专利名称：一种具有在线清洗功能的阳极装置及其应用方法
技术领域：
本发明属于物理气相沉积技术领域，具体地说属于溅射和电弧离子镀设备及其应用方法。
背景技术：
在溅射和电弧离子镀镀膜机中，通常用镀膜机腔体的金属内壁(或者内衬或者热屏)作为阳极吸收电子；在工艺过程中，在工件表面成膜的同时，阳极表面也逐渐被污染物所覆盖，使其导电性总是变化不定，严重情况下使阳极失去功能，出现所谓“阳极消失”现象，对膜层品质的稳定性影响很大，成为镀膜工艺控制过程中一个未被重视和难以解决的问题，长期困扰着溅射和离子镀镀膜的研究、发展及其产业化应用，迄今为止尚未得到一个清晰的认识和找到一个有效的解决办法。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有在线清洗功能的阳极装置及其应用方法。本发明的另一目的在于提供一种镀膜机，可以对其中的阳极实现在线清洗。
为实现上述目的，本发明的主要内容是提供一种阳极装置，其中包括可旋转的阳极(可水冷)及阳极清洗装置。通过在线周期性地清洗阳极的部分表面，使其恢复到原来的导电良好状态。其中阳极可由金属或者其它导电材料制成并可以在其内部设置磁场。
阳极清洗的具体方案可以分为简单的机械方式和离子刻蚀方式两类；与之相对应的上述阳极清洗装置可以是机械清洗装置或离子刻蚀清洗装置。其中，机械清洗装置是设置与阳极的工作面平行的摩擦条，并具有横向的力源，以施加横向力使摩擦条被压在阳极表面上，通过阳极旋转使摩擦条与阳极表面对磨，将阳极的工作表面上所生成的沉积物薄膜清除掉，恢复阳极表面的良好导电性，如此在线周期循环，阳极可长时间地保持导电良好状态，从而保持镀膜工艺过程的长期稳定性。
将离子刻蚀方式详述如下上述的离子刻蚀清洗装置包括阳极，在阳极外侧设置的屏蔽壁，在屏蔽壁和与之相对的阳极表面的部分圆周区域间所形成的局部封闭空间中设置布气装置和清洗极，在外部配备清洗电源并使清洗极的电位相对于阳极为正；阳极表面因旋转可周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，使阳极的工作面上在镀膜空间内产生的沉积物薄膜被清除，恢复到原来的导电良好状态；阳极通过这种连续在线清洗作用长时间地保持导电良好状态，从而保持镀膜空间内的等离子体、电场和温度场分布稳定，增加镀膜过程中工艺的稳定性和可控性。
上述可旋转的阳极为圆柱形或圆盘形或圆环形，可绕其中心轴线旋转。当阳极为圆柱形时，清洗过程中通过内部磁场控制，在阳极进入上述局部封闭空间内的外表面上，形成发射方位固定的长条形溅射跑道，跑道的轴向长度等于或者略长于其工作长度，由清洗极和清洗电源激励起辉进行惰性气体离子溅射刻蚀清洗，其废弃物被封闭在局部空间中；在此局部空间中，经由布气装置充入惰性气体，并使所充入惰性气体的气压略高于(或等于)镀膜空间的气压。当阳极为圆盘形或圆环形时，圆盘或圆环的一部分扇区作为工作面，面向镀膜机腔体内的被镀工件方位；同时在另一部分扇区内(处于封闭空间中)形成发射位置基本固定的溅射跑道，在阳极的半径方向上使溅射跑道径向尺寸等于或长于其工作部分的径向尺寸。由配备的辅助刻蚀清洗电源激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，所产生的废弃物被封闭在局部空间中。
本发明同时提供了一种应用该阳极装置的镀膜机系统，其中设置一套或多套上述阳极装置，系统中各发射源(溅射源和电弧源等)的电源和偏压电源的正极部分或全部与本阳极装置联接，而不像传统方式那样将这些电源组的正极与真空腔壁联接；同时，部分或全部本阳极装置与真空腔壁之间可以接入一个接地电源装置，并使阳极电位适当高于真空腔壁电位，以更好地控制电子运动。
