專利名稱：用于濺射或電弧蒸發(fā)的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂敷淀積和等離子體處理(離子注入、腐蝕等)，特別是涉及磁控型陰極。
磁控型陰極在近二十年來在濺射和電弧蒸發(fā)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，其中在陰極的蒸發(fā)表面的至少一部分上建立閉合磁場。在濺射陰極的情況下，磁場用于增強惰性氣體等離子體放電，并且沿蒸發(fā)表面按閉合路徑引導等離子體。在電弧陰極情況下，磁場用于沿蒸發(fā)表面按閉合路徑引導一個或多個電弧點的方向。在濺射和電弧蒸發(fā)中采用相同的陰極和磁場幾何結(jié)構(gòu)，主要差別在于所要求的磁場強度和放電的橫向限制的方式。濺射陰極的場強一般是幾百高斯，而電弧陰極的場強一般是僅幾十高斯。最為常用的磁控型陰極可以表示為基本上是平面或圓筒幾何結(jié)構(gòu)。
平面磁控管一般包括待蒸發(fā)材料的平坦圓環(huán)或者矩形板。正如美國專利5407551(Sieck等)、4162954(Morrison)、4673477(Ramalingam等)和4724058(Morrison)所述，磁場從板中穿過或從其上經(jīng)過，在蒸發(fā)表面上形成閉合磁性隧道或者“軌道”。磁性隧道引導并包含濺射或者電弧放電，一般在蒸發(fā)表面(材料被蒸發(fā)的陰極表面)上形成圓形或橢圓消蝕槽。由兩種工藝蒸發(fā)的材料在基本垂直于蒸發(fā)表面的方向發(fā)射。從本發(fā)明的目的來了解，基本垂直的方向是指圍繞表面的垂直線為中心的發(fā)射分布，其中在特定方向從陰極上的特定點發(fā)射的材料量，隨與在該點的垂直線的夾角的增大而減少。被涂敷的基片一般面對陰極表面并且可以旋轉(zhuǎn)和/或移動，以便擴展均勻分布的區(qū)域。陰極表面的部分可以相對于平坦表面傾斜，如美國專利4428259(Class等)和4457825(Lamont)所述，以便影響發(fā)射材料的分布或陰極消蝕輪廓。
美國專利4404077(Fournier)公開了一種矩形平面三極管濺射設(shè)備，其中平行場分量延伸于蒸發(fā)表面上的非閉合路徑之上，在路徑的一端具有電子發(fā)射極，在另一端具有收集極。矩形平面電弧陰極公開于美國專利5480527(Welty)，其中平行場分量的極性被反向，使得電弧沿蒸發(fā)表面的長度來回掃描。矩形電弧蒸發(fā)陰極公開于美國專利5380421(Gorokhovsky)，其中蒸發(fā)表面是具有斜邊的矩形板的一側(cè)，組合的靜磁和動磁裝置用于控制電弧沿長度的移動。磁控型濺射陰極公開于美國專利5277779(Henshaw)，包括矩形框架，其中消蝕路徑圍繞框架的內(nèi)周邊，蒸發(fā)材料向內(nèi)朝向框架孔的中心，待涂敷的基片穿過該孔。兩側(cè)平面磁控型濺射陰極公開于美國專利4116806(Love)，在位于包括磁性裝置的中央框架的每一側(cè)上的兩個平面靶中的每一個上，具有分離的閉合磁性隧道。用于電弧蒸發(fā)或濺射兩者的平面磁控型陰極公開于美國專利5160585(Hauzer等)，其中磁體裝置的一部分可以相對于靶表面移動，以便根據(jù)采用的蒸發(fā)方法調(diào)節(jié)場強。
圓筒磁控管一般包括待蒸發(fā)材料的圓筒棒或管。蒸發(fā)表面通常是圓筒表面的整個外部或內(nèi)部，而發(fā)射分布取決于特定的磁構(gòu)型。具有平行于圓筒長軸的螺線磁場的圓筒濺射陰極公開于美國專利4031424(Penfold等)，其具有的發(fā)射分布垂直于外表面，并且在理想情況下圍繞圓周及沿長度是均勻的。采用在圓筒靶內(nèi)的磁性裝置的濺射和電弧陰極例如公開于美國專利4717968(Mckelvey)、5364518(Hartig等)和4849088(Veltrop等)，其中在部分外表面上產(chǎn)生閉合磁性隧道和消蝕軌跡，利用磁體裝置和靶圓筒之間的相對移動，實現(xiàn)靶的均勻消蝕。在圓筒旋轉(zhuǎn)的同時磁性裝置可以保持固定，反之亦然。發(fā)射分布基本上垂直于包括消蝕軌跡的瞬時位置的圓筒表面上的點。具有螺線磁場的短圓筒電弧蒸發(fā)陰極公開于美國專利4492845(Kuljuchko等)和5518597(Storer等)。長圓筒電弧蒸發(fā)陰極一般需要動態(tài)裝置，保證電弧在陰極長度的均勻移動，例如公開于美國專利5269898(Welty)和5451308(Sablev等)。外線圈施加垂直于陰極長軸的磁場的圓筒電弧陰極公開于蘇聯(lián)發(fā)明人證書711787。在此情形，電弧點被描述成限制在磁力線接近垂直于陰極表面的區(qū)域中，其中說明通過圍繞陰極旋轉(zhuǎn)線圈來實現(xiàn)電弧圍繞圓周的移動。在此情形中磁場不包括陰極表面上的閉合隧道或者路徑。
