專利名稱：磁控管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及磁控管型等離子體發(fā)生裝置(即磁控管)，這種裝置能夠以比由過去已知的磁控管型等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生的等離子體更為均勻的密度保持等離子體。
在本領(lǐng)域中磁控管已經(jīng)為人熟知許久，并被用于例如蝕刻、表面處理、和等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸氣沉積(“PECVD”)。PECVD在本領(lǐng)域中也是熟知的。在美國專利US-5298587；US-5320875；US-5433786；和US-5494712(均授予“Hu等人”)中可以找到PECVD裝置的示例，上述專利中的教導(dǎo)內(nèi)容以引用方式結(jié)合在本申請中。
如在《等離子體處理技術(shù)手冊》(Noyes出版，1990)第6章所述，磁控管是通常以二極管模式使用的一種冷陰極放電裝置。在毫乇壓力下施加直流或射頻高壓可以在陰極與陽極之間激發(fā)等離子體。由于離子轟擊從陰極發(fā)射的二次電子穿過陰極鞘加速進(jìn)入等離子體區(qū)所引起的電離作用使等離子體得以保持。磁控管陰極與常規(guī)的二極管陰極的區(qū)別在于施加了磁場。磁控管中的磁場取向使得該磁場的一個(gè)分量平行于陰極表面。磁場的局部極化方向使得發(fā)射的二次電子的ExB漂移路徑形成一個(gè)閉環(huán)。由于與直流或射頻二極管裝置相比，這種ExB位移環(huán)路增強(qiáng)了對于二次電子的禁閉，所以等離子體密度要比常規(guī)的射頻或直流二極管等離子體高得多，一般為一個(gè)數(shù)量級或更高。等離子體高密度和接近陰極的結(jié)果是在相對較低的電壓放電情況下產(chǎn)生大電流。
Hu等人提出了一種在基板表面形成耐磨蝕保護(hù)涂層的方法。按照Hu等人教導(dǎo)的方法，使用一種采用磁約束電極的PECVD方法激發(fā)有機(jī)硅化合物與過剩氧量的聚合反應(yīng)，所施加的功率密度為106至108焦耳/千克，其中所用基板具有適合的表面以使等離子體處理的聚合產(chǎn)物粘附在基板表面。在Hu等人的發(fā)明中，磁約束電極應(yīng)用了具有足夠強(qiáng)度的磁體以產(chǎn)生至少100高斯的磁場。
在本領(lǐng)域中人們還熟知，當(dāng)在涂覆一塊基板的處理如在PECVD處理中使用磁控管時(shí)，難以獲得均勻厚度和高質(zhì)量的涂層。質(zhì)量的一個(gè)方面是指涂層在厚度和寬度兩個(gè)方向上具有均勻的化學(xué)組成。為了獲得均勻厚度和質(zhì)量的涂層，必須相對于電極移動基板。對于較大的基板尤其如此。但是相對于電極移動基板使得處理量降低。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，能夠更加容易地獲得更為均勻(厚度和質(zhì)量)的涂層，特別是對于較大的基板。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包含多個(gè)磁體的一種電極，所說磁體的同性磁極全部朝向基本相同的方向。每一磁體在同一磁體的兩個(gè)相反磁極之間產(chǎn)生一個(gè)磁場。每個(gè)磁場具有平行于電極表面的一個(gè)分量。本發(fā)明的電極與現(xiàn)有技術(shù)的電極相比每單位數(shù)量的磁體具有更多的閉環(huán)ExB漂移路徑。本發(fā)明的電極能夠在電極表面產(chǎn)生更為均勻的等離子體。此外，本發(fā)明的電極與現(xiàn)有技術(shù)的電極相比能夠產(chǎn)生更高密度的等離子體。根據(jù)本發(fā)明，可以將多個(gè)磁體(即兩個(gè)或更多)按照各種構(gòu)型排列以構(gòu)成能夠產(chǎn)生更強(qiáng)、更均勻的等離子體的大電極。
