反应磁控管溅射装置和方法

专利名称：反应磁控管溅射装置和方法
技术领域：
本发明涉及用来在基片上形成绝缘光学涂层的非常低压力的反应磁控管溅射装置和方法。在这种应用中的本发明涉及光学干涉滤光片这一专业技术领域，这种光学干涉滤光片适用于(例如)激光镜和输出耦合器。在这种类型的薄膜里，薄膜散射、吸收和缺陷必需维持在最低程度。至今，只知在这方面作出成功努力的薄膜加工方法是离子束溅射(IBS)或一种较小程度的离子辅助淀积(IAD)。下面将进一步介绍IBS。
现有技术利用IBS已制造出需要非常低水平的散射和吸收的光学涂层。使用这种方法，将在一非常高真空环境里将在500至1500电子伏特能量范围内的高能离子束射向由所需的涂层材料组成的靶子(源)。离子轰击使得靶子点阵发生动量变化，从而自靶子溅射或迁移出原子(核素或粒子)。然后，溅射的核素凝结在基片上。腔室里的压力最好维持在一个很低的水平上，以便防止溅射的粒子与本底气体气相碰撞。
有大量资料提供了IBS相对于其它涂敷技术、诸如蒸发及其它溅射方法具有改进光学薄膜性能的理由。
在美国专利Re 32,849号“制造多层光学薄膜的方法”里，韦等人最初发现用于激光高反射镜的IBS的好处。在韦等人的专利里，只要利用单个离子枪照射一个靶子就可产生用于激光镜的四分之一波束。

图1(它是韦等人的专利中的图1的复制件)显示了一离子枪“A”、一靶子“B”和一基片“C”。在这个系统里，氩气(惰性气体)的本底水平保持在1.5×10-4乇这个非常低的压力水平上。而反应气体(氧气)的压力被设置在能确保淀积水平的适当化学计量比的水平上，即在高折射率材料为5×10-5乇和低折射率材料为3×10-5乇的范围内。
斯科特等人的、专利号为4,793,908、名称是“用来制造多层光学薄膜的多个离子源方法和装置”的另一个IBS专利使用韦等人的专利，并增添了对准基片的第二离子束，而该基片部分是由所需的反应核素组成的。第二离子束提供改进的光学性能。图2(它是斯科特等人的专利中的图2的复制件)显示了离子枪“A”、靶子“B”、基片“C”和第二离子枪“D”。在这个专利里，斯科特等人指出，IBS已在传统的磁控管溅射上进行了改进，即“…利用这种装置可使腔室里(例如，在基片表面处)的气体压力处于1毫乇的十分之几或百分之几范围内。这是一个巨大的进步，因为最后形成的薄膜趋向于包含更少的气体原子，并具有改进的区域结构和原子充填密度”。见第2栏第14-19行。
利用上述技术可生产所谓“低损耗”薄膜，诸如小于500ppm甚至100ppm的损耗的薄膜或涂层。例如，当用于一种诸如高反射激光镜的用途中时，用上述技术生产的薄膜可具有远小于100ppm的总损耗。这里使用的术语“低损耗”薄膜或涂层(除非另有说明)均指具有小于500ppm损耗的薄膜或涂层。
“损耗”涉及除反射之外的任何方式，或者说总损耗=1-R，而R = 1-T-A-S其中，R是反射，T是传送，A是吸收，S是散射。
福森和克恩在“薄膜加工”这本书(Academic出版社，纽约，1978年)里将IBS说成不同于其它溅射加工，因为“低的本底压力在往基片的道路上提供较少的气体结合和较少的溅射粒子的散射”(“低的本底压力”在原文里是斜体字)。如上面讨论的，这对于淀积光学薄膜来说是一个显著的优点。
诸如蒸发精炼之类的非溅射技术不能形成适合于高质量用途的薄膜。在真空条件下对涂敷材料加热并使其在该处蒸发的蒸发技术几乎不能提供溅射的动能，使薄膜以多孔柱状方式生长。此外，由于俘获的气体膨胀或不均匀的加热可能产生的源材料的小的源爆发，这种蒸发加工会从热源射出小的粒子。为此，蒸发加工只能用于形成相当低公差的涂层。