用于防止電弧放電點移出蒸發(fā)表面的絕緣體裝置公開于美國專利4430184(Mularie)。用于防止電弧點移出蒸發(fā)表面的導磁環(huán)裝置公開于美國專利4448659(Morrison)、4559121(Mularie)和4600489(Lefkow)。用于熄滅移出特定蒸發(fā)表面的電弧點的屏蔽和間隙裝置公開于美國專利3793179和3783231(Sablev等)。用于包含電弧放電的采用渦流的導電環(huán)裝置公開于美國專利5387326(Buhl等)。用于包含濺射放電的突出側(cè)壁裝置公開于美國專利4515675(Kieser等)、4933064(Geisler等)、5133850(Kulla等)、5266178(Sichmann等)和5597459(Altshuler)，其中靶的向外突出、磁極或者在蒸發(fā)表面?zhèn)鹊钠帘斡糜谔峁┑入x子體的橫向限制。
美國專利4581118(Class等)公開了具有書狀矩形體的磁控管基片支撐電極、和具有凸緣狀極片的磁體芯，提供圍繞電極體的縱向磁場。該設(shè)備提供對安裝在電極上的基片的均勻等離子體處理，并指教與面對支撐電極和基片的分離濺射陰極共同使用?；姌O被夾持與電源連接，該電源具有適合于靠近基片表面的反應(yīng)氣體的電離的電壓，而不會引起明顯的來自基片的的濺射。因此，該設(shè)備既沒有蒸發(fā)表面也沒有蒸發(fā)發(fā)射分布。
使用在離子或者等離子體源中的電弧蒸發(fā)和濺射陰極用于注入或者腐蝕處理是已知的，如美國專利4994164(Bernardet等)、5404017(Inuishi等)、5482611(Helmer等)所公開的。已知使用來自電弧蒸發(fā)陰極的離子，從偏置的二次陰極濺射材料，用于在基片上淀積。已知與CVD工藝一起使用電弧蒸發(fā)陰極，如美國專利4749587(Bergmann)和5587207(Gorokhovsky)。對濺射和電弧蒸發(fā)的設(shè)備和工藝的一般說明可見J.Vossen等的“薄膜工藝”(Academic Press,1991),R.Boxman等的“真空電弧科學和技術(shù)手冊”(Noyes,1995),B.Chapman的“輝光放電工藝”(Wiley,1980)和D.Smith的“薄膜淀積-原理和實踐”(McGraw-Hill,1995)。
這里公開的磁控型陰極具有與傳統(tǒng)流行的磁控型陰極不同的形狀、磁場幾何結(jié)構(gòu)和發(fā)射分布。本發(fā)明中，陰極具有如

圖1所示的矩形棒形狀(平行六面體)。陰極材料的消蝕發(fā)生于圍繞棒周邊、沿兩相對側(cè)邊并且圍繞兩端的蒸發(fā)表面。因此，從蒸發(fā)表面發(fā)射的蒸發(fā)材料主要分布在垂直于陰極長軸的兩個相對方向上。蒸發(fā)材料也在垂直于陰極末端的方向發(fā)射，但是對于足夠長的陰極來說，在這些方向發(fā)射的材料量只是總量的一小部分。本發(fā)明提供在長陰極上的均勻發(fā)射，有助于大基片的涂敷或者注入。完成在長電弧蒸發(fā)陰極上的均勻消蝕無需復雜的開關(guān)或者動態(tài)控制配置。由于蒸汽是在垂直于陰極長度的兩個方向而不是僅一個方向上發(fā)射，所以本發(fā)明還提供大于相同長度的傳統(tǒng)矩形平面磁控管的面積覆蓋。根據(jù)本發(fā)明截面尺寸達至少10cm、長度達至少3米的陰極是實用的，利用現(xiàn)行的工業(yè)標準可以實現(xiàn)長的陰極工作壽命和大的涂敷面積覆蓋。
采用永磁體或者電磁鐵圍繞陰極的整個周邊建立磁場。磁場在整個蒸發(fā)表面上具有分量，該分量平行于蒸發(fā)表面且垂直于陰極長軸。在濺射和電弧放電兩種情形中，發(fā)射的二次電子或者電弧點(分別地)在垂直于此平行磁場分量的方向沿蒸發(fā)表面移動。由于平行磁場分量圍繞本發(fā)明的陰極周邊是連續(xù)的，所以電子或者電弧點按連續(xù)閉合路徑圍繞蒸發(fā)表面移動。通過濺射或者電弧蒸發(fā)從此消蝕路徑蒸發(fā)陰極材料，在基本垂直于表面的方向發(fā)射。平行磁場分量在5-50高斯范圍的磁場強度(磁通密度)通常適合于電弧蒸發(fā)陰極，而200-400高斯的磁通密度一般適合于濺射陰極。在使用兩種技術(shù)的某些情形要求較高的磁場強度，例如使用低電弧速度的材料(例如碳或銅)，或者要求在低氣壓下濺射時。
如上所述，圍繞閉合消蝕路徑的原動力是基于平行于蒸發(fā)表面并且垂直于陰極長度的磁場分量。為了實現(xiàn)僅在指定的蒸發(fā)表面上的可控蒸發(fā)，作用于等離子體放電的、亦即在橫跨消蝕路徑寬度方向的橫向力通常也是必需的。在濺射放電情形，希望防止等離子體沿磁力線從蒸發(fā)表面橫向地擴散開，從而降低濺射率。在電弧蒸發(fā)放電情形，希望防止電弧點橫向地移出指定的蒸發(fā)表面，落在其它陰極或連接體表面上。根據(jù)陰極是用于濺射還是電弧蒸發(fā)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用各種橫向控制措施。用于電弧放電點的橫向控制裝置可以包括例如磁性裝置、絕緣體裝置、滲透性環(huán)裝置、傳導性環(huán)裝置、屏蔽裝置、或者突出側(cè)壁裝置。用于濺射放電的橫向控制裝置可以包括例如磁性裝置或者突出側(cè)壁裝置。以下將說明優(yōu)選實施例，其中選取橫向控制裝置以便提供均勻的陰極消蝕和高的材料使用效率。
