專利名稱：能穩(wěn)定沉積具有各種性能的各種材料的等離子膜沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子膜沉積裝置以在真空室內(nèi)通過產(chǎn)生的等離子束使用作陽極的爐子上安裝的材料汽化而在物件上沉積一層膜。
所了解的常規(guī)的等離子膜沉積裝置為離子電鍍裝置和等離子CVD(化學(xué)氣相沉積)裝置。作為離子電鍍?cè)O(shè)備，已了解到使用壓力梯度等離子體源或HCD等離子體源用作弧光放電型的等離子體源。
這樣一種離子電鍍?cè)O(shè)備包含一真空室，等離子束發(fā)生器(等離子源)，一個(gè)爐子，及一轉(zhuǎn)向線圈。真空室安裝有等離子束發(fā)生器且在真空室內(nèi)配置一爐子作為陽極。轉(zhuǎn)向線圈放置在真空室的外部以將由等離子體源產(chǎn)生的等離子束引入陽極。
在所描述的類型的離子電鍍?cè)O(shè)備中，等離子束產(chǎn)生于等離子發(fā)生器與爐子之間。將等離子束引導(dǎo)到設(shè)置于爐子上的材料上以用焦耳熱量加熱材料并因此將材料汽化。材料的汽化粒子被等離子束離子化。離子化的粒子沉積在提供有負(fù)電壓、浮動(dòng)電壓或自偏壓的基體的表面沉積。因此，膜沉積或成形于基體上。
這里，材料汽化如下。等離子束導(dǎo)入爐子中在爐內(nèi)相對(duì)于爐子和/或材料放電。當(dāng)電流流過材料時(shí)，在爐內(nèi)的材料瞬間加熱。這通常稱作放電點(diǎn)火。加熱的材料開始汽化。之后，材料繼續(xù)通過焦耳熱被加熱并蒸發(fā)。
在這種等離子膜沉積裝置中，當(dāng)?shù)入x子束產(chǎn)生時(shí)，爐子的溫度非常高。當(dāng)爐子內(nèi)的溫度非常高時(shí)，等離子束是不穩(wěn)定的且爐子可能熔化。因此，需要使用如水的冷卻劑以冷卻爐子。尤其是，將爐子設(shè)計(jì)成可使冷卻劑流入。為了循環(huán)使用冷卻劑以冷卻爐子，裝置設(shè)置有冷卻系統(tǒng)，它包括一用以抽送冷卻劑的泵和將泵和爐子的內(nèi)部彼此連接的輸送管。
當(dāng)這種等離子膜沉積裝置使用如氧化硅(SiO)，二氧化硅(SiO2)，氧化鎂(MgO)，氧化鋅(ZnO)，或三氧化二鋁(Al2O3)作為材料，難于使來自等離子束的電流流經(jīng)材料。且由于爐子的大部分覆蓋有如電絕緣材料的材料，因此很難由等離子束對(duì)爐子放電。因此，很難引起放電點(diǎn)火。即使放電點(diǎn)火發(fā)生，汽化材料也不會(huì)通過焦耳熱被加熱。因此，難于穩(wěn)定地沉積薄膜。
另外，由于容置于爐內(nèi)的材料被冷卻劑冷卻，一部分和爐子接觸的材料快速冷卻。尤其是，假如汽化材料是一種具有高熱傳導(dǎo)性的物質(zhì)，如鋁(Al)，材料部分被冷卻，不過大部分材料在高溫被加熱且熔化。在這種情況，具有經(jīng)常在爐內(nèi)發(fā)生濺，不正常放電，不穩(wěn)定熔化或在爐子上出現(xiàn)瘤狀物的殘留物的缺點(diǎn)。因此，也很難穩(wěn)定地沉積膜。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體膜沉積裝置，它能穩(wěn)定沉積如具有各種性能如電絕緣性，高熔點(diǎn)及高熱傳導(dǎo)率的材料的各種物質(zhì)。
隨著描述的進(jìn)行，本發(fā)明的另一個(gè)目的將變得更加明顯。
本發(fā)明的等離子膜沉積裝置很實(shí)用以用以在真空室內(nèi)由產(chǎn)生的等離子束通過汽化材料在物件上沉積一種膜。
