专利名称：沉积材料形成镀层的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁控溅射离子镀的物理汽相沉积技术的设备，也就是说以原子和/或 离子形式，通过电火花将材料沉积到一个接收基底上，例如在上面形成镀层。
背景技术：
溅射是一个众所周知的工艺，在一个低气压气的环境下，一个辉光放电的阴极作 为在辉光放电中产生的离子的目标。这些离子被一个电场加速向目标运动。它们对目标的 撞击置换了所述目标表面上的微粒；这些微粒被沉积在一个适当放置的基底上形成镀层。 已经知道的是，所述辉光放电的密度可被磁控效应显著增大，磁控效应导致电离的电子被 束缚在一个区域中，在这个区域里，电场和一个附加的磁场正交。这就是磁控溅射的基础， 磁控溅射的沉积速率约是那些非磁控电极的十倍，而且使得溅射能在更低的气压下发生。 放置磁铁为了在目标中间或者表面上产生磁力线。离子镀是一个公知的工艺，在一个真空设备中产生的金属蒸汽被沉积到基底上， 同时基底被离子轰击。所述离子轰击提高了镀层的粘附程度和结构质量。所述离子镀的金属蒸汽可以用包含溅射在内的多种技术产生。如果在离子镀中， 溅射被用作所述蒸汽源，这种技术就叫做溅射离子镀。如果，在离子镀中，磁控溅射被用作 所述蒸汽源，这种技术就叫做磁控溅射离子镀。在离子镀中，沉积过程中轰击样本的离子可以用多种方法产生。在基本的离子镀 方法中，离子是由把样本作为阴极的异常辉光放电方法产生的。这是一种低效的工艺，一般 每1000个原子中有1个在一次异常辉光放电中被电离。流向样本的离子流是微弱的，并且 即使样本被施加一个大的负电压，也不足以产生在许多应用中所需要的致密镀层。所述电离可以用多种方法加强。比如，可以通过一个热灯丝和一个相对于所述灯 丝是正极的电极来增加电离电子，或者一个中空的阴极也能被用于提供丰富的电子。相比于用额外的灯丝和电极提高电离度，用本身就能作为电离源的蒸汽源更方 便。一个热灯丝电子枪汽化器，一个电阻加热坩锅和一个简单的二极管溅射电极普遍用作 产生一些额外电离的沉积源。另一方面，空心阴极电子枪，辉光放电电子枪和电弧源都能产 生超过50%电离度的强电离而无需附加电离，并且因此能在电离镀设备中被用于产生致密 镀层。磁控溅射电极已经被用在离子镀设备中，而且它们确实能够增强电离，但在过去 这并没有有效影响镀层的结构和产生致密镀层。一个最近的发展是用一个具有内部磁体和 外部磁体，并且外部磁场的场强比内部磁场的场强要高很多的不平衡磁控管。外部磁体产生的额外磁场线束缚电子从所述的磁控放电中逃脱，并且阻止它们移 向腔体的不同的接地部分。这些电子在加电偏压的基底附近引发电离，并且产生的离子由 于基底偏压被吸附到基底，基底接收到了比平衡磁控情况下更大的离子流。然而，所述的电 离度仍然低于沉积致密镀层所需的水平，除非外部磁体被制造成格外的强大。因此，已经清楚的是，现有许多产生溅射或者离子镀用的离子的方法。发明内容本发明的目的是提供一种改进的磁控溅射离子镀设备，带有更高的有用离子的密度。根据本发明，第一个方面，这里提供了一个磁控溅射离子镀设备包含一个磁控溅 射离子镀设备包括电场装置，用于产生一个指向一个待镀层的基底的电场和磁场装置，所 述磁场装置包括至少两个磁控管和/或磁体组件，每一个都具有内部部分和相反极性的外 部部分，其特征在于所述磁控管和/或磁体阵列设置为一个磁控管和/或磁体组件的外部 部分和其他，或另一个磁控管和/或磁体组件的外部部分，放置在相邻位置。并且，至少一 个所述磁控管或磁体组件具有相反极性。在一个实施例中，所述磁控管和/或磁体组件排 列成毗连的磁控管和磁体组件有相反极性的外圆环。内部的极可以是一个单一的磁条，或者是一条或者是一组磁条。