陰極一般與待涂敷或注入的基片一起安裝在真空室內(nèi)，并且在電弧蒸發(fā)或者濺射配置中均在低于50mTorr的壓力下操作。在操作過程中可以把惰性和/或反應(yīng)氣體例如氬氣、氮氣、氧氣、甲烷等引入真空室。在操作過程中陰極一般與直流電源的負輸出端連接，電源的正輸出端與陽極連接。陽極可以是位于真空室內(nèi)的電絕緣結(jié)構(gòu)，或者是真空室本身和/或是任何內(nèi)屏蔽等。在濺射陰極的情形，電源具有相對較高的電壓和小電流輸出容量(例如500伏和20安培)，而對于電弧陰極電源具有相對較大的電流和低電壓容量(例如500安培和20伏)。在電弧蒸發(fā)陰極的情形，一般利用機械觸發(fā)器、電火花或者激光脈沖來啟動放電，在濺射情形，對陰極簡單施加高電壓即足以啟動放電。陰極還可以在交流或脈沖電源下工作，或者在直流電源和交流或脈沖電源下工作。待涂敷或注入的基片可以與陰極、陽極和真空室絕緣，并且與另一電源的負輸出端連接，目的在于提高淀積或注入過程中的離子轟擊能量。另外，在陰極加正偏壓時基片可以保持在或接近地電位。
在電弧蒸發(fā)放電中，除了發(fā)射等離子體之外，還可以由電弧噴射出陰極材料的熔融液滴。這些液滴稱為微顆粒，主要以相對于陰極表面的小角度噴射。與已有技術(shù)的圓筒和平面電弧陰極相比，本發(fā)明的進一步優(yōu)點在于利用從蒸發(fā)表面的側(cè)邊向外延伸的陽極或屏蔽結(jié)構(gòu)，可以阻擋這些微顆粒的大部分到達基片。對于窄陰極，如圖3-A所示的相對較短的側(cè)屏蔽即能大大降低到達基片的微顆粒的數(shù)量，同時又保證對蒸發(fā)材料的阻擋最小。例如在基片布置成圍繞陰極的圓環(huán)的涂敷系統(tǒng)中，如下所述，已經(jīng)在實驗中發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)陰極，與相同尺寸的標準市售圓筒電弧蒸發(fā)陰極相比，嵌進氮化鋯涂層中的微顆粒數(shù)量減少了至少三分之二。
待涂敷或者注入的基片例如可以圍繞陰極并且沿其長度安裝成旋轉(zhuǎn)圓陣列，或者安裝在呈現(xiàn)復合“星型”旋轉(zhuǎn)的心軸陣列上，如圖5-A所示。從陰極兩側(cè)發(fā)射材料提供的圍繞基片陣列的覆蓋比使用已有技術(shù)的單平面磁控管可以獲得的覆蓋更均勻。例如在反應(yīng)涂敷淀積中這樣可以是有利的，其中要求反應(yīng)條件在基片陣列周圍盡可能均勻，以便獲得均勻的性能(例如色彩)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知各種其它的基片布置。例如在具有基片線性移動的系統(tǒng)中，本發(fā)明的雙側(cè)發(fā)射分布可使兩行平行的基片同時涂敷，每行在陰極的每一側(cè)，如圖5-B所示。
因此，本發(fā)明的一個目的在于在延伸的陰極上提供均勻的消蝕和蒸汽發(fā)射，可以在各種基片構(gòu)型中的大面積上進行均勻的淀積或離子注入。另一目的在于通過適當?shù)剡x擇磁場強度和橫向限制裝置，可在濺射或者電弧蒸發(fā)陰極中操作，無需任何動態(tài)電弧點控制，減少由電弧蒸發(fā)陰極發(fā)射的微顆粒數(shù)量，實現(xiàn)在電弧蒸發(fā)或濺射構(gòu)型中的陰極材料的高使用率。
圖1是使用兩個電磁鐵線圈的本發(fā)明磁控型陰極的透視圖，展示了蒸發(fā)表面的相對取向、平行磁場分量和汽相發(fā)射分布。
圖2是由電磁鐵線圈產(chǎn)生的磁力線的剖面頂視圖。
圖3是本發(fā)明的一個實施例的剖面圖，其中由磁化方向平行于蒸發(fā)表面的永磁體產(chǎn)生磁場。
圖4是圖3的實施例的磁場發(fā)生裝置的透視圖。
圖5是本發(fā)明另一實施例的剖面圖，其中由磁化方向垂直于蒸發(fā)表面的永磁體產(chǎn)生磁場。
圖6是圖5的實施例的磁場發(fā)生裝置的透視圖。
圖7是圖3的磁體產(chǎn)生的磁力線和磁極構(gòu)型的標繪曲線圖。
圖8是圖5的磁體產(chǎn)生的磁力線和磁極構(gòu)型的標繪曲線圖。
圖9是用于涂敷或離子注入的設(shè)置，其中基片陣列圍繞本發(fā)明的中央陰極旋轉(zhuǎn)。
圖10是用于涂敷或離子注入的設(shè)置，其中2行基片在本發(fā)明陰極的兩側(cè)線性地移動。
圖1展示了本發(fā)明的磁控型陰極的簡化視圖，包括具有包圍其周邊的蒸發(fā)表面2(包括透視圖中不可見的相應(yīng)對置表面)的基本是矩形的棒1。電磁線圈3和4共軸地設(shè)置在陰極棒1的每側(cè)，其共軸均平行于蒸發(fā)表面2的所有段，并且垂直于棒的長軸。小箭頭5表示由線圈3和4所示方向的電流沿線圈共軸產(chǎn)生的磁場方向。沿該軸的磁場平行于全部蒸發(fā)表面2并且垂直于陰極棒1的長軸。大箭頭6表示汽相發(fā)射的主要方向，在圍繞陰極的各點基本垂直于蒸發(fā)表面2。對于長陰極，大多數(shù)的蒸發(fā)發(fā)射于垂直陰極長軸的兩個對置方向。側(cè)元件7設(shè)置于靠近陰極棒1的非蒸發(fā)側(cè)，其是棒1的兩個平行側(cè)，但不是蒸發(fā)表面2的一部分。側(cè)元件7在蒸發(fā)表面邊緣提供等離子體放電的橫向限制，可以包括如下所述的絕緣或金屬板?？梢岳脗鹘y(tǒng)的用于安裝、水冷、屏蔽和電絕緣裝置，這里未示出。陰極1與等離子體放電電源8的負輸出端連接，等離子體放電電源8可以具有適合于電弧或濺射放電的特性，如上所述。放電電源8的正接線端連接于陽極22，后者可以是接地的金屬真空室或者分離的結(jié)構(gòu)，可以接地或不接地。