按照本發(fā)明，等離子體膜沉積裝置包括放置于真空室內(nèi)的爐子，及一和爐子部分接觸的爐襯以在爐子和爐襯之間保持低的熱傳導(dǎo)性以容置材料。


圖1是常規(guī)的離子電鍍裝置的垂直剖面圖。
圖2顯示了按本發(fā)明的第一實(shí)施例的離子電鍍裝置的主要部分的垂直剖面圖。
圖3顯示了用于按本發(fā)明的第一實(shí)施例的離子電鍍裝置的爐子的另一個(gè)例子的垂直剖面圖。
圖4顯示了按本發(fā)明的第二實(shí)施例的離子電鍍裝置的主要部分的垂直剖面圖。
為了達(dá)到易于了解本發(fā)明的目的，參考圖1，描述了常規(guī)的離子電鍍裝置。離子電鍍裝置包括一氣密的真空室10。真空室10裝有經(jīng)過導(dǎo)向裝置12的等離子束發(fā)生器20。等離子光束發(fā)生器20可以是，例如，壓力梯度等離子槍，一轉(zhuǎn)向線圈31放置在導(dǎo)向裝置12的外部用以引導(dǎo)等離子束300。等離子束發(fā)生器20裝有一第一中間電極27和一第二中間電極28。第一和第二中間電極27和28用于會(huì)聚等離子束且在等離子束發(fā)生器20中同軸設(shè)置。第一中間電極27具有一永磁體27a以使它的磁化軸平行于等離子束發(fā)生器20的中心軸。第二中間電極28具有一線圈28a以使它的中心軸和等離子束發(fā)生器20的中心軸一致。
等離子束發(fā)生器20包括一絕緣管26將由第一和第二中間電極27和28確定的通道連接起來。絕緣管21可以是，例如，一玻璃管。一空心柱體22放置在絕緣管21中。圓柱體22由鉬(Mo)制成且放置一由鈦(Ta)制成的管子23。由LaB6制成的環(huán)形板24將由圓柱體22和管子23確定的空間分開。圓柱體22和管子23與導(dǎo)電部分25相連。導(dǎo)電部分25其上具有一載體氣體輸入口26以接收如惰性氣體的載體氣體。惰性氣體可以是，例如，氬氣。載體氣體通過管子23進(jìn)入真空室10。
經(jīng)過處理的基片100放置于真空室10中?；?00由輸送裝置61支撐?；?00與一直流電源相連以具有負(fù)偏壓。電學(xué)上用作陽極的爐子41放置于真空室10的底部且放置在基片100的對(duì)面。將輔助電極42定位以圍繞爐子41的外部圓周留出固定的空間。輔助電極42放置一永磁體。
導(dǎo)電部分25與可變電源90的負(fù)極相連接?？勺冸娫?0的負(fù)極分別通過電阻器R1和R2與第一和第二中間電極27和28相連接。爐子41與可變電源90及電阻R1和R2相連接。
氣體進(jìn)入口10a和氣體排出口10b成形于真空室10的側(cè)壁。氣體進(jìn)入口10a用于引進(jìn)如惰性氣體的載體氣體。惰性氣體可以是，如氬氣(Ar)或者氦氣(He)。氣體排出口10b用于從真空室10排出氣體。氣體入口10a與沒有顯示的氣體提供源相連接而氣體排出口10b與沒有顯示的氣體排出泵相連。
在上述提到的離子電鍍?cè)O(shè)備中，當(dāng)通過載體氣體進(jìn)入口26引入載體氣體時(shí)，在第一中間電極27和圓柱體22之間開始放電。因此，產(chǎn)生了等離子束300。等離子束300由轉(zhuǎn)向線圈31和輔助陽極42中的永磁體引導(dǎo)并到達(dá)作為陽極的爐41和輔助陽極42。
當(dāng)?shù)入x子束300到達(dá)爐41時(shí)，爐41上的材料200由焦耳熱加熱以汽化。材料200的汽化的微粒通過等離子束300離子化。離子化的微粒沉積于提供有負(fù)電壓，浮動(dòng)電壓，或自一偏壓的基片100上。因此，在基片100上形成膜。
