專利名稱：沉積材料形成鍍層的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁控濺射離子鍍的物理汽相沉積技術(shù)的設(shè)備，也就是說以原子和/或 離子形式，通過電火花將材料沉積到一個接收基底上，例如在上面形成鍍層。
背景技術(shù)：
濺射是一個眾所周知的工藝，在一個低氣壓氣的環(huán)境下，一個輝光放電的陰極作 為在輝光放電中產(chǎn)生的離子的目標(biāo)。這些離子被一個電場加速向目標(biāo)運(yùn)動。它們對目標(biāo)的 撞擊置換了所述目標(biāo)表面上的微粒；這些微粒被沉積在一個適當(dāng)放置的基底上形成鍍層。 已經(jīng)知道的是，所述輝光放電的密度可被磁控效應(yīng)顯著增大，磁控效應(yīng)導(dǎo)致電離的電子被 束縛在一個區(qū)域中，在這個區(qū)域里，電場和一個附加的磁場正交。這就是磁控濺射的基礎(chǔ)， 磁控濺射的沉積速率約是那些非磁控電極的十倍，而且使得濺射能在更低的氣壓下發(fā)生。 放置磁鐵為了在目標(biāo)中間或者表面上產(chǎn)生磁力線。離子鍍是一個公知的工藝，在一個真空設(shè)備中產(chǎn)生的金屬蒸汽被沉積到基底上， 同時(shí)基底被離子轟擊。所述離子轟擊提高了鍍層的粘附程度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。所述離子鍍的金屬蒸汽可以用包含濺射在內(nèi)的多種技術(shù)產(chǎn)生。如果在離子鍍中， 濺射被用作所述蒸汽源，這種技術(shù)就叫做濺射離子鍍。如果，在離子鍍中，磁控濺射被用作 所述蒸汽源，這種技術(shù)就叫做磁控濺射離子鍍。在離子鍍中，沉積過程中轟擊樣本的離子可以用多種方法產(chǎn)生。在基本的離子鍍 方法中，離子是由把樣本作為陰極的異常輝光放電方法產(chǎn)生的。這是一種低效的工藝，一般 每1000個原子中有1個在一次異常輝光放電中被電離。流向樣本的離子流是微弱的，并且 即使樣本被施加一個大的負(fù)電壓，也不足以產(chǎn)生在許多應(yīng)用中所需要的致密鍍層。所述電離可以用多種方法加強(qiáng)。比如，可以通過一個熱燈絲和一個相對于所述燈 絲是正極的電極來增加電離電子，或者一個中空的陰極也能被用于提供豐富的電子。相比于用額外的燈絲和電極提高電離度，用本身就能作為電離源的蒸汽源更方 便。一個熱燈絲電子槍汽化器，一個電阻加熱坩鍋和一個簡單的二極管濺射電極普遍用作 產(chǎn)生一些額外電離的沉積源。另一方面，空心陰極電子槍，輝光放電電子槍和電弧源都能產(chǎn) 生超過50%電離度的強(qiáng)電離而無需附加電離，并且因此能在電離鍍設(shè)備中被用于產(chǎn)生致密 鍍層。磁控濺射電極已經(jīng)被用在離子鍍設(shè)備中，而且它們確實(shí)能夠增強(qiáng)電離，但在過去 這并沒有有效影響鍍層的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生致密鍍層。一個最近的發(fā)展是用一個具有內(nèi)部磁體和 外部磁體，并且外部磁場的場強(qiáng)比內(nèi)部磁場的場強(qiáng)要高很多的不平衡磁控管。外部磁體產(chǎn)生的額外磁場線束縛電子從所述的磁控放電中逃脫，并且阻止它們移 向腔體的不同的接地部分。這些電子在加電偏壓的基底附近引發(fā)電離，并且產(chǎn)生的離子由 于基底偏壓被吸附到基底，基底接收到了比平衡磁控情況下更大的離子流。然而，所述的電 離度仍然低于沉積致密鍍層所需的水平，除非外部磁體被制造成格外的強(qiáng)大。