線圈3和4中的電流可以由連接在線圈接線端9和10的線圈電源15提供，線圈接線端11和12連接在一起。另外，可以把線圈接線端9連接于地(或連接于陽極)，把接線端10連接于放電電源8的正輸出端(反之亦然)，(該連接未示出)以使來自放電電源8的放電電流也流過線圈3和4?？梢栽谡婵帐覂?nèi)、外使線圈3和4與放電等離子體隔開，也可以在真空室內(nèi)暴露于等離子體，從而形成放電陽極的一部分。在另一實施例中(連接未示出)，線圈3和4位于真空室內(nèi)，暴露于等離子體，起唯有的放電陽極的作用。在此實施例中，線圈接線端10和11連接在一起，正如也連接在放電電源8的正輸出端的線圈接線端9和12。因此被陽極收集的電子電流流經(jīng)線圈3和4至放電電源8的正輸出端，產(chǎn)生由小箭頭5表示的磁場。在此構(gòu)型中，可以使線圈3和4臨時接地，以利于等離子體放電的啟動。
圖2展示了在圖1的陰極和線圈布置的剖面(頂視)的磁力線的標繪曲線。導線3a和4a中的電流流動方向是進入紙面，導線3b和4b中的是流出紙面。陰極通常可以工作于線圈電流在兩方向流動的狀態(tài)。小箭頭5代表在顯示位置的磁力線方向，對應(yīng)于圖1中的小箭頭5。在蒸發(fā)表面2上的區(qū)域13中的磁力線基本平行于表面2，但是由于額外存在如下所述的垂直于表面2的磁場分量，所以磁力線稍呈中凸的拱起。利用線圈尺寸和位置可以控制拱起程度，因而控制等離子體放電的橫向磁性限制的程度，距離較大的線圈使拱起較小，距離較小的線圈使拱起較大?？梢愿鶕?jù)提供線圈電流的裝置，選擇線圈電流和線圈匝數(shù)，以便提供要求的磁場強度。例如，在圖2的4匝線圈3和4中的250安培電流將在陰極表面提供約40高斯的平行磁場分量，而在500匝的線圈3和4中的20安培電流將提供約400高斯的平行磁場分量。
側(cè)元件7可以在表面上(向上)突出0(包括0)以上的距離d，并且可以具有面對蒸發(fā)表面2的側(cè)壁14，該側(cè)壁與表面的垂線成0(包括0)以上的角度α地傾斜。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用各種實例的側(cè)元件7。在電弧蒸發(fā)陰極的一個優(yōu)選實施例中，設(shè)置絕緣板(例如氮化硼)與蒸發(fā)表面2的每個邊緣接觸，防止電弧點移出蒸發(fā)表面2。絕緣板可以與蒸發(fā)表面齊平(即d=0)，或者從蒸發(fā)表面向外伸出幾毫米以上的距離。在電弧陰極的另一優(yōu)選實施例中，側(cè)元件7包括與蒸發(fā)表面2的兩邊緣接觸的金屬板。該板可以包括例如陰極材料本身、例如不銹鋼板的其它金屬、導磁材料或者最好是電弧放電電壓高于蒸發(fā)表面的材料，最好在蒸發(fā)表面之上圍繞其整個周邊突出幾毫米以上的距離d。具有高的電弧放電電壓的材料包括難熔金屬例如鉬和鉭。突出元件7也可以具有20度以上的壁角α，于是在磁力線和元件7的突出側(cè)壁之間形成銳角。在成角的側(cè)壁上移動的電弧點因此將通過與磁場的相互作用被推回在蒸發(fā)表面上。在電弧陰極的另一實施例中，在圍繞1mm以上的距離的兩邊緣附近設(shè)置電氣接地或者絕緣金屬板，以便熄滅移出蒸發(fā)表面2的電弧，或者利用渦流排斥電弧點。濺射陰極的一個優(yōu)選實施例采用金屬側(cè)元件7，在蒸發(fā)表面上突出幾毫米以上的距離d，其具有的壁可以傾斜0～約70度的角度α。側(cè)元件可以由陰極材料或者其它導電材料構(gòu)成。突出側(cè)壁此時用于防止濺射等離子體沿磁力線從蒸發(fā)表面2向外擴散。在濺射陰極的另一個優(yōu)選實施例中，側(cè)元件7可以包括在圍繞1mm以上距離靠近兩邊緣設(shè)置的金屬板，并且在蒸發(fā)表面上突出幾毫米以上的距離d。這些板可以是電氣浮置的或者以居中在陰極和陽極之間的電壓來偏置，可以包括部分陰極罩或者磁極結(jié)構(gòu)。突出側(cè)壁此時也用于防止濺射等離子體沿磁力線從蒸發(fā)表面2向外擴散。
除了或者替代采用側(cè)元件7的橫向限制裝置，利用在蒸發(fā)表面上圍繞矩形棒周邊的閉合中凸拱起的磁性隧道，可以實現(xiàn)濺射或電弧放電的橫向限制。磁性隧道的拱形形狀可以解釋成起因于在上述平行分量上附加垂直磁場分量，在蒸發(fā)表面上的區(qū)域產(chǎn)生磁場的凈中凸曲率。垂直磁場分量對濺射等離子體或者電弧點產(chǎn)生橫向力，將其從兩側(cè)推向消蝕軌跡的中央。較強的垂直分量導致更大的磁場曲率和較強的橫向限制力。通過采用其曲率從陰極表面之上的中凸改變?yōu)楸砻嬷?在陰極材料內(nèi))的中凹的磁場，可以防止在陰極中形成窄的消蝕槽，如美國專利4892633(Welty)所述，如本發(fā)明的圖7和8所示。通過對產(chǎn)生平行于蒸發(fā)表面的磁場分量的同一磁場發(fā)生裝置進行適當?shù)臉?gòu)型和設(shè)置，可以產(chǎn)生垂直磁場分量。市售的有限元件磁性模擬程序、例如來自AnsoftCorporation of Pittsburgh,PA的Maxwell提供了用于陰極設(shè)計目的的能力。