该外部“环形”极 可由一个单一磁体或者许多并排分离的磁体产生。“环”不需要是圆柱状的或是圆形的。但 是，可以是正方形或者其他合适的形状。两个磁控管和/或磁体组件由磁通量建起的联系把电子束缚在设备中，并且增加 发生的电离数量。因此，我们可以提供实际的磁控溅射离子镀设备，该设备通过平衡磁控或 者不平衡磁控管或带有中度场强的外部磁体的磁体组件可以显著增大电离。优选地，所述外部，环，极相对于待镀层的基底的位置是有角度地放置的，使它们 在那个基底上呈一个大角度。所述设备可以包括多个磁控管和/或磁体组件，该磁控管和 /或磁体组件毗连的外部极或端部具有相反极性的。所述磁控管和/或磁体组件优选地是 环绕基底的，并且基底可以大概在所述磁控管和/或磁体组件的中心位置。优选地，它们是 在基底周围的一个多边形或者环形等角的位置。在一个实施例中，安排一个磁控管，然后一 个磁体组件，再是一个磁控管，依此类推。在基底和磁控管和/或磁体组件之间，电场沿着半径扩展。所述基底作为一个负 电势，基底的负电势范围从0到一个相当高的值，比方说。1000V。磁控极包含一个产生离子的源材料的目标优选地，有偶数个磁控管和/或磁体组 件。所述设备可以进一步包括一个泵口，来控制设备中的电离化气体，比如在氩气，的 压强。根据本发明的第二个方面，本发明包括一种磁控溅射离子镀的方法，其中多个磁 控管和/或磁体组件之间的磁通包含一个闭环，该闭环束缚几乎所有进入到环内的电子。用这种方式，电镀设备的离子密度显著增加。 在一个实施例中，提供所述装置一系列磁控管。可替换地，所述装置被提供了磁控 管和磁体组件，所述磁体组件位于对应的磁控管之间。在每种方案中，磁控管和磁体组件外 部部分的极性是根据本发明所描述的情况来选择的。在一个实施例中，所述方法包括清洗 待镀层的基底并且沉积材料在其上的过程。在一个实施例中，所述基底被清洗，一个黏附的材料涂层被涂上，另一个涂层在之 后也被涂上。本申请所描述的设备允许改进的将镀层材料应用到设备中的基底，同时阻止电子从镀层腔体中逃脱。所提供的具有一个与相邻磁控管或磁体组件的外部部分相反极性的外 部部分的磁控管和/或磁体组件，意味着电子被持有在基底或有待镀层的基底所处位置的 镀层腔体内。这确保了所被实现的镀层具有高质量。这也保证了在先于镀层的在基底上操 作的初始清洗过程中，基底能被更高效地清洗，从而使得镀层材料对基底的应用和粘附得 以改进。
本发明的实施例由具体的例子来描述，参考下面的附图图la和b图示描绘了一个磁控溅射离子镀设备，包含两个磁控管，并且描绘了根 据本发明的磁性的设置图2图示描绘了另一个设备，并且显示了在两个磁控管相邻的时候的磁性设置图3描绘了一个磁控溅射离子镀设备的实际方案图4显示了图3中的实施例较之一个已知的设备在离子流大小方面的提高图5描绘了本发明的另一个实际实施例图6显示了同图3相似但已改进的磁控溅射离子镀设备图7显示了本发明的另一个实施例图8显示了一个有四个磁极组件的磁控溅射离子镀设备图9描绘了一个流向基底 的离子流同偏压的关系图9描绘了一个流向基底的离子流同偏压的关系图10描绘了图8中的设备的一种变体具体实施方式
图la和b和图2图示显示了本发明的基本概念。在图la和b中，两个磁控管1 和2各有一个外部环磁体3和一个中心核磁体4。在图la，可以是一个实际设置，磁控管1 的外部磁体3是一个“南”极，并且所述内部中心核磁体4也具有“北"极(在它们的场中 接近一个基底7)。磁控管2的外部磁体5是北极，它的核6是南极(它们的场中接近有基 底7)因此，磁控管1和2的磁场线形成一个连续的障碍，束缚那些从磁控管等离子区飘移 出的电子。