專利名稱：反應(yīng)磁控管濺射裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來在基片上形成絕緣光學(xué)涂層的非常低壓力的反應(yīng)磁控管濺射裝置和方法。在這種應(yīng)用中的本發(fā)明涉及光學(xué)干涉濾光片這一專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，這種光學(xué)干涉濾光片適用于(例如)激光鏡和輸出耦合器。在這種類型的薄膜里，薄膜散射、吸收和缺陷必需維持在最低程度。至今，只知在這方面作出成功努力的薄膜加工方法是離子束濺射(IBS)或一種較小程度的離子輔助淀積(IAD)。下面將進(jìn)一步介紹IBS。
現(xiàn)有技術(shù)利用IBS已制造出需要非常低水平的散射和吸收的光學(xué)涂層。使用這種方法，將在一非常高真空環(huán)境里將在500至1500電子伏特能量范圍內(nèi)的高能離子束射向由所需的涂層材料組成的靶子(源)。離子轟擊使得靶子點(diǎn)陣發(fā)生動(dòng)量變化，從而自靶子濺射或遷移出原子(核素或粒子)。然后，濺射的核素凝結(jié)在基片上。腔室里的壓力最好維持在一個(gè)很低的水平上，以便防止濺射的粒子與本底氣體氣相碰撞。
有大量資料提供了IBS相對(duì)于其它涂敷技術(shù)、諸如蒸發(fā)及其它濺射方法具有改進(jìn)光學(xué)薄膜性能的理由。
在美國(guó)專利Re 32,849號(hào)“制造多層光學(xué)薄膜的方法”里，韋等人最初發(fā)現(xiàn)用于激光高反射鏡的IBS的好處。在韋等人的專利里，只要利用單個(gè)離子槍照射一個(gè)靶子就可產(chǎn)生用于激光鏡的四分之一波束。

圖1(它是韋等人的專利中的圖1的復(fù)制件)顯示了一離子槍“A”、一靶子“B”和一基片“C”。在這個(gè)系統(tǒng)里，氬氣(惰性氣體)的本底水平保持在1.5×10-4乇這個(gè)非常低的壓力水平上。而反應(yīng)氣體(氧氣)的壓力被設(shè)置在能確保淀積水平的適當(dāng)化學(xué)計(jì)量比的水平上，即在高折射率材料為5×10-5乇和低折射率材料為3×10-5乇的范圍內(nèi)。
斯科特等人的、專利號(hào)為4,793,908、名稱是“用來制造多層光學(xué)薄膜的多個(gè)離子源方法和裝置”的另一個(gè)IBS專利使用韋等人的專利，并增添了對(duì)準(zhǔn)基片的第二離子束，而該基片部分是由所需的反應(yīng)核素組成的。第二離子束提供改進(jìn)的光學(xué)性能。圖2(它是斯科特等人的專利中的圖2的復(fù)制件)顯示了離子槍“A”、靶子“B”、基片“C”和第二離子槍“D”。在這個(gè)專利里，斯科特等人指出，IBS已在傳統(tǒng)的磁控管濺射上進(jìn)行了改進(jìn)，即“…利用這種裝置可使腔室里(例如，在基片表面處)的氣體壓力處于1毫乇的十分之幾或百分之幾范圍內(nèi)。這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)樽詈笮纬傻谋∧ぺ呄蛴诎俚臍怏w原子，并具有改進(jìn)的區(qū)域結(jié)構(gòu)和原子充填密度”。見第2欄第14-19行。