这种具有在线清洗功能的阳极装置的应用方法是可旋转阳极的基本工作部分及其附近的部分区域，在镀膜工作过程中，可周期性地被清洗，从而使阳极表面上在镀膜空间内产生的沉积物薄膜被清除；所说的清洗可以是机械清洗或惰性气体离子刻蚀清洗。在惰性气体离子刻蚀清洗工作过程中，在局部空间内，在阳极表面的溅射跑道的辉光区由惰性气体离子对阳极进行清洗，阳极连续旋转而溅射跑道的相对方位不变，达到对整个阳极面的连续在线清洗；通过旋转，阳极表面上在镀膜空间内所产生的沉积物薄膜，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被溅射跑道的辉光方位的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，恢复到原来的导电良好状态，如此循环形成阳极连续在线清洗，即使在镀膜空间内的镀膜速度较高的情况下，也能够使阳极导电性能连续长时间良好，避免阳极导电进入劣化或失效状态，以保持镀膜工艺的持续稳定性和可控性。在镀膜腔体内，可以根据需要设置多套本阳极装置，以调控等离子体(特别是其中的电子)分布、电场及温度场分布等。
另外，通过调节清洗电源的功率，或者周期性开/关清洗电源并改变开通和关闭的时间比，使其与所需的阳极面沉积物薄膜的形成与清除比例相匹配，以达到最佳的刻蚀清洗效果而又不过多地消耗阳极材料。
在使用过程中，在预先溅射清洗阳极表面时，可以不开启主电源，只使用辅助刻蚀清洗电源、清洗极和通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转阳极表面进行预先刻蚀清洗。
本发明的效果是显而易见的通过实验证明，按照本发明的在线清洗阳极装置及其相关技术，旋转阳极具有连续在线清洗功能，即在阳极表面上，在一部分区域内作为阳极吸收电子的同时，在另一部分区域内进行清洗，使阳极表面导电性保持良好，基本保证了镀膜工艺的持续稳定性、可控性和重现性。本发明对于气相沉积的研究、发展和工业应用将产生深远影响。
图1.阳极装置在线工作和清洗示意2.在阳极的部分圆周区域与屏蔽壁形成的局部空间中溅射跑道刻蚀清洗示意3.阳极表面在线离子清洗过程的一个循环示意4.圆柱形阳极去掉磁场后在线离子溅射刻蚀清洗示意5.圆盘形和圆环形阳极在线清洗示意6.在镀膜机系统中设置多套在线离子清洗装置使用示意7.阳极装置在线机械清洗示意图在附图1～7中，1-圆柱形阳极，2-溅射跑道，3-电弧源，4-局部封闭空间，5-清洗极，6-布气装置的气管，7-辅助刻蚀清洗电源，8-主溅射电源，9-电弧电源，10-在阳极表面上形成的沉积物薄膜，11-屏蔽壁，12-圆盘形阳极，13-圆环形阳极，14-工件的转架，15-溅射靶，16-接地电源，17-阳极表面上的指定区域，18-在阳极无磁控时溅射清洗的辉光，19-工件偏压电源，20-摩擦条，21-弹力源。
具体实施例方式
现结合附图对本发明做进一步的说明，但具体实施方式
中所描述的具体方案并不构成对本发明保护范围的限制。
参见图1，本发明的阳极装置，包括可旋转的圆柱形阳极1及在阳极外侧设置的屏蔽壁11，屏蔽壁11和与之相对的阳极表面部分圆周区域间形成局部封闭空间4，并在该空间内设置阳极清洗装置。上述阳极清洗装置可以是机械清洗装置或离子刻蚀清洗装置。
参见图7，机械清洗装置是在阳极的非工作方位设置与阳极的表面平行的长条形的摩擦条20，并具有横向的力源21，以施加横向力使摩擦条被压在阳极表面上，通过阳极旋转使摩擦条与阳极表面对磨，将阳极的工作表面上所生成的沉积物薄膜清除掉，恢复阳极表面金属的良好导电性，如此在线周期循环，阳极可长时间地保持导电良好状态，从而保持镀膜工艺过程的长期稳定性。