因此，已經(jīng)清楚的是，現(xiàn)有許多產(chǎn)生濺射或者離子鍍用的離子的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的磁控濺射離子鍍設(shè)備，帶有更高的有用離子的密度。根據(jù)本發(fā)明，第一個方面，這里提供了一個磁控濺射離子鍍設(shè)備包含一個磁控濺 射離子鍍設(shè)備包括電場裝置，用于產(chǎn)生一個指向一個待鍍層的基底的電場和磁場裝置，所 述磁場裝置包括至少兩個磁控管和/或磁體組件，每一個都具有內(nèi)部部分和相反極性的外 部部分，其特征在于所述磁控管和/或磁體陣列設(shè)置為一個磁控管和/或磁體組件的外部 部分和其他，或另一個磁控管和/或磁體組件的外部部分，放置在相鄰位置。并且，至少一 個所述磁控管或磁體組件具有相反極性。在一個實(shí)施例中，所述磁控管和/或磁體組件排 列成毗連的磁控管和磁體組件有相反極性的外圓環(huán)。內(nèi)部的極可以是一個單一的磁條，或者是一條或者是一組磁條。該外部“環(huán)形”極 可由一個單一磁體或者許多并排分離的磁體產(chǎn)生?！碍h(huán)”不需要是圓柱狀的或是圓形的。但 是，可以是正方形或者其他合適的形狀。兩個磁控管和/或磁體組件由磁通量建起的聯(lián)系把電子束縛在設(shè)備中，并且增加 發(fā)生的電離數(shù)量。因此，我們可以提供實(shí)際的磁控濺射離子鍍設(shè)備，該設(shè)備通過平衡磁控或 者不平衡磁控管或帶有中度場強(qiáng)的外部磁體的磁體組件可以顯著增大電離。優(yōu)選地，所述外部，環(huán)，極相對于待鍍層的基底的位置是有角度地放置的，使它們 在那個基底上呈一個大角度。所述設(shè)備可以包括多個磁控管和/或磁體組件，該磁控管和 /或磁體組件毗連的外部極或端部具有相反極性的。所述磁控管和/或磁體組件優(yōu)選地是 環(huán)繞基底的，并且基底可以大概在所述磁控管和/或磁體組件的中心位置。優(yōu)選地，它們是 在基底周圍的一個多邊形或者環(huán)形等角的位置。在一個實(shí)施例中，安排一個磁控管，然后一 個磁體組件，再是一個磁控管，依此類推。在基底和磁控管和/或磁體組件之間，電場沿著半徑擴(kuò)展。所述基底作為一個負(fù) 電勢，基底的負(fù)電勢范圍從0到一個相當(dāng)高的值，比方說。1000V。磁控極包含一個產(chǎn)生離子的源材料的目標(biāo)優(yōu)選地，有偶數(shù)個磁控管和/或磁體組 件。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括一個泵口，來控制設(shè)備中的電離化氣體，比如在氬氣，的 壓強(qiáng)。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明包括一種磁控濺射離子鍍的方法，其中多個磁 控管和/或磁體組件之間的磁通包含一個閉環(huán)，該閉環(huán)束縛幾乎所有進(jìn)入到環(huán)內(nèi)的電子。用這種方式，電鍍設(shè)備的離子密度顯著增加。 在一個實(shí)施例中，提供所述裝置一系列磁控管。可替換地，所述裝置被提供了磁控 管和磁體組件，所述磁體組件位于對應(yīng)的磁控管之間。在每種方案中，磁控管和磁體組件外 部部分的極性是根據(jù)本發(fā)明所描述的情況來選擇的。在一個實(shí)施例中，所述方法包括清洗 待鍍層的基底并且沉積材料在其上的過程。在一個實(shí)施例中，所述基底被清洗，一個黏附的材料涂層被涂上，另一個涂層在之 后也被涂上。本申請所描述的設(shè)備允許改進(jìn)的將鍍層材料應(yīng)用到設(shè)備中的基底，同時(shí)阻止電子從鍍層腔體中逃脫。所提供的具有一個與相鄰磁控管或磁體組件的外部部分相反極性的外 部部分的磁控管和/或磁體組件，意味著電子被持有在基底或有待鍍層的基底所處位置的 鍍層腔體內(nèi)。這確保了所被實(shí)現(xiàn)的鍍層具有高質(zhì)量。這也保證了在先于鍍層的在基底上操 作的初始清洗過程中，基底能被更高效地清洗，從而使得鍍層材料對基底的應(yīng)用和粘附得 以改進(jìn)。