直流或磁控管溅射已被用来形成供相当低公差或低薄膜质量用途使用的绝缘涂层。通常，这些方法包括用惰性气体填充腔室，然后将惰性气体电离以形成低能等离子体。接着对一靶子充电，使其达到400至900伏特范围的负电位，这对用高能带电离子轰击靶子以及溅射来自靶子的原子或分子粒子有作用。然后，溅射的粒子凝结在基片上。直流溅射被用来溅射金属。射频溅射利用直流电流净值为零的振荡靶子电压使绝缘靶子被溅射。
在反应直流溅射的情况下，即将反应气体加入腔室以在基片上形成复合薄膜的情况下，最好有发生在基片上而不是靶子上的反应，因为当靶子由反应的绝缘核素覆盖时，除了靶子上的电弧作用增加外，还将严重地降低淀积速度。现有技术中的许多技术是用来对付这个问题的，它们都是某种形式的靶子和基片隔离，就是使靶子上的反应气体压力维持在一个低水平上，防止靶子“中毒”，而基片上的反应气体压力维持在一个高水平上，以影响反应。
在授予斯科比等人的、名称为“磁控管溅射装置和加工”的第4,851,095号美国专利里，零件在一高速鼓上穿梭移动，而高速鼓在一维持很高压力氩气的淀积区和一包含高能反应气体等离子体的反应区之间。
在授予马尼夫等人的、名称为“反应淀积方法和装置”的第4,392,931号美国专利里，靶子材料通过一小孔或缝隙溅射在一转动鼓上。惰性工作气体进入靶子室，而反应气体进入腔室的其余部分。所述缝隙限制向靶子流动的反应气体的量。在鼓上设立一区域，以便电离反应气体和增加薄膜透明度。
谢雷尔等人的、名称为“在基片上涂敷介质的装置”的第4,931,169号美国专利也公布了一种通过小孔进行溅射的方法，并给直流驱动电压产生一个交流场分量，以防止产生电弧。在谢雷尔等人的专利里，交流场被认为具有增加淀积速度的额外作用，因为在振荡的电子和工作气体之间的碰撞增加了。该交流场还被认为具有允许涂敷压力降低至0.5乇的另外的作用。
授予迪特里希等人的、名称为“给基片提供薄层的装置”的第4,946,576号美国专利也公开了在阴极和基片之间使用孔隙，并在流过反应气体的基片附近添加正电压。反应气体由阳极电离，该阳极具有改善薄膜化学计量比的作用。授予迪特里希等人的、名称为“金属和半导体混合物的反应汽相淀积的方法和装置”的、编号为第4,572,840号的另一个美国专利在磁控管和基片之间使用一流动约束，它至少等于空间横截面的40％。
在所有上面引用的现有技术里，源至基片的距离较短。在斯科比等人的专利里，该距离约是10cm；在马尼夫等人的专利里，该距离是10cm；在谢雷尔等人的专利里，该距离是4cm；迪特里希等人的’842号专利使用了6cm的距离作为一个例子，而迪特里希等人的’576号专利未涉及该距离。有关在低压和长发射距离的情况下使用磁控管溅射的设想已经作了介绍。邦德等人在“先进的涂敷发展提纲，最后报告”(1994年6月)(美国新墨西哥州，Kirtland空军基地，Phillips实验室，PL-TR-93-1033)中提到了利用8英寸的磁控管在直径为8英寸或更小的适当大小的基片上进行涂敷的一种磁控管溅射加工。为了获得适当的淀积速度，邦德将磁控管倾斜20°角。邦德通过一种“气体分离加工”降低在磁控管上的反应气体压力，这种“气体分离加工”通过一总管将反应气体导入或靠近基片平面和磁控组件的反面，而惰性工作气体则通过在磁控管上的一防护屏。这样做是为了减少在靶子上的中毒和电弧作用，并有助于提供完全反应的和按化学计量比的薄膜。由于较高的本底气体压力降低薄膜密度，邦德企图降低腔室里的惰性气体压力，而该腔室使用配备有特别高强度磁铁的磁控管。邦德系统的特点是一般只有0.5至1.5/秒的较低的涂敷速度。这种较低的涂敷速度通常可归因于靶子的中毒、电弧作用、弱的薄膜反应和低的外加功率。
此外，在所有上面引用的现有技术里，除了谢雷尔等人的专利和邦德等人的报告之外，在基片和靶子之间的总压力被维持在大约3×10-3乇的传统的溅射压力上。
本发明的简要说明本发明的主要目的是生产相当于IBS生产出来的质量的、但是在直流磁控管溅射系统里进行的、具有非常高充填密度、光滑表面和低散射的光学薄膜。