参见图1及图2，离子刻蚀清洗装置包括阳极，在阳极表面的部分圆周区域与屏蔽壁11所形成的局部封闭空间4中设置布气装置，6为布气装置的气管，清洗极5，和在外部配套的清洗电源7并使清洗极的电位比阳极更正；阳极表面因旋转可周期性地进入局部空间4内被惰性气体离子刻蚀清洗，使阳极的工作面上在镀膜空间内产生的沉积物薄膜被清除，恢复到原来的导电良好状态；阳极通过这种连续在线清洗作用长时间地保持导电良好状态，从而保持镀膜空间内的等离子体、电场和温度场分布稳定，增加镀膜过程中工艺的稳定性和可控性。
上述可旋转的阳极可以是圆柱形(参见图1)或圆盘形或圆环形(参见图5)，可绕其中心轴线旋转。
参见图1，在清洗过程中通过内部磁场控制，在阳极进入上述局部封闭空间内的外表面上，形成发射方位固定的长条形溅射跑道2，由清洗极5和清洗电源7激励起辉进行惰性气体离子溅射刻蚀清洗，其废弃物被封闭在局部空间中；在此局部空间中，经由布气装置充入惰性气体，并使得所充入惰性气体的气压略高于(或等于)镀膜空间的气压。
本发明同时提供了一种镀膜机系统，其中设置一套或多套上述阳极装置(参见图1和6)，系统中各发射源(溅射源和电弧源等)的电源的正极和偏压电源的正极均与本阳极装置联接，而不像传统方式那样将这些电源组的正极与真空腔壁联接；同时，本阳极装置与真空腔壁之间可以接入一个接地电源装置，并使阳极电位适当高于真空腔壁电位，以更好地控制电子运动。
下面将具体描述本发明的阳极装置实现在线清洗的具体过程1)阳极在线机械清洗阳极可为圆柱形1或圆盘形12或圆环形13，可绕其中心轴线旋转，在阳极的背面或侧面设置与阳极的表面平行的粗糙度适当的摩擦条20，通过施加横向弹力使摩擦条与阳极面对磨，将阳极的工作表面上所生成的沉积物薄膜清除掉，恢复阳极表面金属的良好导电性，如此在线周期循环，阳极可长时间地保持导电良好状态，从而保持镀膜工艺过程中的长期稳定性(图7)。
2)阳极在线离子刻蚀清洗的主体结构阳极可为圆柱形1或圆盘形12或圆环形13，可绕其中心轴线旋转，通过内部磁场控制，在由部分阳极与屏蔽壁11形成的封闭的局部空间4内，在阳极的外表面上，形成一组发射方位固定的长条形溅射跑道2位于阳极背面或侧面，由配备的辅助刻蚀清洗电源7激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，其废弃物被封闭局部空间4内；阳极上的主要工作部分及其附近的部分区域在镀膜工作过程中，可周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，从而避免阳极的工作面进入失效状态(图1)。
2)本发明的局部空间结构阳极旋转所经过的部分圆周区域与屏蔽壁11形成局部空间4，其中设置清洗极5(一般通水冷却)和布气装置，通过气管6充入惰性气体(如氩气等)，使局部空间的气压P1略高于或等于镀膜空间的气压P2。
3)本发明电源的联接方式阳极与各种电源，如溅射电源(DC或脉冲或RF电源等)、电弧电源、偏压电源(DC或脉冲电源等)和接地电源等的正极联接，这些电源组的负极分别联接于溅射靶材、电弧源靶材、工件和镀膜腔体的外壳，进行镀膜；同时，辅助清洗电源7联接于阳极2与局部空间内的清洗极5(一般通水冷却)之间，并使清洗极5为正和阳极为负，激励起一组溅射跑道2方位的辉光溅射，对阳极表面溅射刻蚀清洗。