图la和b也显示了待镀层的基底7，覆盖了所述磁控极暴露面的源材料的目标靶 8，以及磁场B，磁场具有一个软的铁底板来完成它们的内磁场电路。从图la和b中可以看出，所述磁场8完全包围基底7，并且形成了一个束缚电子的 环。因为电子无法逃脱设备，所以他们可以提高基底的电离，创造比之前技术更高的电离密度。图2显示了邻近放置的两个磁极组件，磁通B仍然连同了两个组件之间的空隙，并 且阻止了电子从它们的空隙中逃脱。至于图3，描绘了一个本发明的一个实际形式，基底7位于三角形中心，3个磁极组 件10，11，12在空间上大致等角地放置在基底7周围。磁控管10和12，11和12邻近的外 部磁体组件具有相反的磁性。一个泵口 17位于两个邻近且有相同性极的磁体组件10和11 之间。磁场线18在磁控管10和12，11和12的邻近端扩展，并且阻止电子从磁控管10和12，11和12之间的空隙逃脱，因此电子无法从设备的接地部分逃离，除了在泵口的区域 在设备的腔室内冲入惰性气体，比如氩气，电子在腔内被一个施加在磁控目标靶8的电势 差加速去电离气体，产生更多的电子和氩离子。所述氩离子在腔室内轰击源材料靶8，。并 且产生源材料的镀层。氩离子也轰击基底。磁场线B形成了一个连续的障碍，阻止电子从 磁控放电中漂移，并且保证了这些电子在完成它们的提高被施加负电偏压的基底的辉光放 电的有效功能之前不会从设备中消失，增加流向基底的离子流。要指出的是，在每一个例子 中，显示的一个或者多个磁控体可以被一个具有相同磁性设置的磁体组件所代替，以维持 磁通。图4描绘了本发明所能达到的提高效果。线X表明在图3中所述的离子流与不同 的偏压电压的关系，该图是在类似图3情况下，但每个磁控极组件是相同的(例如，具有外 部磁体组件的所述三个磁控管都具有南极磁性，就像磁控体10和11之间那样)，这样在邻 近的磁体间没有磁通。Y线显示了图3实施例的离子流远远更高。因为邻近组件之间的磁 通束缚了电离化的电子。图5显示了磁控溅射设备的另一个实施例。四个磁控管20在基底7为中心的圆 环周围等角地放置。每个磁控管都和图1描述的磁控管类似，且类似组件具有类似的参考编号。提供了一个泵口(图中未显示)在所述四个磁控管平面的外面。例如所述设备在 整体上可以是尘箱的圆柱形状。所述泵口在尘箱的底部，磁控管和基底在底部上面。磁场B在基底周围形成一个连续圆环，且把电子束缚在环内。因为磁极组件为偶 数，磁通环是完整的。磁控管和/或磁体组件是偶数个是具有优势的。六个或者八个磁极 组件也被认为是好的配置数，但是如果需要，可以提供更多。邻近的磁体具有相反极性的外 部磁体组件。图6描绘了和图3类似的一个设备，但是是经过修改的，减少了在泵口附近的两个 磁极组件之间的区域的电离化的电子的流失。相似的组件被标识为相似的参考数字。一个 电极部件25设置在磁体10，和11，的相同极性的邻近的极之间。部件25提供了与这两个 相似邻近的极相反极性的一个额外的磁极。部件25包含一个磁体26和一个铁磁性材料的 帽27。电极部件25在一个漂浮电势上(相对于地势)。从磁体10'和11'发散出的磁场 线被磁电极25吸附，并且提供了一个束缚电子的闭环。图6所示的额外磁电极可以被放置在一个镀层设备中具有相似极性的相邻磁电 极之间，提供了一个阻碍电子从磁控放电脱离的障碍。增大了电离强度和流向加偏压的基 底的离子流。图7示出了本发明的另一个实施例，有六个磁极组件，每个相邻外部磁极组件具 有相反极性。图8示出了一个具有四个磁极组件30，31，32和33的磁控溅射离子镀设备磁极组 件30和32具有相反极性，但是磁极组件33则有和磁极组件30和32邻近的磁极和磁体组件30和32具有相同极性。一些磁场线线34没有闭合，脱离设备。然而，磁极组件31和33也有连接相反极性的区域的磁场线35。