实现这个目的的方法和装置包括一在真空容器里的传统的磁控管溅射系统，而该真空容器装备着具有非常高抽运速度的真空泵。一环绕着磁控管和靶子材料的气体总管将惰性工作气体(氩气)限制在磁控管的附近。当该气体自磁控管区域扩散和膨胀时，具有非常高抽运速度的真空泵将该膨胀气体从腔室里高速消除。这样，腔室里的压力将随真空泵的抽运速度和磁控管挡板的限制效率而变化。反应气体通过离子枪进入腔室，且离子枪使该气体电离并使它对准基片。这将有效地减少给薄膜提供适当的化学计量比所需要的气体量，以及减少在磁控管处的反应气体。
本发明显然不同于已知的、先前的磁控管溅射技术和传统的离子束技术。它的特点是非常低的腔室压力，包括非常低的反应气体压力和非常低的惰性气体压力。诸如O2、N2和NO等的反应气体的压力(在被涂敷的基片表面处测量)较佳的是在2.0×10-5乇至1.5×10-4乇的范围内，最好是在3×10-5乇至9×10-5乇的范围内。这有利于减少或消除在由反应气体引起的在磁控管处的电弧作用和使源“中毒”。在较佳的实施例里，诸如氩气、氪气、氙气等惰性气体首先被引导至磁控管处。使该惰性气体发生一个急剧的压降，较佳的是使其具有在5.0×10-5乇至2.0×10-4乇的范围内的压力，最好使其具有在5×10-5乇至1.5×10-4乇的范围内的压力。这种低的腔室压力可提供较长的平均自由程(MFP)，并相应地允许较长的投射行程距离而不会在腔室气体和溅射材料之间发生过度的碰撞。通过较长的、较佳的是大于12英寸、最好大于20英寸或更长的投射行程距离可获得良好的涂层均匀性。非常低的腔室压力有可能使用较长的投射行程距离。即，虽然使用这种较长的投射行程距离，还是能够利用同样高的磁控管功率水平获得很高的涂层淀积速度。通过异常地使用非常低的腔室压力可避免由较高的磁控管功率水平和较长的投射行程距离通常会引起的薄膜或涂层质量的损失。这样，本发明的较佳实施例与IBS的若干关键的加工条件(例如，它们在上面所述的同样压力范围内工作)一模一样，但使用了直流磁控管溅射系统。这种基于磁控管溅射的新颖系统显著地改进了涂敷速度和淀积高质量薄膜涂层的相应成本及生产率。
附图的简要说明图1是本发明的技术背景部分中提到的韦等人专利中的图1的复制件；图2是本发明的技术背景部分中提到的斯科特等人专利中的图2的复制件；图3是本发明装置的横剖视示意图；图4是本发明的磁控管溅射设备的横剖视示意图；图5是带有多个磁控管溅射组件的本发明装置的横剖视示意图；图6是显示室压力和室抽运速度之间关系的图表，假定磁控管压力是0.7微米，磁控管组件的传导率(CM)是3000升/秒；以及图7是显示室压力和室抽运速度之间关系的图表，假定磁控管压力是0.4微米，磁控管组件的传导率(CM)是3000升/秒。
较佳实施例的详细说明如上所述，图1和2显示了能够在基片上产生高质量绝缘涂层、以形成可用于环形激光陀螺仪的反射镜。现在将要介绍的本发明能产生同样高质量的涂层，但使用直流反应磁控管溅射系统来代替IBS。惰性气体(例如，氩)的本底压力可维持在韦等人和斯科特等人的专利所述的水平之上、或之下、或相同。利用本发明制造的薄膜的性质可与IBS涂层相比，其中，它们具有格外高的填充密度，以及光滑表面和低散射。例如，按照这里公开的较佳实施例制造的高反射激光镜的总损耗远远小于0.01％或100ppm。
图3和4显示了这里公开的方法和按照该方法制造的装置的较佳实施例。壳体10形成一真空室11，其中包含一低压磁控管组件12和一具有许多可转动行星齿轮14的行星式基片支座13。各行星齿轮14固定一面向磁控管组件12的基片。在这个实施例里，磁控管组件12的顶部与行星齿轮之间的距离L1是16英寸。磁控管组件12通过导管17与工作气体(氩)16的供应源连通。在这个实施例里，壳体10是半径为48英寸的圆球，但其它的形状同样也适用。壳体10具有一下套筒18，它与真空室11连通，并包含一高速真空泵20，而一门阀21位于真空泵20和真空室11之间。真空泵当然是用来降低和维持真空室的压力，使其处于一个非常低的水平上，即在5×10-5乇至1.5×10-4的惰性气体压力范围内。