4)当阳极1为圆柱形时，其圆柱形外表面上形成的一组跑道2的轴向长度等于或者略长于其工作长度，在阳极正面工作于镀膜区域时，其背面的溅射跑道的辉光对阳极进行惰性气体离子清洗，阳极连续旋转而溅射跑道的相对方位不变，达到对其整个表面的连续在线清洗；通过旋转，阳极表面上在镀膜空间内所形成的沉积物薄膜，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被溅射跑道的辉光方位的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，使该部分表面再次进入镀膜区域时已经转变到良好的导电状态在阳极旋转一周的过程中，其表面上的各个不同方位依次分别逐渐通过镀膜(溅射或电弧)区域和清洗刻蚀区域在指定区域17中逐渐形成的沉积物薄膜10(A)→指定区域17逐渐移出工作区(B)→指定区域17进入清洗刻蚀区4(C)→指定区域17中沉积物薄膜10逐渐被溅射减薄或者清除(D)→指定区域17移出清洗刻蚀区4(E)→指定区域17逐渐进入镀膜区(F)→指定区域17完全回到镀膜工作区(A)，如此循环形成连续在线清洗。因此即使在镀膜空间内的成膜速度较高的情况下，整个阳极表面的工作状态也能够连续长时间保持良好的导电状态，避免阳极表面进入劣化或失效状态，保持工艺的持续稳定、可控和重现性(图3)。
5)作为该技术应用的一种方式，在实施过程中，在镀膜空间内，在阳极表面生成的沉积物薄膜10较少的情况下，可以关闭辅助刻蚀清洗电源7；也可以在工作过程中间断地打开和关闭辅助刻蚀清洗电源7，根据对阳极面生成的沉积物薄膜10进行连续地或者断续地在线刻蚀清洗的工作原理，保证在镀膜工艺过程中阳极表面导电性长时间良好。
6)作为该技术的另外一种简化，在实施过程中可以取消上述磁控阳极溅射跑道2，采用在局部空间内充入惰性气体，只利用清洗极5，使局部空间内的阳极表面在辅助刻蚀清洗电源7激励下产生辉光18并得到溅射刻蚀清洗，同样根据对阳极面生成的沉积物薄膜10连续地或者断续地进行在线清洗刻蚀的工作原理，保证镀膜工艺过程的长时间连续稳定(图4)。
7)依据上述特征1)～6)的方法和原理，阳极还可以设计为圆盘形12或者圆环形13，在阳极半径方向上使溅射跑道径向尺寸等于或长于其工作部分的径向尺寸；圆盘形或圆环形阳极的一部分扇区作为工作面，面向被镀工件位置进行镀膜；同时在另一部分扇区处于封闭的局部空间区内，相应地设置清洗极5并通入惰性气体6使其中压强略高于(或等于)镀膜空间压强，通过内部磁场控制形成发射位置基本固定的溅射跑道，由配备的辅助刻蚀清洗电源激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，所产生的废弃物被封闭在局部空间中。其原理和工作过程以及应用方式和简化方案等均同上述圆柱形阳极(图5)。
8)通过适当地调节辅助刻蚀清洗电源7的功率，或者周期性地开/关辅助刻蚀清洗电源7并改变开通和关闭的时间比，使其与所需的阳极面上的沉积物薄膜10的形成与清除比例相匹配，以达到最佳的刻蚀清洗效果而又不过多地消耗阳极材料。
9)采用本方案，在预先溅射清洗阳极表面时，不开启主电源(溅射电源8、电弧电源9和偏压电源19等)和不通入反应气体，只使用辅助刻蚀清洗电源7和极清洗极5及通过布气管6通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转阳极表面进行预先刻蚀清洗，就可以达到保持阳极导电性相对稳定的目的。
10)在镀膜机系统中，可以根据需要设置一套或者多套本阳极装置(图6)，以调控系统中等离子体中电子和离子的密度分布、电场分布及温度场分布等。
11)当在镀膜机系统中设置多套本阳极装置时，可以在各阳极与真空室的内壁之间，设置各自独立的接地电源，同时使各电源组(溅射、电弧和偏压等)的正极与其中一个或部分几个相联接；通过调整各阳极的不同接地电位，达到有效地调节整个镀膜空间中电子分布的目的(图6)。
权利要求