本發(fā)明的實(shí)施例由具體的例子來描述，參考下面的附圖圖la和b圖示描繪了一個磁控濺射離子鍍設(shè)備，包含兩個磁控管，并且描繪了根 據(jù)本發(fā)明的磁性的設(shè)置圖2圖示描繪了另一個設(shè)備，并且顯示了在兩個磁控管相鄰的時(shí)候的磁性設(shè)置圖3描繪了一個磁控濺射離子鍍設(shè)備的實(shí)際方案圖4顯示了圖3中的實(shí)施例較之一個已知的設(shè)備在離子流大小方面的提高圖5描繪了本發(fā)明的另一個實(shí)際實(shí)施例圖6顯示了同圖3相似但已改進(jìn)的磁控濺射離子鍍設(shè)備圖7顯示了本發(fā)明的另一個實(shí)施例圖8顯示了一個有四個磁極組件的磁控濺射離子鍍設(shè)備圖9描繪了一個流向基底 的離子流同偏壓的關(guān)系圖9描繪了一個流向基底的離子流同偏壓的關(guān)系圖10描繪了圖8中的設(shè)備的一種變體具體實(shí)施方式
圖la和b和圖2圖示顯示了本發(fā)明的基本概念。在圖la和b中，兩個磁控管1 和2各有一個外部環(huán)磁體3和一個中心核磁體4。在圖la，可以是一個實(shí)際設(shè)置，磁控管1 的外部磁體3是一個“南”極，并且所述內(nèi)部中心核磁體4也具有“北"極(在它們的場中 接近一個基底7)。磁控管2的外部磁體5是北極，它的核6是南極(它們的場中接近有基 底7)因此，磁控管1和2的磁場線形成一個連續(xù)的障礙，束縛那些從磁控管等離子區(qū)飄移 出的電子。圖la和b也顯示了待鍍層的基底7，覆蓋了所述磁控極暴露面的源材料的目標(biāo)靶 8，以及磁場B，磁場具有一個軟的鐵底板來完成它們的內(nèi)磁場電路。從圖la和b中可以看出，所述磁場8完全包圍基底7，并且形成了一個束縛電子的 環(huán)。因?yàn)殡娮訜o法逃脫設(shè)備，所以他們可以提高基底的電離，創(chuàng)造比之前技術(shù)更高的電離密度。圖2顯示了鄰近放置的兩個磁極組件，磁通B仍然連同了兩個組件之間的空隙，并 且阻止了電子從它們的空隙中逃脫。至于圖3，描繪了一個本發(fā)明的一個實(shí)際形式，基底7位于三角形中心，3個磁極組 件10，11，12在空間上大致等角地放置在基底7周圍。磁控管10和12，11和12鄰近的外 部磁體組件具有相反的磁性。一個泵口 17位于兩個鄰近且有相同性極的磁體組件10和11 之間。磁場線18在磁控管10和12，11和12的鄰近端擴(kuò)展，并且阻止電子從磁控管10和12，11和12之間的空隙逃脫，因此電子無法從設(shè)備的接地部分逃離，除了在泵口的區(qū)域 在設(shè)備的腔室內(nèi)沖入惰性氣體，比如氬氣，電子在腔內(nèi)被一個施加在磁控目標(biāo)靶8的電勢 差加速去電離氣體，產(chǎn)生更多的電子和氬離子。所述氬離子在腔室內(nèi)轟擊源材料靶8，。并 且產(chǎn)生源材料的鍍層。氬離子也轟擊基底。磁場線B形成了一個連續(xù)的障礙，阻止電子從 磁控放電中漂移，并且保證了這些電子在完成它們的提高被施加負(fù)電偏壓的基底的輝光放 電的有效功能之前不會從設(shè)備中消失，增加流向基底的離子流。要指出的是，在每一個例子 中，顯示的一個或者多個磁控體可以被一個具有相同磁性設(shè)置的磁體組件所代替，以維持 磁通。圖4描繪了本發(fā)明所能達(dá)到的提高效果。