專利名稱：襯底鍍膜的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于給襯底涂敷一層如金屬之類材料的方法，在方法中在低本底壓力的空間內(nèi)蒸發(fā)大量導(dǎo)電材料并且為了蒸發(fā)這種材料而向要蒸發(fā)的材料供給能量。發(fā)明也涉及用于襯底鍍膜的設(shè)備，并且涉及用該方法或該設(shè)備獲得的襯底。
以上所述的方法是我們都知道的一種用于給襯底蒸鍍覆蓋材料(薄)層的技術(shù)；該方法通常稱之為物理汽相沉積(PVD)。在電子工業(yè)和光學(xué)工業(yè)里、在玻璃工業(yè)里和在作各種用途的鍍金屬?gòu)椈善闹圃旆矫孢@種技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槟軌蜻_(dá)到的量是可觀的并且沒(méi)有產(chǎn)生工業(yè)廢物，所以PVD是一種有吸引力的鍍膜方法。
在應(yīng)用PVD時(shí)，首先必須把鍍膜材料轉(zhuǎn)變成汽相。通過(guò)在通稱為真空室的有非常低的本底壓力的工作室中加熱鍍膜材料實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。通過(guò)加熱，鍍膜材料轉(zhuǎn)變成蒸汽直至達(dá)到處于與形成蒸汽的鍍膜材料加熱表面熱動(dòng)平衡的壓力。這樣的平衡蒸汽壓力對(duì)鍍膜材料向沉積蒸汽的襯底的傳送速度來(lái)說(shuō)是最重要的參數(shù)。平衡蒸汽壓取決于鍍膜材料的溫度。為了達(dá)到鍍膜對(duì)襯底的比較好的傳送速度，即比較好的每單位時(shí)間沉積的襯底上的鍍膜材料量，通常必須使鍍膜材料加熱到高溫。這些溫度往往大約是在大氣壓下的沸點(diǎn)的二分之一或者有時(shí)更高。實(shí)踐上，用于金屬的溫度是在用于鋅的大約600℃和用于鈮和錸的大約2200℃之間。像鉭、鉬和鎢之類金屬要求如此之高的溫度以致它們不用于PVD。像鈦、鉻、鎳、鋁等等之類金屬由于材料傳送速度低所以很少使用。
使用PVD的缺點(diǎn)是傳送速度主要是受由于高的處理溫度因此必須蒸發(fā)的鍍膜材料始終處于液態(tài)的實(shí)際情況的限制。因此，材料必須是在例如可以由陶瓷材料或者由銅制作的坩堝中。在后者的情況中，要求用水充分冷卻，以使凝固的鍍膜材料的薄膜覆蓋住銅，從而防止銅熔化或者也被蒸發(fā)而不損傷銅。冷卻銅坩堝的不利后果是大部分所供給的熱量由于冷卻而損失。陶瓷坩堝的使用限于高處理溫度下與坩堝材料不起化學(xué)反應(yīng)的鍍膜材料。由于大部分陶瓷材料是不良的熱導(dǎo)體所以使用陶瓷坩堝所要求的熱能輸送也出現(xiàn)問(wèn)題。
發(fā)明的一個(gè)目的是為用PVD給襯底鍍膜而提供一種改進(jìn)的方法和設(shè)備。
發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種鍍膜材料傳送速度比迄今的傳送速度盡可能高的這種類型的方法和設(shè)備。
發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種使得采用迄今不可能使用的一些應(yīng)用PVD的材料作鍍膜材料成為可能的這種類型的方法和設(shè)備。
根據(jù)發(fā)明的第一方面，由一種用于給襯底蒸鍍一層如金屬之類材料的方法達(dá)到這些目的中的一個(gè)或者更多個(gè)目的，在這種方法中在低本底壓力的空間內(nèi)蒸發(fā)大量導(dǎo)電材料和向要蒸發(fā)的材料供給能量以便使這種材料蒸發(fā)，在這種方法中，要蒸發(fā)的材料在蒸發(fā)時(shí)在空間保持浮動(dòng)，沒(méi)有支撐而是封閉在交變電磁場(chǎng)內(nèi)，并且在這種方法中通過(guò)高頻交流電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。