根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及使用本發(fā)明的電極的一種改進(jìn)的等離子體發(fā)生裝置。根據(jù)再一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的產(chǎn)生等離子體的方法和一種改進(jìn)的涂覆各種基板的方法。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所說電極為一平面電極，它包括兩個(gè)或多個(gè)磁體，這些電極排列成使所說磁體的同性磁極位于平行于所說平面電極所在幾何平面的一個(gè)幾何平面內(nèi)，所說磁體的極性垂直于所說平面電極的幾何平面，每個(gè)磁體產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場具有平行于所說電極幾何平面的一個(gè)分量。


圖1為本發(fā)明等離子體裝置的示意圖。
圖2為本發(fā)明電極的分解圖。
圖3為圖2所示電極的另一個(gè)視圖。
圖4為本發(fā)明另一種電極的視圖。
圖5為用于本發(fā)明電極的磁體的一種排列方式圖。
圖6為用于本發(fā)明電極的磁體的另一種排列方式圖。
圖1表示本發(fā)明的一種裝置，這種裝置能夠有效地利用本發(fā)明的電極。該裝置包括一個(gè)反應(yīng)容器10，氣體反應(yīng)物可以從反應(yīng)物源11、12、13和14通過質(zhì)量流量控制器15、16、17和18導(dǎo)入所說反應(yīng)容器中。如果需要的話，可以在將來自所說的各個(gè)反應(yīng)物源的不同氣體和蒸氣導(dǎo)入所說反應(yīng)容器之前將它們在一個(gè)混合器19中進(jìn)行混合。
在反應(yīng)容器10中設(shè)置有一對相對的電極20和21。待處理的基板放置在電極20與21之間。電極21，即陰極，與一個(gè)變頻電源22相連。電極20可取的是通過反應(yīng)容器壁接地。氣體反應(yīng)物通過氣體傳輸管線23傳輸?shù)饺萜鲀?nèi)部?？扇〉氖?，將反應(yīng)容器10與用于將容器10抽成真空的一個(gè)抽真空系統(tǒng)24相連。反應(yīng)容器還可以裝備監(jiān)測裝置，如一個(gè)光學(xué)監(jiān)測器25以確定涂層的厚度。
優(yōu)選的是，電極20和21都按照本發(fā)明構(gòu)成。但是，并不必須要求兩個(gè)電極都按照本發(fā)明構(gòu)成。如果只有一個(gè)電極實(shí)施了本發(fā)明，則可取的是電極21，即陰極，實(shí)施本發(fā)明。
在操作時(shí)，在以預(yù)定流率通過傳輸管線23將氣體反應(yīng)物(例如有機(jī)硅化合物和氧氣)和惰性氣體(如果需要的話)導(dǎo)入反應(yīng)容器之前，首先使用真空泵24將反應(yīng)容器10抽真空。當(dāng)氣體流率穩(wěn)定時(shí)，將變頻電源22調(diào)整到預(yù)定值以產(chǎn)生等離子體，使反應(yīng)物在基板上形成薄膜。
圖2為本發(fā)明的電極21的一個(gè)分解圖。在圖2中，條形磁體30設(shè)置在底板32上?？扇〉氖?，磁體30能夠粘結(jié)在底板32上。在磁體30上設(shè)置有一個(gè)蓋板31。蓋板31上可以任意地形成一些孔或槽以使氣體反應(yīng)物和惰性氣體(如果有的話)能夠通過電極，如美國專利US-5433786中所教導(dǎo)的那樣。
本發(fā)明的一個(gè)重要特征是本發(fā)明的電極中每個(gè)磁體的每個(gè)磁極與同一磁體上的相反磁極之間產(chǎn)生一個(gè)磁場。這種情形表示在圖3中，其中每個(gè)磁體的北磁極與同一磁體的南磁極形成一個(gè)磁場33。每個(gè)磁體30產(chǎn)生的磁場33有一個(gè)分量34平行于電極表面。與同一磁體的相反磁極形成一個(gè)磁場的每個(gè)磁體生成至少一個(gè)閉環(huán)ExB漂移路徑。
因此，本發(fā)明電極中的磁體的構(gòu)造使得每個(gè)磁體生成其本身的閉環(huán)ExB漂移路徑。可取的是，這通過將本發(fā)明電極中的磁體進(jìn)行排列使得相同的磁極都基本朝向相同方向而實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。所謂基本相同方向的意思是所有磁體的同性磁極都相對于電極表面朝向相同方向。因此，盡管圖3所示電極是平面電極，可以想象到電極也可以是彎曲的。例如，電極可以形成一個(gè)圓柱體形，使所有的北磁極都從圓柱體中心朝向外側(cè)。
當(dāng)本發(fā)明電極的磁體都排列成使它們的同性磁極朝向基本相同的方向時(shí)，磁體可以彼此非常接近，而不會造成磁體與任何與之接近的其它磁體產(chǎn)生磁場。因此，即使在磁體彼此非常接近時(shí)，每個(gè)磁體仍然生成它們自己的閉環(huán)ExB漂移路徑。