在這種包括圖1顯示的裝置的等離子膜沉積裝置中，當(dāng)產(chǎn)生等離子束時(shí)，爐子被加熱至高溫。在這個(gè)過程中，等離子束變得不穩(wěn)定且爐子可能會(huì)融化。因此，需要冷卻劑如水來冷卻爐子。尤其是，將爐子設(shè)計(jì)成便于冷卻劑流入其中的結(jié)構(gòu)。為了使?fàn)t內(nèi)的冷卻劑循環(huán)，裝置裝有冷卻劑回路系統(tǒng)。冷卻劑回路系統(tǒng)包括用以抽運(yùn)冷卻劑的泵和用以循環(huán)冷卻劑的管路。
參照?qǐng)D2，按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的離子電鍍裝置作為等離子膜沉積裝置，包括與圖1中顯示的那些相同的部件。換句話說，離子電鍍裝置包括一真空室，一等離子束發(fā)生器(等離子源)，一爐子，一輔助電極42及一轉(zhuǎn)向線圈。如和圖1中一起提到的，等離子束發(fā)生器附著于真空室，爐子放置在真空室內(nèi)。放置輔助電極以與圍繞爐子41的外部圓周留下一固定的空間。輔助陽極42放置一永磁體。轉(zhuǎn)向線圈放置于真空室的外部以引導(dǎo)由等離子源產(chǎn)生的等離子束進(jìn)入陽極。
在離子電鍍裝置中，在等離子束發(fā)生器和爐子41之間產(chǎn)生了等離子束，等離子束被引導(dǎo)到材料200上以通過焦耳熱加熱材料200且汽化材料200。材料200的汽化微粒通過等離子束離子化。離子化的微粒沉積于提供有負(fù)電壓，浮動(dòng)電壓，或自偏壓的基片的表面。因此，膜沉積或成形于基片上。
爐子41和輔助陽極42由附著于真空室的底部的支撐板50支撐。爐子41通過絕緣板82由支撐板50電絕緣。輔助電極42通過絕緣板81由支撐板50電絕緣。中凹的部分41a成形于爐子41的上表面的接收材料200。中空空間41b用作冷卻空間，它成形于裝有凸緣的下部。中空空間41b與管子71c和71b相連接以循環(huán)作為冷卻劑的冷卻水。
輔助陽極42具有一中空環(huán)形磁鐵殼體。環(huán)形磁鐵殼體圍繞著爐子41的上部且和爐子41同軸設(shè)置。環(huán)形永磁體421和線圈422位于環(huán)形永磁體殼體中。環(huán)形永磁體421的極軸與垂直方向平行。線圈422協(xié)同環(huán)形永磁體421用以將等離子束引導(dǎo)進(jìn)入爐子41。環(huán)形磁體殼體具有一環(huán)形上部殼體423a和環(huán)形下部殼體423b。在這種情況，水冷空間成形于環(huán)形永磁體殼體內(nèi)。上部的殼體具有一進(jìn)入口和成形于其上的一排出口。進(jìn)入口和排出口分別和管子71a和管子71c相連，用以循環(huán)冷卻水。
離子電鍍裝置還包含一爐襯43用以容置材料200。
爐襯43具有電傳導(dǎo)性，耐熱性且是一其上端開放的圓柱體。爐襯43是由包括碳(C)，氮化硼(BN)，鉬(Mo)，鎢(W)，鈦(Ta)，及碳化硅(SiC)中的至少其中一種的材料制成的。
爐襯43和爐子41部分相接觸以保持低熱傳導(dǎo)性且在爐子41和爐襯43之間保持電傳導(dǎo)性。換句話說，爐襯43安置在爐子41上以使它們之間的接觸區(qū)域盡量小。特別是，爐襯43只和爐子41的內(nèi)部的底面接觸，且爐襯43相對(duì)于爐子41的內(nèi)部的側(cè)表面具有一空間。
在離子電鍍?cè)O(shè)備中，材料200如下汽化。將導(dǎo)入爐41的等離子束相對(duì)于爐襯43和/或爐子41放電。當(dāng)爐襯43發(fā)生放電時(shí)，材料200瞬間快速加熱。材料200瞬間加熱而開始汽化。之后，由于焦耳熱而產(chǎn)生的熱使材料200繼續(xù)汽化。
這里，由于爐襯43的大部分與爐子41的內(nèi)部的側(cè)表面分隔開，材料200不會(huì)瞬間冷卻。