使要蒸發(fā)的材料的空間保持浮動(dòng)而沒(méi)有支撐意味著再?zèng)]有必要使用銅坩堝或者陶瓷坩堝。結(jié)果是，由于坩堝不形成限制因素，所以把更高的溫度賦于要蒸發(fā)的材料是可以行得通的。所以能夠增大蒸發(fā)的材料到襯底的傳送速度。由于再?zèng)]有必要使用坩堝，所以蒸發(fā)因它們能夠與坩堝材料反應(yīng)而迄今不可能使用的一些材料也是可以實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)外磁場(chǎng)和由此在導(dǎo)電材料內(nèi)感應(yīng)的渦流電流之間互相作用而產(chǎn)生的洛倫茲力使導(dǎo)電材料封閉在交變電磁場(chǎng)內(nèi)是可以實(shí)現(xiàn)的。
交變磁場(chǎng)是用高頻交流電流產(chǎn)生的。為了使在工業(yè)規(guī)模上足以滿足襯底鍍膜的每分鐘高效率地蒸發(fā)大量導(dǎo)電材料有可能實(shí)現(xiàn)，要求高頻交流電流使很大塊導(dǎo)電材料保持浮是可以行是通的。
我們都知道在交變電磁場(chǎng)中使導(dǎo)電材料浮動(dòng)并且使導(dǎo)電材料熔融歸屬于著名的“懸浮熔融”。在EP 0751361 B1中公開(kāi)了這種用途的方法和設(shè)備；在這種情況中，熔融金屬用于精密鑄造。應(yīng)該注意到仍一直在使用熔化材料不一定進(jìn)入接觸的水冷坩堝。在“第三屈金屬電磁處理國(guó)際論文集”，4月3-6日2000年，名古屋，日本，345-375頁(yè)(“3rdInternationalSymposium on Electromagnitic Processing of Materials，”April，3-62000，Nagoya，Japan，pp 345-375)中各個(gè)作者在許多論文中也描述了在交變電磁場(chǎng)中的懸浮熔融。然而迄今為止，懸浮熔融尚未與物理汽相沉積配合使用，繼蒸發(fā)之后根據(jù)發(fā)明的懸浮熔融為大家所不知。
交流電流的頻率較好的是10KHz或更高、更好是50KHz或更高、再好一些的是250KHz或更高、愈加好的是1MHz或更高、而最好是1.5MHz或更高。頻率的高低，例如如果要連續(xù)蒸鍍襯底，則與每單位時(shí)間要蒸發(fā)的材料量有關(guān)。這樣在所選擇的浮動(dòng)材料溫度下就要求一定的蒸發(fā)表面面積。這樣的浮動(dòng)材料量要求最小的在浮動(dòng)材料表面層內(nèi)的渦流電流而所以要求最低的交流電流頻率。
根據(jù)最佳實(shí)施例，通過(guò)用200A或更大的電流強(qiáng)度的交流電流、較好的用500A或更大的電流強(qiáng)度的交流電流、更好的用1kA或更大的電流強(qiáng)度的交流電流或者再更好的用4kA或更大的電流強(qiáng)度的交流電流流過(guò)線圈而產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。為了獲得大的熱容量必須選擇作為交流電流頻率高低的函數(shù)的交流電流強(qiáng)度。
最好是，在浮動(dòng)材料中消耗的功率至少是2kW，較好至少是5kW而更好至少是10kW。這是合乎要求的，因?yàn)楦?dòng)材料的蒸發(fā)隨著消耗功逐漸變大而增加。
根據(jù)一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的方法實(shí)施例，通過(guò)電磁感應(yīng)加熱來(lái)加熱要蒸發(fā)的材料。在這種方法中，能夠把要蒸發(fā)的材料加熱到所希望高的溫度。
作為一種替換或者添加，通過(guò)激光束加熱和/或電子轟擊加熱和/或感應(yīng)耦合等離子體加熱和/或電阻加熱能夠使要蒸發(fā)的材料加熱。所有這些加熱方法容易用來(lái)加熱浮動(dòng)材料。
最好通過(guò)交變電磁場(chǎng)最后收回要蒸發(fā)的材料的額外量來(lái)終止正在蒸發(fā)的材料。交變電磁場(chǎng)的收回材料的作用容易終止通過(guò)蒸發(fā)連續(xù)或者逐步減少的要蒸發(fā)的材料量。
根據(jù)一個(gè)有優(yōu)選的實(shí)施例，把線圈的交變電磁場(chǎng)的形狀取成分立區(qū)段的型式。如果要蒸發(fā)的材料被收回到交變場(chǎng)的分立區(qū)段區(qū)，則不干擾或者較輕微干擾正在蒸發(fā)的材料的交變場(chǎng)區(qū)段。