一个适当程度的 闭合磁场仍然存在，我们仍能达到增加电离的目的。一个图8设备的变体在图10中显示出来，将在下面讨论[0053]磁体组件数量为偶数，相邻组件具有相反极性是优选的(如图5和图7的实施 例)，但是另外的一些设置也能有效工作图9比较了不同磁控溅射离子镀设备的性能。S轴表示施加到基底的偏压(单位 是伏特)，T轴表示到基底目标的离子流。线40到45表明磁控设备性能有以下特征线40，三个磁极组件(平衡)，具有相同极性，用铁磁性磁条线41，三个磁极组件(不平衡)，具有相同极性，用铁磁性磁条线42，三个混合或可变极性的磁极组件(不平衡)，用铁磁性磁条(如图3中的实 施例)线43，三个混合或可变极性的磁极组件(不平衡)，用铁磁性磁条，增加了一个虚 拟的或者额外的磁极组件(如图6的实施例)线44，四个混合或可变极性的磁极组件(不平衡)，用铁磁性磁条线45，四个混合或可变极性的磁极组件(不平衡)，用NdFeB磁条“混合”极性磁控管对提高电离的效果是明显的，即便用的是铁磁性磁条这种相对 微弱的磁体。如果用更强的磁性材料，如NdFeB磁体，电离提高的效果将更大。图3和图5显示了三个或者四个磁控管的安排，被用于沉积氮化钛和其他硬的镀 层。由“混合”磁控管产生的高电离效应在沉积高黏附性能和硬致密结构的镀层中起重要 作用。在一个实施例中，所述方法包括在使用材料之前清洗基底的步骤。这个方法的目的 是提供一个高质量的致密结构和良好黏附性能的镀层。根据本发明，在一个例子中所述方 法包括在一个标准的处理过程，如图5中所述的四个Ti目标靶，沉积一个化合物镀层例如， TiN。可以通过施加低电压到磁控管，而施加一个高偏压到基底上，基底被高能氩离子 轰击，得到良好的黏附性能。因为从CF设备的等离子提高，轰击强烈的，并且产生有效的清 洗。磁控管上的能量增加，而基底上的偏压减少是为了在最佳条件下沉积。第一粘附层是 Ti，大约0. 2微米厚，然后引入氮，产生氮化物的镀层。在许多先进的电镀中，两个或者三个化合物镀层被加上去，通常是复合层的形式。 一个同本发明结合的是一个CrAITiN镀层的应用。如图5，如果提供四个磁控管，并且进行 离子清洗(如上)，增加磁控管的能量，并减少基底的偏压。这创造了一个CrAITi合金的粘 附层。这种合金镀层通常有高度应压力，可以导致粘附失败。如果粘附层是一个单元素金 属会好很多。在这种情况下，离子清洗，两个Cr目标靶被加能，这些Cr目标靶能量的增加， 沉积一个0.2微米的Cr粘附层。并且Al，Ti目标靶加能，同时引入氮。在这个过程中，有 效的离子清洗以及Cr粘附层被沉积，这对于取得最好结构是非常重要的图8展示了一种合适的设置Cr目标靶31、33具有相反极性，30A1和32Ti都是南 极，因而图8所示的在许多先进电镀中的各种设置是可取的设置。对于另外的镀层，例如， Graph it iC(TM。Teer CoatingsLtd涂层有限公司)镀层，Cr目标靶应用于31和33位置， 用于离子清洗，沉积粘附层，并且碳目标靶用于30和32位置。因此，根据本发明，所述设备可以被用于基底离子清洗，第一粘附层的应用。然后， 接着改变设备操作参数。执行将主要的材料沉积到基底在其上产生所需的镀层。在一个进一步的实施例中，设备在电镀设备顶部和底部提供电离化电子逃脱的通 道。在这个实施例中，在设备顶部和底部，电板处于一个浮动电势上。[0068]在一个实施例中，利用设备的方法包括在离子清洗之后，用相反极性配置的磁控 体目标31和33沉积一个粘附层，并且从磁控体目标30和32上沉积材料。图10显示了这