1.一种阳极装置，其特征在于其中包括可旋转的阳极及阳极清洗装置。
2.按照权利要求1所述的阳极装置，其特征在于上述阳极由金属或者其它导电材料制成并可以在其内部设置磁场；阳极清洗装置是机械清洗装置或离子刻蚀清洗装置。
3.按照权利要求2所述的阳极装置，其特征在于所述的机械清洗装置是设置与阳极的工作面平行的摩擦条，并具有横向的力源，以施加横向力使摩擦条被压在阳极表面上，通过阳极旋转使摩擦条与阳极表面对磨，将阳极的工作表面上所生成的沉积物薄膜清除掉，恢复阳极表面的良好导电性。
4.按照权利要求2所述的阳极装置，其特征在于所述的离子刻蚀清洗装置包括阳极，在阳极外侧设置的屏蔽壁，在屏蔽壁和与之相对的阳极表面部分圆周区域间所形成的局部封闭空间中，设置布气装置、清洗极，在外部配套清洗电源并使清洗极的电位比阳极更正。
5.按照权利要求1所述的阳极装置，其特征在于所述可旋转的阳极为圆柱形或圆盘形或圆环形，可绕其中心轴线旋转。
6.一种镀膜机系统，其特征在于其中设置一套或多套上述权利要求1-5中任一项所述的阳极装置。
7.按照权利要求6所述的镀膜机系统，系统中含有发射源电源和工件偏压电源，其特征在于所述发射源电源和偏压电源的正极部分或全部与所述阳极装置联接；同时，所述阳极装置部分或全部与真空腔壁之间接入接地电源装置，并使该部分或全部阳极电位高于真空腔壁电位，以更好地控制电子运动。
8.一种权利要求1～5中任一项所述的阳极装置的应用方法，其特征在于使用该阳极装置实现可旋转阳极的在线清洗功能；在线清洗是通过以下步骤实现的所述旋转阳极的基本工作部分及其附近的部分区域，在镀膜工作过程中，周期性地被清洗，从而使阳极表面上在镀膜空间内产生的沉积物薄膜被清除。
9.按照权利要求8所述的应用方法，其特征在于所述的清洗是机械清洗或惰性气体离子刻蚀清洗。
10.按照权利要求9所述的应用方法，其特征在于在所述惰性气体离子刻蚀清洗的工作过程中，在局部空间内，在阳极表面的溅射跑道的辉光区由惰性气体离子对阳极进行清洗，阳极连续旋转而溅射跑道的相对方位不变，达到对整个阳极面的连续在线清洗；通过旋转，阳极表面上在镀膜空间内所产生的沉积物薄膜，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被溅射跑道的辉光方位的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，恢复到原来的导电良好状态，如此循环形成阳极连续在线清洗。
11.按照权利要求10所述的应用方法，其特征在于通过调节清洗电源的功率，或者周期性开/关清洗电源并改变开通和关闭的时间比，使其与所需的阳极面沉积物薄膜的形成与清除比例相匹配，以达到最佳的刻蚀清洗效果而又不过多地消耗阳极材料。
12.一种权利要求1～5中任一项所述的阳极装置的应用方法，其特征在于在预先溅射清洗阳极表面时，不开启主电源，只使用辅助刻蚀清洗电源、清洗极和通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转阳极表面进行预先刻蚀清洗。
全文摘要
本发明提出一种具有在线清洗功能的阳极装置及其应用方法。在线清洗阳极可绕其中心轴线旋转，在局部空间中设置阳极清洗装置；由于阳极连续旋转而清洗装置的相对方位不变，达到对整个阳极面的连续在线清洗，从而保持阳极面始终处于良好的导电状态，提高了工艺的稳定、可控和重现性。
文档编号C23C14/00GK1884610SQ20051007734
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者刘阳 申请人:北京实力源科技开发有限责任公司, 刘阳