在這樣的情況下，要收回的材料最好不在空間中自由浮動(dòng)。那時(shí)容易把要收回的材料移到到空間中的一個(gè)地方，然后由交變電磁場(chǎng)收回要收回的材料。
根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步有優(yōu)熱的方法實(shí)施例，用與線圈分離的副線圈獲得交變場(chǎng)的分立區(qū)段。因此，能夠控制和調(diào)整收回要蒸發(fā)的材料的操作而與材料的蒸發(fā)無(wú)關(guān)。
以上方法最好用來(lái)蒸發(fā)鈦、鎂、錫、鋅、鉻、鎳或鋁，或者這些金屬其中一種與一種或更多種包括這些金屬或別的金屬的其他材料的混合物，因?yàn)檫@些是市場(chǎng)上買(mǎi)得到的重要鍍膜材料。在蒸發(fā)以后，一些材料可以與例如氧或氮之類反應(yīng)氣體反應(yīng)，因而形成非導(dǎo)體的氧化物或者氮化物。這種反應(yīng)可以在汽相期間發(fā)生或者在襯底上冷凝以后直接發(fā)生。
根據(jù)一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例，不間斷地給襯底蒸鍍一層材料。在許多情況下，這將意味著襯底以帶狀通過(guò)真空室，并且在一段帶在真空室內(nèi)滯留時(shí)間期間必須蒸發(fā)大量材料為那段帶鍍膜。迄今為止，因?yàn)榈偷膫魉退俣人砸陨纤鍪遣豢赡軐?shí)現(xiàn)的；然而，借助于如以上所述的方法，非常迅速地蒸發(fā)大量材料是可以實(shí)現(xiàn)的，而所以以工業(yè)規(guī)模給例如帶狀之類的襯底鍍膜是可以實(shí)現(xiàn)的。
發(fā)明的第二方面提供用于通過(guò)導(dǎo)電材料的蒸發(fā)給襯底蒸鍍一層像金屬之類的材料、包括裝有在工作室內(nèi)產(chǎn)生低本底壓力的裝置的工作室、用于接收要蒸發(fā)的材料的裝置和用于使要蒸發(fā)的材料加熱的裝置的一種設(shè)置。在這種設(shè)備中，根據(jù)發(fā)明，用于接收要蒸發(fā)的材料的裝置包括用來(lái)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)以便使要蒸發(fā)的材料料沒(méi)有支承而能夠浮動(dòng)的線圈。
線圈的設(shè)置就有可能使要蒸發(fā)的材料浮動(dòng)，這樣就對(duì)坩堝再?zèng)]有任何需要，因而借助于這種裝置能夠?qū)嵤┮陨纤龅姆椒ā?br> 線圈最好設(shè)計(jì)成通過(guò)高頻交流電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。由于線圈使用高頻交流電流，所以形成洛倫茲力能夠使要蒸發(fā)的材料保持浮動(dòng)的交變電磁場(chǎng)。
根據(jù)一個(gè)最佳實(shí)施例，用于使材料加熱的裝置包括電磁感應(yīng)線圈。因此，要加熱的材料能夠容易被加熱到高溫而沒(méi)有與要加熱的材料進(jìn)行接觸。
對(duì)于設(shè)備中的線圈來(lái)說(shuō)，最佳地形成上述高頻交流電流是可以實(shí)現(xiàn)的，并且最佳地形成上述交流電流強(qiáng)度也是可以實(shí)現(xiàn)的。
作為一種替換或者添加，用于使材料加熱的裝置包括一種激光光源和/或電子源。這些裝置雖然較少用來(lái)加熱要蒸發(fā)的材料但是也能夠用來(lái)加熱要蒸發(fā)的材料。
有一些用于使線圈與工作室隔離的最佳裝置。使線圈與真空室中的蒸發(fā)空間隔離易于使線圈與要蒸發(fā)的材料分開(kāi)并且使線圈在沒(méi)有沾污物質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)室而因此也沒(méi)有影響襯底的情況下能夠很好地冷卻。此外，冷卻劑在工作室中不會(huì)引起短路，因此使線圈承載高功率并且把高功率傳輸?shù)揭舭l(fā)的材料是可以行得通的。由于陶瓷是耐高溫的并且是抗冷卻劑的，因此最好用陶瓷材料制造隔離裝置。隔離裝置包括例如陶瓷管，因?yàn)樘沾晒苋菀咨a(chǎn)并且容易使用。