當(dāng)在等離子束放電過程中，容置在爐襯43中的材料200的量減小時(shí)，轉(zhuǎn)換到爐襯43放電。因此，加熱材料200不會(huì)受到干擾。
另外，由于爐襯43具有電傳導(dǎo)性，可以使用如SiO，SiO2，MgO，ZnO或Al2O3的電絕緣材料作為材料200。
返回圖3，爐子41′是用于第一實(shí)施例的離子電鍍?cè)O(shè)備的爐子41的改型。爐子41″具有一內(nèi)凹的部分41a，一中空空間41b，及一成形于其內(nèi)部的底面的凸緣41c，爐襯43安置于凸緣41c上。
因此，爐襯43和爐子41′部分接觸以在爐子41′和爐襯43之間保持低的熱傳導(dǎo)性。換句話說，爐襯43與爐子41′接觸的接觸面積小于圖2中的情況，因此，材料200不會(huì)瞬間冷卻。
參照?qǐng)D4，除了爐子41″和襯里43′形狀分別和爐子41和襯里43不同外，按本發(fā)明第二實(shí)施例的離子電鍍裝置和第一實(shí)施例的離子鍍裝置相似。
離子電鍍裝置可以連續(xù)向爐襯43′中填加材料200′。爐襯43′和爐子41″部分接觸以在爐子41″和爐襯43″之間保持低熱傳導(dǎo)性。
爐子41″具有圓柱形狀。在圖4中垂直方向延伸的通孔41c″成形于爐子41″中。內(nèi)凹部分41a″成形于爐子41″的頂端。中空空間41b″成形于爐子41″的內(nèi)部的圓周上。環(huán)形中空空間41b″與管子71c和71b相連接以循環(huán)冷卻水。
配置輔助陽極42以圍繞著爐子41″的外部圓周留出一固定的空間。輔助陽極42具有一環(huán)形上部殼體423a，環(huán)形下部殼體423b，環(huán)形永磁鐵421放置在上部和下部殼體423a和423b之間的內(nèi)部的空間中。在上部和下部殼體423a和423b之間的內(nèi)部空間與管子71a和管子71c連接以循環(huán)冷卻水。
輔助陽極42由支撐部50a支撐。爐子41″通過其凸緣和絕緣板82掛在輔助陽極42的下部殼體423b上。在爐子41″和輔助陽極42的內(nèi)側(cè)面之間留出一小空隙。
爐襯43′具有一圓柱體形狀且放置在爐41″中。在爐襯43′和內(nèi)凹部分41a″的內(nèi)表面之間形成一空間。
離子電鍍?cè)O(shè)備具有一材料填充裝置36用以向爐襯43′中填充材料200′。材料填充裝置36包括一推擠桿35，具有一頂部平板部分36b的一螺旋軸36a，一螺母部分36d，一鏈輪36e，一驅(qū)動(dòng)帶鏈36f，及一支承部分38。
支承部分38附著于真空室10的底部。其中支承部分38這里支撐螺母部分36d以使螺母部分36d圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。鏈輪36e附著于螺母部分36d的圓柱面上。驅(qū)動(dòng)帶鏈36f與鏈輪36e及一發(fā)動(dòng)機(jī)(圖中未顯示)相嚙合。將螺旋軸36a擰進(jìn)螺母部分36d，且當(dāng)螺母部分36d在一個(gè)及另一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋軸36a可上下滑動(dòng)，但不旋轉(zhuǎn)。頂部平板部分36b與螺旋軸36a一體成型。推擠桿35與頂部平板部分36b相連。具有中空部分的頂部平板部分36b和推擠桿35分別彼此相連。頂部平板部分36b的中空部分和推擠桿35的中空部分和柔性管37和39相連接以循環(huán)冷卻水。柔性管37和39可和頂部平板部分36b和推擠桿35一起上下移動(dòng)。