些设置。在这种情况下，沉积仅从目标靶30和32来，其中一个外部磁极的设置为一种极 性，而另一个的外部磁极有相反极性。这样的极性设置是有利的，如图10所示。在这种情况下，31和33被提供了不同极性，如图所示。且30和32也被设置为相 反极性。这对于沉积某些镀层例如MoST沉积是重要的，例如31和33可用于Ti目标，沉积 一层硬底层TiN。然后，我们可用30和32作为MoS2目标，在低能状态下，沉积和一个Ti目 标相连的MOST。所述对基底的离子轰击是由于那些由基底附近的辉光放电产生的且因施加 在基底的负电偏压而被吸引至基底上的离子造成的。所述偏压可以是一个直流电压，或者 是一个射频功率(RF)也可以被施加到基底上以产生感生负电压。当基底是一个电绝缘材 料和/或镀层材料是电绝缘时，所述的射频技术是必要的。但是，在基底和镀层材料是导电 的情况下也能被使用。由混合磁极设置带来的增强的电离所产生的镀层黏附性能和结构上的改进在DC 和RF基底偏压下都能产生。
权利要求一个沉积材料形成镀层的设备包括电场装置，用于产生一个指向一个待镀层的基底(‘77‘)的电场(E)和磁场装置(1，2；10，11，12；20)，所述磁场装置包括至少两个磁控管(1，2；10，12)和/或磁体组件，每一个都具有内部部分和相反极性的外部部分，其特征在于所述磁控管和/或磁体阵列设置为一个磁控管和/或磁体组件(1；10)的外部部分和其他，或另一个磁控管和/或磁体组件(2；12)的外部部分，放置在相邻位置；并且，至少一个所述磁控管或磁体组件的外部部分具有相对于其他或另一个磁控管和/或磁体组件的外部部分的极性的相反极性。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于磁控管和/或磁体组件被设置为，邻近的磁 控管和磁体组件具有相反极性的外部环。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于外部极放置的角度相对于待镀层的基底 (7 ；7’ )的位置放置，使它们在基底上成一个大角度。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述设备包括多个磁控体和磁体组件， 它们邻近的外部部分具有相反极性。
5.根据权利要求1或2或3所述的设备，其特征在于所述磁控管和/或磁体组件(1， 2 ；10,12)放置在所述基底的周围，并且基底一般在这些磁控管的中心位置。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述磁控管和/或磁体组件是在所述基底 周围一个多边形或者环上的等角的位置。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于有偶数个磁控管和/或磁体组件。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于至少有3个或者4个磁控管和/或磁体组件。专利摘要本实用新型涉及产生并且维持一个闭合场的设备，所述设备提供磁控管和/或磁体组件以在一个有待镀层的基底所处位置的一个镀层腔体内产生一个磁场。为了实现这一目标，至少提供两个磁控管和/或磁体组件，每一个都具有内部部分和相反极性的外部部分。所述磁控管和/或磁体阵列设置为一个磁控管和/或磁体组件的外部部分和其他，或另一个磁控管和/或磁体组件的外部部分，放置在相邻位置。并且，至少一个所述磁控管或磁体组件具有相反极性。
文档编号C23C14/35GK201614406SQ20082011236
公开日2010年10月27日 申请日期2008年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者丹尼斯·梯尔 申请人:梯尔涂层有限公司