用于線圈的隔離裝置還提供使通過(guò)線圈產(chǎn)生的渦流電流在隔離材料上凝結(jié)的導(dǎo)電材料熔化或者蒸發(fā)，以便凝結(jié)的導(dǎo)電材料或是返回到浮動(dòng)材料作為熔融材料或是用作襯底鍍膜的蒸汽的優(yōu)點(diǎn)。所以隔離的線圈是自行凈化。
根據(jù)一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例，有用于以線材方式提供要蒸發(fā)的材料的加料裝置，以便在使用期間加滿蒸發(fā)的材料。由于事實(shí)是每單位時(shí)間一部材料被蒸發(fā)掉，所以必須不間斷地加滿要蒸發(fā)的材料；對(duì)于這樣的用途來(lái)說(shuō)，必須以真空室保持真空的方式來(lái)設(shè)計(jì)加料裝置。
測(cè)量設(shè)置最好是安排在工作室內(nèi)。這種測(cè)量設(shè)備用來(lái)控制工藝過(guò)程。測(cè)量設(shè)備除了別的以外最好是適用于例如用光學(xué)高溫測(cè)定法測(cè)量溫度。
發(fā)明的第三方面涉及用如以上所述的方法和/或如以上所述的設(shè)備生產(chǎn)的鍍有一層導(dǎo)電材料的襯底，其中導(dǎo)電材料最好是金屬，更好是鈦、鎂、錫、鋅、鉻、鎳或鋁，或者這些金屬其中一種與一種或更多種包括這些金屬或別的金屬的其他材料的混合物。
權(quán)利要求
1.一種襯底鍍膜的方法，用于給襯底蒸鍍一層金屬之類材料，其中在低背景壓力的空間中蒸發(fā)大量導(dǎo)電材料，并且向要蒸發(fā)的材料輸送能量以使這種材料蒸發(fā)，其特征在于要蒸發(fā)的材料當(dāng)其正被蒸發(fā)時(shí)在空間中保持浮動(dòng)而沒(méi)有支撐并且被封閉在交變電磁場(chǎng)內(nèi)，通過(guò)高頻交流電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中交流電流的頻率為10KHz或更高、較好是50KHz或更高、更好是250KHz或更高、再好一些是1MHz或更高、而還再好些是1.5MHz或更高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中通過(guò)用200A或更大的電流強(qiáng)度的交流電流、較好的用500A或更大的電流強(qiáng)度的交流電流、更好的用1KA或更大的電流強(qiáng)度的交流電流或者再更好的用4KA或更大的電流強(qiáng)度的交流電流流過(guò)線圈而產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其中在浮動(dòng)材料中消耗的功率至少是2KW、較好至少是5KW而更好至少是10KW。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的方法，其中用電磁感應(yīng)加熱使要蒸發(fā)的材料加熱。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中用激光束加熱和/或電子轟擊加熱和/或感應(yīng)耦合等離子體加熱和/或電阻加熱使要蒸發(fā)的材料加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)交變電磁場(chǎng)最后收回要蒸發(fā)的材料的額外量來(lái)終止蒸發(fā)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中線圈的交變電磁場(chǎng)被取形成交變場(chǎng)的分立區(qū)段收回要蒸發(fā)的材料的方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中要收回的材料的空間中不自由流動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中用與線圈分開(kāi)的副線圈獲得交變場(chǎng)的分立區(qū)段。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中蒸發(fā)鈦、鎂、錫、鋅、鉻、鎳或鋁，或者這些金屬其中一種與一種或更多種包括這些金屬或別的金屬的其他材料的混合物。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)權(quán)利要求的方法，其用一層材料連續(xù)覆蓋襯底。