圖3展示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的剖面圖，其中具有蒸發(fā)表面2的可置換陰極元件1圍繞安裝座15安裝，包括具有水冷通道16和O形密封環(huán)17的矩形棒。具有側(cè)壁14的側(cè)元件7圍繞蒸發(fā)表面2的周邊設(shè)置，在蒸發(fā)表面之上圍繞其整個周邊突出至少約2mm以上的距離，最好約5-10mm。元件7也可以具有偏離垂直線20度以上的壁角(圖1-B中的α)。在電弧陰極的情形，側(cè)元件7例如可以包括陰極材料本身、其它金屬、絕緣材料、導磁材料、或者最好是具有電弧放電電壓高于蒸發(fā)表面的電弧放電電壓的金屬。在濺射陰極的情形，側(cè)元件7可以包括與陰極相同的材料或者其它導電材料。陰極元件1被使用螺釘(未示出)的夾子23保持在安裝座15上。磁場發(fā)生裝置包括側(cè)磁體18和中央磁體19、側(cè)導磁極片20和中央導磁極片21。磁體18和19的磁化取向在由磁體塊內(nèi)的箭頭所示方向平行于蒸發(fā)表面2。陽極22靠近蒸發(fā)表面2的邊緣設(shè)置。雖然沒有示出，但可以采用傳統(tǒng)的安裝、連接、屏蔽和絕緣裝置。
圖4展示了圖3的實施例的磁體和磁極片的透視圖。側(cè)磁體18圍繞側(cè)導磁極片20的邊緣安裝。中央磁體19安裝在中央導磁極片21的各塊之間，后者設(shè)置在側(cè)磁極片20之間。磁體18和19和磁極片20和21一起形成磁路，在如圖3所示的蒸發(fā)表面2的相對各側(cè)上的磁體18之間具有磁極氣隙。橫跨磁體18的相對面之間的氣隙產(chǎn)生磁通量，如圖7所示。陰極元件1位于磁極氣隙內(nèi)，以使產(chǎn)生于磁極氣隙中的磁通量穿過全部蒸發(fā)表面2之上，包括端部，提供圍繞陰極的整個邊緣的平行于蒸發(fā)表面2的磁場分量。中央磁極片21穿過安裝塊15的中心(圖3)并且與兩側(cè)磁極片20磁性連接，從而構(gòu)成磁路并提供磁通量的“返回通路”。磁體18提供磁極片中的大部分磁場，而磁體19主要用于影響氣隙內(nèi)的磁場形狀。中央磁極片21可以制成沿陰極長度的多個分離段，如圖4所示，以便維持安裝塊15的機械完整性。
圖5展示了本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的剖面圖，其中陰極包括具有蒸發(fā)表面2的矩形棒1。具有水通道16和O形密封環(huán)17的安裝座15設(shè)置在棒1的非蒸發(fā)側(cè)上，并被未示出的傳統(tǒng)裝置緊密接觸地夾持，以便提供陰極冷卻。側(cè)元件7圍繞蒸發(fā)表面2的邊緣設(shè)置，可以包括如圖2和3所述的絕緣或金屬材料。磁場發(fā)生裝置包括側(cè)磁體18和中央導磁極片21。磁體18具有箭頭所表示的垂直于蒸發(fā)表面2的磁化取向。中央磁極片21可以制造成沿陰極長度的多個分離段，如圖6所示，以便維持陰極棒1的機械完整性。陽極22沿邊緣設(shè)置，并且從蒸發(fā)表面2向外延伸。可以采用未示出的傳統(tǒng)安裝、連接、屏蔽和絕緣裝置。
圖6展示了圖5實施例的磁體和磁極片的透視圖。磁體18圍繞中央磁極片21的周邊安裝在陰極棒1的相對側(cè)。磁化取向垂直于陰極棒端上的蒸發(fā)表面的磁體18，設(shè)置在陰極端的磁極片21上，以便在各端的蒸發(fā)表面上產(chǎn)生平行磁場分量。磁體18和磁極片21一起形成磁路，在蒸發(fā)表面2的相對側(cè)上的磁體18之間具有磁極氣隙。橫跨磁體18的相對面之間的氣隙產(chǎn)生磁通量，如圖8所示。陰極棒1位于磁極氣隙內(nèi)，以使在磁極氣隙產(chǎn)生的磁通量穿過全部蒸發(fā)表面2之上，包括各端，圍繞陰極的整個周邊提供平行于蒸發(fā)表面2的磁場分量。中央磁極片21穿過陰極棒1的中心，并且與陰極的相對側(cè)上的磁體18磁性連接，以便構(gòu)成磁路，為磁通量提供“返回通路”。
圖7和8展示了代表分別由圖3和5的磁體和磁極片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場剖面的標繪曲線。參見圖7和8，在靠近蒸發(fā)表面2的區(qū)域30中的磁力線主要是平行于蒸發(fā)表面2，并且垂直于陰極長軸。在蒸發(fā)表面之上的區(qū)域31中磁場中凸地拱起，并且在陰極體內(nèi)的蒸發(fā)表面之下的區(qū)域32中中凹地拱起，以便提供對蒸發(fā)表面上的等離子體放電的磁性橫向限制，同時防止隨著陰極材料被蒸發(fā)而形成窄消蝕槽。通過選擇磁體材料和磁體厚度“t”(在磁化方向)可以控制磁場強度。例如在圖7和8的構(gòu)型中，3mm厚度的陶瓷8級磁體將在7.5cm的蒸發(fā)表面寬度之間提供約50高斯的平行磁場分量，而10mm厚度的釹35級磁體將提供約500高斯的平行磁場分量。這些類型的磁體可以例如從Los Angeles,CA.的MagnetSales,Inc.獲得。
