qū)動每個陽極(11，12)，交替地在濺射陽極(11，12)相對等離子體是負(fù)電位時的半循環(huán)內(nèi)呈離子收集狀態(tài)以吸引離子，和在濺射陽極(11，12)相對于等離子體(2)是電位小或接近等離子體(2)電位的半循環(huán)內(nèi)呈電子收集狀態(tài)以吸引電子。在一個替代的實施方案中，中心抽頭導(dǎo)體用一對串聯(lián)連接的二極管代替。
文檔編號C23C14/35GK101084325SQ200580043073
公開日2007年12月5日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者E·西摩, R·A·肖勒 申請人:先進(jìn)能源工業(yè)公司