可用于这里公开的实施例里的典型的高速真空泵包括涡轮泵、低温泵和扩散泵。在本发明里可使用一种较大的泵，诸如16英寸的低温泵，或16英寸的涡轮泵，或16英寸的扩散泵，但较佳的是16英寸的低温泵或16英寸的扩散泵。这些泵的抽运速度大约是16英寸的低温泵为5000升/秒(氩)，16英寸的扩散泵为10000升/秒(参看Leybold产品和真空技术手册，1993年版)。还可使用更大的、诸如20英寸的泵，它们的抽运速度是低温泵(N2)为10000升/秒，扩散泵(N2)为17500升/秒(参看Varian真空产品目录1991-92年)。上述抽运速度在泵的喉部。
磁控管组件12与行星式基片支座13的旋转轴线(主中心线22)垂直对齐，并与供监视参考芯片23用的支座垂直对齐。在这个实施例里，磁控管组件顶部和行星齿轮之间的行程或距离L1是16英寸。各行星齿轮和其上的基片环绕它们自己的中心线24转动。这种行星式支座是常用的，除了下面指出的不需要进一步描述，即在这个实施例里，行星齿轮的直径是15英寸，基片的直径是15英寸，或者比15英寸小的任何尺寸，而各行星齿轮的中心线与主中心线22的距离L2是14英寸，以便容纳大的基片。也可使用较大的行星齿轮，例如24英寸的行星齿轮，以便适应尺寸相应增加的基片和投射行程距离，由此可获得更大通过速度的改进。
离子枪26的用虚线27表示的输出倾斜地朝向基片支座13，而它的进口通过导管30与反应气体混合物28的供应源连通。离子枪是这样设置的，即使它输出的离子和气体混合物覆盖整个基片支座13，在这个实施例里，离子枪的顶部与行星齿轮的距离L3是20英寸。离子枪的主要功能是双重的。首先是以与斯科特等人专利类似的方法修正和改善薄膜性能。第二个功能可能更重要，即用来维持低的反应气体本底压力。由于离子枪，反应气体被电离并对准基片。然后，反应气体的动量携带着它只向着基片，而不向着会产生飞弧和速度衰减的磁控管。少量的、向磁控管扩散的气体不会显著地影响它的工作。典型的反应气体压力在2×10-5乇至1.5×10-4乇范围内，较佳的是在3×10-5乇至8×10-5乇范围内。
还可使一适当的热阴极压力计31与真空室11连接，以便测量真空室里的压力。此外，在真空室里设置一可环绕支杆33摆动的光闸32，以便阻挡用虚线34表示的磁控管组件12的输出。支杆33以任何适当的方式连接在平台35上，并连接在一使支杆摆动的设备(未画出)上。该光闸被用来预溅射，以便消除靶子上的污染，当装置在涂层淀积于基片的空隙之间空转时该污染可能冷凝在靶子的表面上。
如图4所示，磁控管组件12包括一靶子支座36，它具有一由壁38围成的腔室37和靶子材料40。腔室36的中央是普通磁铁41，它们由通过管道42和43的循环水流进行水冷却。由支座固定的金属靶子材料40也用水进行冷却。与支座36略微隔开并用绝缘体45密封的总管44通过导管17(见图3)与工作气体16的供应源连接，该总管能使气体完全环绕着支座的顶部并在金属靶子材料40的上面流动。总管44具有基本与金属靶子材料尺寸相同的开口51，以便让溅射的靶子材料和工作气体射出(用线34表示)。这种磁控管可从美国科罗拉多州的Material Sciences of Boulder买到，且直径一般是6-8英寸，带有高强度磁铁。
当认识到本发明在不受IBS或其它已知技术的约束而具有通过磁控管溅射产生非常高质量薄膜涂层能力时，也会认识到本发明是相对现有技术的一个很大进步。