因?yàn)檫@些磁體可以設(shè)置得彼此非常接近，而每個(gè)磁體又能夠保持其自身的閉環(huán)ExB漂移路徑，本發(fā)明電極的優(yōu)點(diǎn)在于每單位電極表面面積具有較多的閉環(huán)ExB漂移路徑。每單位電極表面面積上閉環(huán)漂移路徑數(shù)量的增加使得所產(chǎn)生的等離子體比用現(xiàn)有技術(shù)的磁約束型電極產(chǎn)生的等離子體更加均勻。還可以觀測到，使用本發(fā)明電極產(chǎn)生的等離子體比使用現(xiàn)有技術(shù)電極產(chǎn)生的等離子體在電極之間的空間中從電極表面彌散得更遠(yuǎn)。雖然還沒有最終準(zhǔn)確地知道為什么會觀察到這種現(xiàn)象，但是可以相信每個(gè)磁場的一部分被電極表面上的同性磁極從電極表面排斥開。還可以相信磁場的這些部分導(dǎo)致所產(chǎn)生的一部分等離子體比如果磁體按照磁極交替方式排列所產(chǎn)生的等離子體可能更加遠(yuǎn)離電極表面。
通過設(shè)置大量磁體，并使所有同性磁極朝向基本相同方向，可以構(gòu)成本發(fā)明的大電極。例如，圖4表示了本發(fā)明包含兩排磁體30的一種平面電極。增加每排的磁體數(shù)量或者增加磁體排數(shù)可以構(gòu)成更大的電極。
當(dāng)如圖4所示按照本發(fā)明的教導(dǎo)使用條形磁體時(shí)，每個(gè)磁體30產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)ExB漂移路徑35。但是，如果如圖5或圖6所示使用環(huán)形磁體時(shí)，每個(gè)磁體產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)ExB漂移路徑。例如，圖5表示同心環(huán)狀磁體50，其中每個(gè)磁體的可見表面(即朝向讀者的平面)具有相同的極性。圖5中所示的每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條獨(dú)立的閉環(huán)ExB漂移路徑。圖6表示具有相同半徑并且排列成圓柱體形的環(huán)形磁體60。如果每個(gè)磁體60從圓柱體中心向外的彎曲表面具有相同極性，則每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條獨(dú)立的閉環(huán)ExB漂移路徑。
用于本發(fā)明電極的磁體不應(yīng)該放置得彼此過于接近，以防止磁體的一個(gè)磁極與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場。如果將這些磁體放置得彼此太近，它們的特性就會象一個(gè)磁體。對于磁體彼此之間應(yīng)當(dāng)距離多遠(yuǎn)尚沒有嚴(yán)格的限制。但是，如果將磁體放置得過于分開，它們相應(yīng)的閉環(huán)ExB漂移路徑將分得很開，結(jié)果導(dǎo)致所產(chǎn)生的等離子體的均勻性不如將磁體靠近設(shè)置所產(chǎn)生的等離子體。無需太多的試驗(yàn)就能夠確定適合于給定應(yīng)用的磁體之間的距離。
較寬的條形磁體在相應(yīng)的閉環(huán)ExB漂移路徑中心將產(chǎn)生較大的間隙。閉環(huán)ExB漂移路徑中較大的間隙還會導(dǎo)致等離子體均勻性降低。因此，通常更需要使用相對較窄的條形磁體。但是，如果用于本發(fā)明電極的磁體太窄，則閉環(huán)ExB漂移路徑也十分窄，這使得更加難以激發(fā)等離子體。無需太多的試驗(yàn)就能夠確定適合于給定應(yīng)用的磁體寬度。
可取的是利用本發(fā)明的電極根據(jù)美國專利US-5298587；5320875；5433786；和5494712的教導(dǎo)構(gòu)成改進(jìn)的PECVD裝置和形成等離子體以及在各種基板上形成涂層的方法。例如，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種等離子體發(fā)生裝置，它包括a)兩個(gè)電極，所說電極中至少一個(gè)電極限定了一個(gè)電極表面和包含兩個(gè)或多個(gè)磁極，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極都朝向基本相同的方向，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極都與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于電極表面，所說磁體具有足夠強(qiáng)度以產(chǎn)生至少100高斯的磁場；和b)用于穿過至少一個(gè)電極注入氣體反應(yīng)物的一個(gè)裝置，所說裝置使基本所有所說反應(yīng)物通過所說磁場。