線X表明在圖3中所述的離子流與不同 的偏壓電壓的關(guān)系，該圖是在類似圖3情況下，但每個磁控極組件是相同的(例如，具有外 部磁體組件的所述三個磁控管都具有南極磁性，就像磁控體10和11之間那樣)，這樣在鄰 近的磁體間沒有磁通。Y線顯示了圖3實(shí)施例的離子流遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高。因?yàn)猷徑M件之間的磁 通束縛了電離化的電子。圖5顯示了磁控濺射設(shè)備的另一個實(shí)施例。四個磁控管20在基底7為中心的圓 環(huán)周圍等角地放置。每個磁控管都和圖1描述的磁控管類似，且類似組件具有類似的參考編號。提供了一個泵口(圖中未顯示)在所述四個磁控管平面的外面。例如所述設(shè)備在 整體上可以是塵箱的圓柱形狀。所述泵口在塵箱的底部，磁控管和基底在底部上面。磁場B在基底周圍形成一個連續(xù)圓環(huán)，且把電子束縛在環(huán)內(nèi)。因?yàn)榇艠O組件為偶 數(shù)，磁通環(huán)是完整的。磁控管和/或磁體組件是偶數(shù)個是具有優(yōu)勢的。六個或者八個磁極 組件也被認(rèn)為是好的配置數(shù)，但是如果需要，可以提供更多。鄰近的磁體具有相反極性的外 部磁體組件。圖6描繪了和圖3類似的一個設(shè)備，但是是經(jīng)過修改的，減少了在泵口附近的兩個 磁極組件之間的區(qū)域的電離化的電子的流失。相似的組件被標(biāo)識為相似的參考數(shù)字。一個 電極部件25設(shè)置在磁體10，和11，的相同極性的鄰近的極之間。部件25提供了與這兩個 相似鄰近的極相反極性的一個額外的磁極。部件25包含一個磁體26和一個鐵磁性材料的 帽27。電極部件25在一個漂浮電勢上(相對于地勢)。從磁體10'和11'發(fā)散出的磁場 線被磁電極25吸附，并且提供了一個束縛電子的閉環(huán)。圖6所示的額外磁電極可以被放置在一個鍍層設(shè)備中具有相似極性的相鄰磁電 極之間，提供了一個阻礙電子從磁控放電脫離的障礙。增大了電離強(qiáng)度和流向加偏壓的基 底的離子流。圖7示出了本發(fā)明的另一個實(shí)施例，有六個磁極組件，每個相鄰?fù)獠看艠O組件具 有相反極性。圖8示出了一個具有四個磁極組件30，31，32和33的磁控濺射離子鍍設(shè)備磁極組 件30和32具有相反極性，但是磁極組件33則有和磁極組件30和32鄰近的磁極和磁體組件30和32具有相同極性。一些磁場線線34沒有閉合，脫離設(shè)備。然而，磁極組件31和33也有連接相反極性的區(qū)域的磁場線35。一個適當(dāng)程度的 閉合磁場仍然存在，我們?nèi)阅苓_(dá)到增加電離的目的。一個圖8設(shè)備的變體在圖10中顯示出來，將在下面討論[0053]磁體組件數(shù)量為偶數(shù)，相鄰組件具有相反極性是優(yōu)選的(如圖5和圖7的實(shí)施 例)，但是另外的一些設(shè)置也能有效工作圖9比較了不同磁控濺射離子鍍設(shè)備的性能。S軸表示施加到基底的偏壓(單位 是伏特)，T軸表示到基底目標(biāo)的離子流。線40到45表明磁控設(shè)備性能有以下特征線40，三個磁極組件(平衡)，具有相同極性，用鐵磁性磁條線41，三個磁極組件(不平衡)，具有相同極性，用鐵磁性磁條線42，三個混合或可變極性的磁極組件(不平衡)，用鐵磁性磁條(如圖3中的實(shí) 施例)線43，三個混合或可變極性的磁極組件(不平衡)，用鐵磁性磁條，增加了一個虛 擬的或者額外的磁極組件(如圖6的實(shí)施例)線44，四個混合或可變極性的磁極組件(不平衡)，用鐵磁性磁條線45，四個混合或可變極性的磁極組件(不平衡)，用NdFeB磁條“混合”極性磁控管對提高電離的效果是明顯的，即便用的是鐵磁性磁條這種相對 微弱的磁體。