本实施例的上述尺寸和压力---16英寸的投射行程距离，15英寸直径的行星齿轮，15英寸或以下直径的基片，以及自离子枪的顶部至行星齿轮、伴随着在2×10-5乇至1.5×10-4乇范围内的非常低的反应气体压力和在5×10-5乇至2×10-4乇范围内的非常低的惰性气体压力的20英寸行程---也显示出本发明与现有技术的巨大差别。
将本发明较佳实施例的通过速度与用来制造激光品质反射镜的传统的IBS系统的通过速度进行比较
从上面可以看到，本发明的通过速度比传统的IBS系统的通过速度快20至120倍。涂料通过速度是涂敷速度和基片面积的函数。
此外，本发明的方法可方便地按比例放大装置的尺寸。上述所有尺寸可方便地增加至少2倍，以便对直径为30英寸或更大的光学基片涂敷具有良好一致性的激光品质低损耗涂层。按比例缩放是一种简单的线性结果。较大的系统使用较大的磁控管和更多的加工气体(例如，氩)。真空泵也需要相应地增大，以适应较大的腔室和增加加工气流。
这样，如上所述，本发明可制造在直径上比现有的IBS系统所制造的大许多倍的(例如)激光品质反射镜。
本发明较佳实施例的16英寸的长行程和高的与低的腔室压力将允许两种或更多的材料被并行地淀积，以形成由材料混合物组成的高级光学薄膜。图5显示了在真空室11里的两个源---磁控管组件12和磁控管组件12a，以作为多源的一个例子(在增加的源下加下标和使用与图3相同的其它所有标号是为了简化这里的描述)。
通过控制能有效地控制淀积速度的各源的功率大小，可用两种或更多种材料的混合物形成所选定折射率的涂层。该混合物可是均匀地遍布涂层，以形成折射率确定的薄膜，或是不均匀的，从而对整个薄膜来说涂层的成分、进而其折射率是变化的。一种普通形式的不均匀薄膜被称为“有折痕的”滤波器，其中，折射率以正弦曲线方式变化，它具有形成窄陷波反射镜效果。
为了使这种多源系统维持低压，对于两个并行的淀积源来说抽运速度必须大概增加1倍，或对于N个源来说抽运速度必须大概增加N-1倍。对于本技术领域的技术人员来说，增加抽运速度将是一个简单的实践，一般包括增加泵的尺寸或给腔室提供更多的泵。然而，实际上，由于来自源的速度是叠加的，故不必给两个并行的源提供与用于单个源的动力相同大小的动力以维持涂敷速度，这样，可将源制成较小的尺寸，以便使用较少的气体。
可用于本发明的另一种装置是可从美国科罗拉多州的Advanced Energy ofBoulder买到的、商标是SPARC-LE的电弧减少电子装置。在图3中，自带直流电源48的SPARC-LE 46通过电缆47与磁控管组件12连接。在图4中，SPARC-LE 46同样地与两个磁控管组件12和12a连接。这种装置有助于减少飞弧，但不是本发明的方法和装置所必需的。
从上所述可看到，该磁控管系统是在很低的压力下进行工作。惰性气体的腔室压力将是磁控管压力的函数。本发明的最重要之处是，如图4所示，低的总压力区50(A+O2)总是大大低于较高的氩气压力区52。
腔室里的压力可利用已知的压力-流量方程式求出(见Leybold产品和技术手册第18-5页，1993年版)PC=FAr/CPPM=FAr/CM+PC其中PC是腔室里的压力；FAr是(通过磁控管)进入腔室的氩气流量；CP是高真空泵的传导率(腔室抽运速度)；PM是磁控管里的压力；CM是由于气体约束而在磁控管处的传导率(磁控管的约束效率)。
通过换算，腔室压力可写成PC=PM/(CP/CM+1)这是一个重要的关系式，因为它显示出腔室里的压力取决于腔室的抽运速度(CP)。它还显示出，如果腔室的抽运速度是低的，那么腔室里的压力将大致等于磁控管里的压力。这种低抽运速度类型的系统在现有技术里已是众所周知的，其中，在泵的前面设置一个节流阀，以降低抽运速度。见上述福森和克恩的书第156页。然而，如果腔室里的抽运速度是大的，如本发明所述的，那么腔室压力相对于磁控管压力变低。