本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例涉及一種方法，該方法應(yīng)用在等離子體反應(yīng)區(qū)中的有機(jī)硅化合物單體氣體和氧氣的等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸氣沉積在一個(gè)基板的表面上形成一層耐磨損涂層，它包括以下步驟a)在設(shè)置基板的情況下，以大約106至108焦耳/千克的功率密度將有機(jī)硅化合物單體在過剩氧量中進(jìn)行等離子體聚合；和b)沿基本垂直于所說基板表面的方向引導(dǎo)氧氣和有機(jī)硅化合物單體，并穿過至少為100高斯的磁場，進(jìn)入等離子體反應(yīng)區(qū)，所說磁場基本形成在與所說等離子體區(qū)相鄰的一個(gè)區(qū)域中，其中強(qiáng)度為至少100高斯的磁場是由一個(gè)電極產(chǎn)生的，所說電極限定了一個(gè)電極表面，包含兩個(gè)或多個(gè)磁體，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極都朝向基本相同方向，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于所說電極表面。實(shí)例按照美國專利US-5433786的教導(dǎo)進(jìn)行SiOxCyHz的沉積，不同之處在于沉積反應(yīng)是在裝備有一對本發(fā)明電極的一個(gè)PECVD不銹鋼罐中進(jìn)行的。每個(gè)電極均為30英寸×120英寸的平面電極。每個(gè)電極由5段構(gòu)成，每段的尺寸為30英寸×24英寸。每段由設(shè)置在一塊1/16英寸厚軟鐵底板上的2排12根條形磁體構(gòu)成。這些磁體以如圖4所示方式排列。每個(gè)磁體8.5英寸長、0.75英寸寬、0.5英寸高。每一排磁體間隔1.5英寸。每個(gè)磁體的表面場強(qiáng)為1千高斯。這些磁體由Midwest Industries公司制造。在一個(gè)電極上將每個(gè)磁體設(shè)置成使每個(gè)磁體的北磁極朝向離開底板的方向，在另一個(gè)電極上每個(gè)磁體設(shè)置成使每個(gè)磁體的南磁極朝向離開底板的方向。這些磁體用一塊3/16英寸厚的鋁板(蓋板)覆蓋，所說蓋板形成所說電極的表面。將電極設(shè)置在PECVD腔室中，彼此分隔9英寸，使一個(gè)電極(所有北磁極)的表面朝向另一個(gè)電極(所有南磁極)的表面。利用這兩個(gè)電極，PECVD裝置可以在大約30英寸×120英寸的面積上產(chǎn)生均勻的等離子體。
權(quán)利要求
1.一種等離子體發(fā)生裝置，它包括兩個(gè)電極，所說電極中至少一個(gè)電極限定一個(gè)電極表面和包含兩個(gè)或多個(gè)磁體，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極全部都朝向基本相同方向，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極都與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場；每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于所說電極表面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生一條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
4.一種等離子體發(fā)生裝置，它包括兩個(gè)電極，至少一個(gè)電極是平面電極和包含兩個(gè)或多個(gè)磁體，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極處于平行于所說平面電極所在幾何平面的一個(gè)幾何平面內(nèi)，所說磁體的磁極方向垂直于所說平面電極的幾何平面，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于所說電極的幾何平面。