圖9展示了用于涂敷淀積或離子注入的布置，其中圍繞本發(fā)明的中央陰極35設(shè)置多個基片安裝心軸36。安裝心軸36可以包括保持待涂敷或注入的多個小基片的裝置。箭頭6表示從陰極35汽相發(fā)射的方向。整個基片陣列可以圍繞陰極35旋轉(zhuǎn)，以便實現(xiàn)均勻覆蓋。各個基片36也可以圍繞其自軸旋轉(zhuǎn)，以便改善均勻性或者增加基片安裝面積。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)可以有各種其它布置。例如，圖10展示了用于涂敷淀積或者離子注入的布置，其中兩列基片36直線移動經(jīng)過本發(fā)明的中央陰極35。這些基片可以連續(xù)或者間歇地移動，也可以在其自軸上旋轉(zhuǎn)，以便改善均勻性或者增加基片安裝面積。在另一實施例中，如圖3所示的陰極和陽極組件可以用于管子內(nèi)部的涂敷，通過陰極和管子之間的相對旋轉(zhuǎn)獲得均勻覆蓋。因此在電弧淀積的內(nèi)管涂敷中可以獲得的微顆粒含量低于使用圓筒電弧陰極獲得的涂敷。
可以在基片陣列內(nèi)設(shè)置相同或不同蒸發(fā)材料的多個陰極，以便提高總蒸發(fā)率或者淀積或注入混合合金或多層結(jié)構(gòu)。由于蒸發(fā)表面可以制成遠窄于平面磁控型陰極所可能有的，所以本發(fā)明的陰極極適合于并排的布置，從而提供更為緊湊的陰極組件和更為搭接的發(fā)射分布。有利于在多陰極系統(tǒng)中使用濺射和電弧陰極兩者。例如可以首先淀積濺射的涂層，然后淀積電弧蒸發(fā)的涂層，反之亦然。在對確定的材料進行合金化時，可以期望以一種陰極(例如鋁)作為濺射陰極，避免產(chǎn)生過量的微顆粒，同時以其它(例如鈦)作為電弧蒸發(fā)陰極，獲得增強的電離化和反應(yīng)活性的優(yōu)點。多個陰極的并排安裝需要調(diào)節(jié)磁極強度或者取向，以便補償陰極之間磁相互作用。
在電弧蒸發(fā)的情形，把電源電纜裝配在陰極的方式會對陰極消蝕均勻性有影響。電纜內(nèi)幾百安培的電弧電流和陰極本身產(chǎn)生可以影響電弧點在蒸發(fā)表面上的移動的磁場。對于本發(fā)明的電弧蒸發(fā)陰極，通常要求使電源連接在陰極的非蒸發(fā)兩側(cè)對稱。電源電纜可以沿陰極各側(cè)對稱布線，以便獲得對自身磁場的最大消除。
這里引證的全部專利、專利文件和出版物的整個公開，正如各自被單獨引用的一樣，均被引做參考。盡管展示和說明了本發(fā)明的特定實施例，但其各種改進對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。因此，本發(fā)明并不限于公開的實施例。涉及本發(fā)明陰極的剖面形狀的術(shù)語“基本是矩形”，應(yīng)理解為包括因安裝裝置、絕緣體等引起的整個形狀的變化，以及改善等離子體放電的橫向限制或者影響消蝕或發(fā)射分布所要求的蒸發(fā)表面外觀的變化。
權(quán)利要求
1．一種陰極，用于濺射或電弧蒸發(fā)，具有基本是矩形剖面的棒形狀，所述棒的長度大于所述矩形剖面的任一邊長尺寸；所述陰極的外表面具有四個側(cè)邊和兩端；所述四個側(cè)邊包括第一對平行側(cè)邊和第二對平行側(cè)邊；所述陰極包括蒸發(fā)表面，包括至少一種待蒸發(fā)材料，所述蒸發(fā)表面由所述陰極的所述第一對平行側(cè)邊和所述兩端的各部件所限定，所述蒸發(fā)表面具有兩邊緣，每個邊緣由所述蒸發(fā)表面與所述第二對平行側(cè)邊之一的交叉線所限定；磁場發(fā)生裝置，在所述蒸發(fā)表面附近建立磁場，所述磁場由磁力線表示，所述磁場在全部所述蒸發(fā)表面之上具有分量，所述分量平行于所述蒸發(fā)表面并且垂直于所述陰極的所述第二對平行側(cè)邊；所述磁場的作用在于按圍繞所述陰極周邊的閉合通路，對所述蒸發(fā)表面上的濺射等離子體或者至少一個電弧放電點進行引導，以使所述待蒸發(fā)材料從所述蒸發(fā)表面蒸發(fā)；橫向限制裝置，用于在所述蒸發(fā)表面的所述邊緣之間橫向地限制濺射等離子體或至少一個電弧放電點；所述陰極用于發(fā)射待蒸發(fā)的所述材料的蒸汽，所述蒸汽沿基本垂直于所述蒸發(fā)表面的方向發(fā)射。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述陰極的所述長度是所述剖面任一邊長尺寸的至少4倍。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述陰極的所述長度是所述剖面任一邊長尺寸的至少10倍。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述平行磁場分量的磁通密度在1-100高斯之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述平行磁場分量的磁通密度在100-1000高斯之間。