如果用更強(qiáng)的磁性材料，如NdFeB磁體，電離提高的效果將更大。圖3和圖5顯示了三個或者四個磁控管的安排，被用于沉積氮化鈦和其他硬的鍍 層。由“混合”磁控管產(chǎn)生的高電離效應(yīng)在沉積高黏附性能和硬致密結(jié)構(gòu)的鍍層中起重要 作用。在一個實(shí)施例中，所述方法包括在使用材料之前清洗基底的步驟。這個方法的目的 是提供一個高質(zhì)量的致密結(jié)構(gòu)和良好黏附性能的鍍層。根據(jù)本發(fā)明，在一個例子中所述方 法包括在一個標(biāo)準(zhǔn)的處理過程，如圖5中所述的四個Ti目標(biāo)靶，沉積一個化合物鍍層例如， TiN?？梢酝ㄟ^施加低電壓到磁控管，而施加一個高偏壓到基底上，基底被高能氬離子 轟擊，得到良好的黏附性能。因?yàn)閺腃F設(shè)備的等離子提高，轟擊強(qiáng)烈的，并且產(chǎn)生有效的清 洗。磁控管上的能量增加，而基底上的偏壓減少是為了在最佳條件下沉積。第一粘附層是 Ti，大約0. 2微米厚，然后引入氮，產(chǎn)生氮化物的鍍層。在許多先進(jìn)的電鍍中，兩個或者三個化合物鍍層被加上去，通常是復(fù)合層的形式。 一個同本發(fā)明結(jié)合的是一個CrAITiN鍍層的應(yīng)用。如圖5，如果提供四個磁控管，并且進(jìn)行 離子清洗(如上)，增加磁控管的能量，并減少基底的偏壓。這創(chuàng)造了一個CrAITi合金的粘 附層。這種合金鍍層通常有高度應(yīng)壓力，可以導(dǎo)致粘附失敗。如果粘附層是一個單元素金 屬會好很多。在這種情況下，離子清洗，兩個Cr目標(biāo)靶被加能，這些Cr目標(biāo)靶能量的增加， 沉積一個0.2微米的Cr粘附層。并且Al，Ti目標(biāo)靶加能，同時(shí)引入氮。在這個過程中，有 效的離子清洗以及Cr粘附層被沉積，這對于取得最好結(jié)構(gòu)是非常重要的圖8展示了一種合適的設(shè)置Cr目標(biāo)靶31、33具有相反極性，30A1和32Ti都是南 極，因而圖8所示的在許多先進(jìn)電鍍中的各種設(shè)置是可取的設(shè)置。對于另外的鍍層，例如， Graph it iC(TM。Teer CoatingsLtd涂層有限公司)鍍層，Cr目標(biāo)靶應(yīng)用于31和33位置， 用于離子清洗，沉積粘附層，并且碳目標(biāo)靶用于30和32位置。因此，根據(jù)本發(fā)明，所述設(shè)備可以被用于基底離子清洗，第一粘附層的應(yīng)用。然后， 接著改變設(shè)備操作參數(shù)。執(zhí)行將主要的材料沉積到基底在其上產(chǎn)生所需的鍍層。在一個進(jìn)一步的實(shí)施例中，設(shè)備在電鍍設(shè)備頂部和底部提供電離化電子逃脫的通 道。在這個實(shí)施例中，在設(shè)備頂部和底部，電板處于一個浮動電勢上。[0068]在一個實(shí)施例中，利用設(shè)備的方法包括在離子清洗之后，用相反極性配置的磁控 體目標(biāo)31和33沉積一個粘附層，并且從磁控體目標(biāo)30和32上沉積材料。圖10顯示了這
些設(shè)置。在這種情況下，沉積僅從目標(biāo)靶30和32來，其中一個外部磁極的設(shè)置為一種極 性，而另一個的外部磁極有相反極性。這樣的極性設(shè)置是有利的，如圖10所示。在這種情況下，31和33被提供了不同極性，如圖所示。且30和32也被設(shè)置為相 反極性。這對于沉積某些鍍層例如MoST沉積是重要的，例如31和33可用于Ti目標(biāo)，沉積 一層硬底層TiN。然后，我們可用30和32作為MoS2目標(biāo)，在低能狀態(tài)下，沉積和一個Ti目 標(biāo)相連的MOST。