5.如權(quán)利要求4所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生一條平行于所說平面電極所在幾何平面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
6.如權(quán)利要求4所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條平行于所說平面電極所在幾何平面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
7.一種等離子體發(fā)生裝置，它包括a)兩個(gè)電極，所說電極中至少一個(gè)電極限定一個(gè)電極表面和包含兩個(gè)或多個(gè)磁體，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極全部都朝向基本相同的方向，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極都與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于所說電極表面，所說磁體具有足夠強(qiáng)度以產(chǎn)生至少100高斯的磁場強(qiáng)度；和b)用于穿過至少一個(gè)電極注入氣體反應(yīng)物的一個(gè)裝置，所說裝置引導(dǎo)基本全部所說反應(yīng)物穿過所說磁場。
8.用于在一個(gè)基板的表面上形成一層耐磨損涂層的一種方法，該方法應(yīng)用在等離子體反應(yīng)區(qū)中的有機(jī)硅化合物單體氣體和氧氣的等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸氣沉積，它包括以下步驟a)在設(shè)置基板的情況下，以大約106至108焦耳/千克的功率密度將有機(jī)硅化合物單體在過剩氧量中進(jìn)行等離子體聚合；和b)沿基本垂直于所說基板表面的方向引導(dǎo)氧氣和有機(jī)硅化合物單體，并穿過至少為100高斯的磁場，進(jìn)入等離子體反應(yīng)區(qū)，所說磁場基本形成在與所說等離子體區(qū)相鄰的一個(gè)區(qū)域中，其中所說強(qiáng)度為至少100高斯的磁場是由一個(gè)電極產(chǎn)生的，所說電極限定了一個(gè)電極表面，包含兩個(gè)或多個(gè)磁體，每個(gè)磁體具有兩個(gè)相反的磁極，所說磁體排列成使所說磁體的同性磁極都朝向基本相同方向，每個(gè)磁體的每個(gè)磁極與同一磁體的相反磁極產(chǎn)生一個(gè)磁場，每個(gè)磁場有一個(gè)分量平行于所說電極表面。
9.如權(quán)利要求7所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生一條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
10.如權(quán)利要求7所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
11.如權(quán)利要求8所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生一條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
12.如權(quán)利要求8所述的一種等離子體發(fā)生裝置，其特征在于每個(gè)磁體產(chǎn)生兩條平行于所說電極表面的閉環(huán)ExB漂移路徑。
全文摘要
用于產(chǎn)生比用過去已知的磁控管型等離子體發(fā)生裝置所產(chǎn)生的等離子體更加均勻和具有更高密度的等離子體的方法和裝置。本發(fā)明使用包含多個(gè)磁體的電極,所說多個(gè)磁體排列成使這些磁體的同性磁極全部都朝向基本相同方向。
文檔編號C23C16/503GK1226339SQ97196851
公開日1999年8月18日 申請日期1997年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月30日
發(fā)明者胡應(yīng)鋒 申請人:陶氏化學(xué)公司