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述平行磁場分量的磁通密度在400-2000高斯之間。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述磁場發(fā)生裝置包括至少一個具有中心軸的電磁鐵線圈，所述線圈用于至少在所述線圈的中心區(qū)，產(chǎn)生磁力線基本平行于所述中心軸的磁場，設(shè)置所述線圈以使所述中心軸垂直于所述陰極的所述第二對平行側(cè)邊，并且以使全部所述蒸發(fā)表面位于所述中心區(qū)之內(nèi)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述磁場發(fā)生裝置包括至少兩個電磁鐵線圈，每個線圈具有中心軸；所述線圈共軸設(shè)置在所述陰極的兩側(cè)上，以使所述中心軸垂直于所述陰極的所述第二對平行側(cè)邊，所述線圈用于在全部所述蒸發(fā)表面上產(chǎn)生具有平行于所述蒸發(fā)表面的分量的磁場。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述磁場發(fā)生裝置包括安裝在導磁極片上的多個永磁體，所述磁極片包括至少兩個側(cè)磁極片和至少一個中央磁極片，所述側(cè)磁極片設(shè)置成基本平行于所述陰極的所述第二對平行側(cè)邊，并且位于所述蒸發(fā)表面的各側(cè)邊，所述中央磁極片設(shè)置在所述側(cè)磁極片之間，并且穿過至少一個穿通所述陰極的孔，所述孔基本平行于所述第二對平行側(cè)邊，并且不與所述蒸發(fā)表面的任何部分交叉；所述永磁體包括至少兩組磁體，所述磁體組中至少之一靠近所述蒸發(fā)表面安裝在每一個所述側(cè)磁極片上，所述磁體的磁化方向垂直于所述側(cè)磁極片，并且平行于所述蒸發(fā)表面；所述每組中的所述磁體按圍繞所述蒸發(fā)表面周邊的陣列設(shè)置在所述側(cè)磁極片上；所述磁體和磁極片形成磁路，所述磁路具有基本平行于所述蒸發(fā)表面且在其全部上延伸的磁極氣隙，所述中央磁極片在所述側(cè)磁極片之間為產(chǎn)生于所述磁極氣隙的磁通提供返回通路，所述磁路用于在所述磁極氣隙之內(nèi)產(chǎn)生磁場，所述磁場在所述蒸發(fā)表面上的每一點具有平行于所述蒸發(fā)表面的分量。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述磁場發(fā)生裝置包括安裝在至少一個導磁中央極片上的多個永磁體，所述磁極片設(shè)置成基本平行于所述蒸發(fā)表面，并且穿過至少一個穿通所述陰極的孔，所述孔基本垂直于所述第二對平行側(cè)邊，并且不與所述蒸發(fā)表面的任何部分交叉；所述永磁體包括至少兩組磁體，所述磁體組中至少之一圍繞所述中央磁極片的周邊安裝在所述陰極的相對側(cè)邊上，并且靠近每個所述第二對平行側(cè)邊，所述磁體的磁化方向平行于所述第二對平行側(cè)邊，并且所述陰極的相對側(cè)邊上的磁體組之間的磁化方向相互相反；所述磁體和磁極片形成磁路，所述磁路在所述陰極的相對側(cè)邊上的所述磁體組之間具有磁極氣隙，所述中央磁極片在所述磁體之間為產(chǎn)生于所述磁極氣隙的磁通提供返回通路，所述磁路用于在所述磁極氣隙之內(nèi)產(chǎn)生磁場，所述磁場在全部所述蒸發(fā)表面上具有平行于所述蒸發(fā)表面的分量。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的用于濺射或電弧蒸發(fā)的陰極，其中所述橫向限制裝置包括用于在所述蒸發(fā)表面上產(chǎn)生垂直磁場分量的磁性裝置，所述垂直分量附加于所述平行分量，在所述蒸發(fā)表面附近產(chǎn)生所述磁場的凈曲率，所述曲率包括在全部所述蒸發(fā)表面上的區(qū)域中的磁力線的中凸拱起隧道；所述磁性隧道用于按圍繞所述陰極周邊的閉合通路，在所述蒸發(fā)表面上引導濺射等離子體或者至少一個電弧放電點，阻止所述濺射等離子體或者電弧點橫向移出所述蒸發(fā)表面。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的濺射陰極，其中所述橫向限制裝置包括在所述蒸發(fā)表面的所述兩邊緣的突出部分，所述突出部分具有從所述蒸發(fā)表面向外延伸的壁，并且與所述陰極電氣連接；所述壁在所述蒸發(fā)表面上伸出至少約2mm的距離；所述蒸發(fā)表面上的所述磁力線的至少一部分通過所述壁；所述突出部分用于防止濺射等離子體沿所述磁力線橫向擴散出所述蒸發(fā)表面。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的濺射陰極，其中所述橫向限制裝置包括至少兩個靠近所述蒸發(fā)表面的所述邊緣設(shè)置的側(cè)電極；所述電極具有從所述蒸發(fā)表面向外延伸的壁，并且與所述陰極電絕緣；所述壁在所述蒸發(fā)表面上伸出至少2mm的距離；所述側(cè)電極被電氣浮置或者以陰極電位以上的電壓使其電偏置；所述蒸發(fā)表面上的所述磁力線的至少一部分通過所述壁；所述側(cè)電極用于防止濺射等離子體沿所述磁力線橫向擴散出所述蒸發(fā)表面。