當(dāng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶鏈36f和鏈輪36e時(shí)，螺母部分36d旋轉(zhuǎn)。螺母部分36d的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成螺旋軸36a，頂部平板部分36b和推擠桿35的上、下移動(dòng)。因此，放置于推擠桿35的材料200′在爐襯43′中上、下移動(dòng)。由于上述的結(jié)構(gòu)，離子鍍裝置能在不打開真空室的情況下，向爐襯43′填充材料200′。
以離子電鍍裝置中，爐料43′和爐子41″部分接觸以在爐子41″和爐襯43′之間保持低熱傳導(dǎo)性。換句話說，由于爐子41″具有由凹部分41a″，爐襯43′與爐子41″具有小的接觸面積。因此，材料200′不會(huì)瞬間冷卻。
權(quán)利要求
1.一種等離子膜沉積裝置在真空室內(nèi)通過產(chǎn)生的等離子束由汽化材料以在物件上沉積一種膜，所述的等離子膜沉積裝置包括一放置于所說的真空室內(nèi)的爐子；及一爐襯，與所述的爐子部分接觸以在爐子和爐襯之間保持低熱傳導(dǎo)性，以容置所說的材料。
2.按權(quán)利要求1所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于其中所述的爐料具有電傳導(dǎo)性，耐熱性，及上端和下端至少有一開放的容器形狀。
3.按照權(quán)利要求2所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中所述的爐襯由含有碳，氮化硼，鉬，鎢，鈦和碳化硅中的至少一種材料制成的。
4.按權(quán)利要求2所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中所說的爐子裝有冷卻裝置。
5.按權(quán)利要求2所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中所說的爐襯由所說的爐子支撐以使至少其上部與爐子的內(nèi)側(cè)面分離開。
6.按權(quán)利要求5所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中每個(gè)所述的爐子和所說的爐襯具有一其上端和下端開放的容器形狀。所述的等離子膜沉積裝置還包括一填充裝置以通過所述的爐子和所說的爐襯的下端向所述的爐襯中填充所述的材料。
7.按權(quán)利要求5所說的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中每一個(gè)所述的爐子和所述的爐襯具有一其上端開放的容器形狀。所述的爐襯安裝在所述的爐子上以使其外底表面和爐子的內(nèi)底表面接觸。
8.按權(quán)利要求7所述的等離子膜沉積裝置，其特征在于，其中所述的爐子具有一成形于其所述的內(nèi)底表面的凸緣部分。所述的爐襯通過所說的凸緣部分安裝于所述的爐子上。
全文摘要
由在真空室內(nèi)產(chǎn)生的等離子束通過汽化一種材料在物件上沉積一種膜的等離子沉積裝置中,爐子被放置在真空室中,爐襯和爐子部分接觸以在爐子和爐襯之間保持較低的熱傳導(dǎo)性。爐襯中放置有材料。
文檔編號(hào)C23C14/32GK1202535SQ9810178
公開日1998年12月23日 申請(qǐng)日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月9日
發(fā)明者田中勝 申請(qǐng)人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社