所述對基底的離子轟擊是由于那些由基底附近的輝光放電產(chǎn)生的且因施加 在基底的負(fù)電偏壓而被吸引至基底上的離子造成的。所述偏壓可以是一個直流電壓，或者 是一個射頻功率(RF)也可以被施加到基底上以產(chǎn)生感生負(fù)電壓。當(dāng)基底是一個電絕緣材 料和/或鍍層材料是電絕緣時(shí)，所述的射頻技術(shù)是必要的。但是，在基底和鍍層材料是導(dǎo)電 的情況下也能被使用。由混合磁極設(shè)置帶來的增強(qiáng)的電離所產(chǎn)生的鍍層黏附性能和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)在DC 和RF基底偏壓下都能產(chǎn)生。
權(quán)利要求一個沉積材料形成鍍層的設(shè)備包括電場裝置，用于產(chǎn)生一個指向一個待鍍層的基底(‘77‘)的電場(E)和磁場裝置(1，2；10，11，12；20)，所述磁場裝置包括至少兩個磁控管(1，2；10，12)和/或磁體組件，每一個都具有內(nèi)部部分和相反極性的外部部分，其特征在于所述磁控管和/或磁體陣列設(shè)置為一個磁控管和/或磁體組件(1；10)的外部部分和其他，或另一個磁控管和/或磁體組件(2；12)的外部部分，放置在相鄰位置；并且，至少一個所述磁控管或磁體組件的外部部分具有相對于其他或另一個磁控管和/或磁體組件的外部部分的極性的相反極性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于磁控管和/或磁體組件被設(shè)置為，鄰近的磁 控管和磁體組件具有相反極性的外部環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于外部極放置的角度相對于待鍍層的基底 (7 ；7’ )的位置放置，使它們在基底上成一個大角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備包括多個磁控體和磁體組件， 它們鄰近的外部部分具有相反極性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的設(shè)備，其特征在于所述磁控管和/或磁體組件(1， 2 ；10,12)放置在所述基底的周圍，并且基底一般在這些磁控管的中心位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述磁控管和/或磁體組件是在所述基底 周圍一個多邊形或者環(huán)上的等角的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于有偶數(shù)個磁控管和/或磁體組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于至少有3個或者4個磁控管和/或磁體組件。專利摘要本實(shí)用新型涉及產(chǎn)生并且維持一個閉合場的設(shè)備，所述設(shè)備提供磁控管和/或磁體組件以在一個有待鍍層的基底所處位置的一個鍍層腔體內(nèi)產(chǎn)生一個磁場。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，至少提供兩個磁控管和/或磁體組件，每一個都具有內(nèi)部部分和相反極性的外部部分。所述磁控管和/或磁體陣列設(shè)置為一個磁控管和/或磁體組件的外部部分和其他，或另一個磁控管和/或磁體組件的外部部分，放置在相鄰位置。并且，至少一個所述磁控管或磁體組件具有相反極性。
文檔編號C23C14/35GK201614406SQ20082011236
公開日2010年10月27日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者丹尼斯·梯爾 申請人:梯爾涂層有限公司