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的蒸發(fā)陰極，其中所述橫向限制裝置包括靠近所述蒸發(fā)表面的所述邊緣設(shè)置的絕緣體裝置，所述絕緣體裝置用于防止電弧放電點移出所述蒸發(fā)表面。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的蒸發(fā)陰極，其中所述橫向限制裝置包括在所述蒸發(fā)表面的所述兩邊緣的突出部分，所述突出部分具有從所述蒸發(fā)表面向外延伸的壁，并且與所述陰極電氣連接；所述壁在所述蒸發(fā)表面上伸出至少約2mm的距離；所述蒸發(fā)表面上的所述磁力線的至少一部分通過所述壁；所述突出部分用于防止電弧點橫向移出所述蒸發(fā)表面。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，包括至少兩種待蒸發(fā)材料的至少兩個矩形棒的端與端的布置。
17．根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，包括安裝裝置和蒸發(fā)元件裝置，所述蒸發(fā)元件裝置包括圍繞所述安裝裝置整個周邊安裝的多個可替換元件，所述可替換元件包括至少一種待蒸發(fā)材料，所述蒸發(fā)表面包括所述可替換元件。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的陰極，其中所述可替換元件包括至少兩種不同的待蒸發(fā)材料。
19．一種基片涂敷或離子注入用設(shè)備，包括真空室和泵裝置、至少一個權(quán)利要求1的陰極、陽極裝置、電源裝置和基片安裝裝置。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述基片安裝裝置包括多個安裝心軸、所述心軸設(shè)置成圍繞所述陰極的圓環(huán)陣列；所述心軸的圓環(huán)陣列具有圍繞陣列中心旋轉(zhuǎn)的裝置；每個所述心軸具有圍繞其自軸旋轉(zhuǎn)的裝置。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述基片安裝裝置包括多個安裝心軸，每個所述心軸包括用于安裝多個待涂敷或注入基片的裝置；所述心軸設(shè)置成至少2直線陣列，所述直線陣列的至少之一設(shè)置成面對所述陰極的所述第一對平行側(cè)邊的每一邊；所述直線陣列具有用于在平行于所述第一平行側(cè)邊并且垂直于所述陰極的所述長度的方向移動的裝置；所述心軸的每一個具有用于圍繞其自軸旋轉(zhuǎn)的裝置。
22．一種用于濺射或電弧蒸發(fā)的陰極，具有基本是矩形的剖面，所述陰極的長度大于所述矩形剖面的任一邊長尺寸，所述陰極具有四個側(cè)邊和兩端，所述四個側(cè)邊包括第一對平行側(cè)邊和第二對平行側(cè)邊。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的陰極，其中所述陰極包括含有至少一種蒸發(fā)材料的蒸發(fā)表面，所述蒸發(fā)表面包括所述第一對平行側(cè)邊和所述兩端。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的陰極，其中所述蒸發(fā)表面具有兩邊緣，每個邊緣由所述蒸發(fā)表面與所述第二對平行側(cè)邊之一的交叉線所限定。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的陰極，包括橫向限制裝置，用于把濺射等離子體或者至少一個電弧放電點橫向地限制在所述蒸發(fā)表面的所述邊緣之間。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的陰極，包括磁場發(fā)生裝置，用于在所述蒸發(fā)表面附近建立磁場，所述磁場由磁力線表示，所述磁場在全部所述蒸發(fā)表面上具有的分量，平行于所述蒸發(fā)表面并且垂直于所述陰極的所述第二對平行側(cè)邊，所述磁場用于按圍繞所述陰極周邊的閉合路徑在所述蒸發(fā)表面上引導濺射等離子體或者至少一個電弧放電點，以便所述待蒸發(fā)材料從所述蒸發(fā)表面蒸發(fā)。
全文摘要
公開了一種直線磁控型陰極,可以用做蒸發(fā)或等離子體源,用于涂敷溶積或離子處理。該陰極具有伸長的矩形棒形狀,從圍繞棒周邊、沿兩相對側(cè)邊和圍繞兩端的蒸發(fā)表面發(fā)生材料的蒸發(fā)。在整個蒸發(fā)表面上建立磁場,其具有平行于該表面并且垂直于陰極縱向的分量,圍繞周邊形成閉合磁性隧道,引導電弧或濺射等離子體放電。通過選擇磁場強度和橫向限制裝置,該陰極可以構(gòu)型為用于濺射或陰極電弧蒸發(fā)。
文檔編號C23C14/32GK1224771SQ9812589
公開日1999年8月4日 申請日期1998年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月26日
發(fā)明者理查德·P·韋爾蒂 申請人:蒸汽技術(shù)公司