利用上述方程式，可对如图6和7所示的、已知抽运速度的任何新的腔室确定腔室压力。如附图所清楚显示的，通过增加腔室的抽运速度可获得任何适当的理想压力。如果降低在磁控管里工作的惰性气体压力(对某些类型的磁控管是可能的)，那么整个压力曲线将相应降低。这可通过比较图6和图7的压力曲线看出，其中，图6中的曲线相对磁控管压力为0.7微米和磁控管组件传导率(CM)为3000升/秒，而图7中的曲线相对磁控管压力为0.4微米和磁控管组件传导率(CM)为3000升/秒。横坐标显示的抽运速度是完全可实现的-一例如，通常使用的20英寸扩散泵的速度达17500升/秒，而32英寸的扩散泵的速度达32000升/秒。
从上面的讨论可看到，在不超出本发明真实范围和精神的情况下可对这里详细描述的光学多路装置作出许多补充和改进。而所有这些改进和补充将由下面的权利要求书所覆盖。
权利要求
1．一种在一基片上淀积溅射粒子、以形成低损耗光学涂层的方法，它包括以下步骤将基片置于一真空室里，该真空室具有一溅射粒子的磁控管和源，以及部分地遮盖磁控管的惰性气体挡板，所述基片具有面向与其相距较长投射行程距离的所述源的表面；使磁控管工作，自所述源溅射粒子以在基片表面上涂敷，还包括将惰性气体引导至所述挡板；用高速高真空泵自真空室迅速抽取和减少惰性气体；以及使电离的反应气体对准基片表面，以便于反应涂敷，从而在基片表面形成低损耗光学涂层。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源和基片之间的投射行程距离至少是20英寸。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源是一混合物源，将混合物溅射粒子淀积在所述基片上。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括给多个溅射粒子、以便淀积在所述基片上的源提供多个磁控管的步骤。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使基片相对所述腔室转动的步骤。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在腔室里的惰性气体压力被维持在小于2.0×10-4乇大于5×10-5乇的范围里。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片表面位于真空室里横向偏离磁控管的固定位置上。
8．一种通过磁控管溅射在一基片表面上形成涂层的装置，包括一真空室，其中具有磁控管系统；在磁控管系统里的靶子材料，用来形成溅射粒子；引导惰性气体至靶子材料附近的设备；使腔室里的压力维持在5×10-5乇至2.0×10-4乇范围里的设备；引导电离的反应气体朝向基片表面的设备；以及基片定位设备，它位于腔室里，与靶子材料长距离间隔，由此，溅射粒子从靶子材料至基片飞行至少12英寸的较长平均自由程。
9．如权利要求8所述的装置，其特征在于，引导电离的反应气体的设备包括一离子枪。
10．如权利要求8所述的装置，其特征在于，一总管部分地包围着磁控管系统，并具有进入真空室和面向基片的开口。
11．如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括一电弧降低设备。
全文摘要
一种在基片上形成光学薄膜的方法和装置,该装置具有安装着传统磁控管溅射系统和异常高速真空泵的真空室。惰性气体的低压在5×10
文档编号C23C14/35GK1222204SQ96180323
公开日1999年7月7日 申请日期1996年6月10日 优先权日1996年6月10日
发明者迈克尔·A·斯科比 申请人:康宁Oca有限公司