13.一種襯底鍍膜的設(shè)備，用于通過(guò)導(dǎo)電材料的蒸發(fā)給襯底蒸鍍一層金屬之類的材料，包括裝有在工作室內(nèi)產(chǎn)生低本底壓力的裝置的工作室、用于接收要蒸發(fā)的材料的裝置和用于使要蒸發(fā)的材料加熱的裝置，其特征在于用于接收要蒸發(fā)的材料的裝置包括能夠用來(lái)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)以便使要蒸發(fā)的材料沒(méi)有支撐而能夠浮動(dòng)的線圈。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中線圈設(shè)計(jì)成用高頻交流電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的設(shè)備，其中用于使材料加熱的裝置包括電磁感應(yīng)線圈。
16.根據(jù)權(quán)利要求13、14或15的設(shè)備，其中用于使材料加熱的裝置包括激光光源和/或電子源。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16中的一個(gè)權(quán)利要求的設(shè)備，其中有用于使線圈與工作室隔離的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中隔離裝置由陶瓷材料制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中該隔離裝置包括陶瓷管。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-19中的一個(gè)權(quán)利要求的設(shè)備，其中設(shè)置用于以線材的方式提供要蒸發(fā)的材料的加料裝置以便在使用期間加滿要蒸發(fā)的材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求13-20中的一個(gè)權(quán)利要求的設(shè)備，其中測(cè)量設(shè)備被安裝在工作室內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中測(cè)量設(shè)備適用于測(cè)量溫度。
23.適用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1-12中的一個(gè)權(quán)利要求的方法的根據(jù)權(quán)利要求13-22中的一個(gè)權(quán)利要求的設(shè)備。
24.用根據(jù)權(quán)利要求1-12中的一個(gè)權(quán)利要求的方法和/或根據(jù)權(quán)利要求13-23中的一個(gè)權(quán)利要求的設(shè)備生產(chǎn)的鍍有一層導(dǎo)電材料的襯底，其中導(dǎo)電材料最好是金屬，更好是鈦、鎂、錫、鋅、鉻、鎳或鋁，或者這些金屬其中一種與一種或更多種包括這些金屬或別的金屬的其他材料的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于給襯底蒸鍍一層如金屬之類的材料的方法，在方法中在低本底壓力的空間內(nèi)蒸發(fā)大量導(dǎo)電材料并且向要蒸發(fā)的材料輸送能量以便蒸發(fā)這種材料。根據(jù)發(fā)明，要蒸發(fā)的材料在其被蒸發(fā)時(shí)是在空間中保持浮動(dòng)而沒(méi)有支撐并且被封閉在交變電磁場(chǎng)內(nèi)，該交變電磁場(chǎng)是用高頻交流電流產(chǎn)生的。本發(fā)明也涉及用于襯底鍍膜的設(shè)備并且涉及襯底。
文檔編號(hào)C23C14/24GK1636077SQ03804318
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月21日
發(fā)明者約翰尼斯·阿方薩斯·弗朗西斯庫(kù)斯·謝德·萬(wàn)·韋斯特魯姆, 赫拉爾杜斯·格萊姆 申請(qǐng)人:科魯斯技術(shù)有限公司