利用上述技術(shù)可生產(chǎn)所謂“低損耗”薄膜，諸如小于500ppm甚至100ppm的損耗的薄膜或涂層。例如，當(dāng)用于一種諸如高反射激光鏡的用途中時(shí)，用上述技術(shù)生產(chǎn)的薄膜可具有遠(yuǎn)小于100ppm的總損耗。這里使用的術(shù)語(yǔ)“低損耗”薄膜或涂層(除非另有說明)均指具有小于500ppm損耗的薄膜或涂層。
“損耗”涉及除反射之外的任何方式，或者說總損耗=1-R，而R = 1-T-A-S其中，R是反射，T是傳送，A是吸收，S是散射。
福森和克恩在“薄膜加工”這本書(Academic出版社，紐約，1978年)里將IBS說成不同于其它濺射加工，因?yàn)椤暗偷谋镜讐毫υ谕牡缆飞咸峁┹^少的氣體結(jié)合和較少的濺射粒子的散射”(“低的本底壓力”在原文里是斜體字)。如上面討論的，這對(duì)于淀積光學(xué)薄膜來說是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。
諸如蒸發(fā)精煉之類的非濺射技術(shù)不能形成適合于高質(zhì)量用途的薄膜。在真空條件下對(duì)涂敷材料加熱并使其在該處蒸發(fā)的蒸發(fā)技術(shù)幾乎不能提供濺射的動(dòng)能，使薄膜以多孔柱狀方式生長(zhǎng)。此外，由于俘獲的氣體膨脹或不均勻的加熱可能產(chǎn)生的源材料的小的源爆發(fā)，這種蒸發(fā)加工會(huì)從熱源射出小的粒子。為此，蒸發(fā)加工只能用于形成相當(dāng)?shù)凸畹耐繉印?br> 直流或磁控管濺射已被用來形成供相當(dāng)?shù)凸罨虻捅∧べ|(zhì)量用途使用的絕緣涂層。通常，這些方法包括用惰性氣體填充腔室，然后將惰性氣體電離以形成低能等離子體。接著對(duì)一靶子充電，使其達(dá)到400至900伏特范圍的負(fù)電位，這對(duì)用高能帶電離子轟擊靶子以及濺射來自靶子的原子或分子粒子有作用。然后，濺射的粒子凝結(jié)在基片上。直流濺射被用來濺射金屬。射頻濺射利用直流電流凈值為零的振蕩靶子電壓使絕緣靶子被濺射。
在反應(yīng)直流濺射的情況下，即將反應(yīng)氣體加入腔室以在基片上形成復(fù)合薄膜的情況下，最好有發(fā)生在基片上而不是靶子上的反應(yīng)，因?yàn)楫?dāng)靶子由反應(yīng)的絕緣核素覆蓋時(shí)，除了靶子上的電弧作用增加外，還將嚴(yán)重地降低淀積速度?，F(xiàn)有技術(shù)中的許多技術(shù)是用來對(duì)付這個(gè)問題的，它們都是某種形式的靶子和基片隔離，就是使靶子上的反應(yīng)氣體壓力維持在一個(gè)低水平上，防止靶子“中毒”，而基片上的反應(yīng)氣體壓力維持在一個(gè)高水平上，以影響反應(yīng)。
在授予斯科比等人的、名稱為“磁控管濺射裝置和加工”的第4,851,095號(hào)美國(guó)專利里，零件在一高速鼓上穿梭移動(dòng)，而高速鼓在一維持很高壓力氬氣的淀積區(qū)和一包含高能反應(yīng)氣體等離子體的反應(yīng)區(qū)之間。
在授予馬尼夫等人的、名稱為“反應(yīng)淀積方法和裝置”的第4,392,931號(hào)美國(guó)專利里，靶子材料通過一小孔或縫隙濺射在一轉(zhuǎn)動(dòng)鼓上。惰性工作氣體進(jìn)入靶子室，而反應(yīng)氣體進(jìn)入腔室的其余部分。所述縫隙限制向靶子流動(dòng)的反應(yīng)氣體的量。在鼓上設(shè)立一區(qū)域，以便電離反應(yīng)氣體和增加薄膜透明度。
謝雷爾等人的、名稱為“在基片上涂敷介質(zhì)的裝置”的第4,931,169號(hào)美國(guó)專利也公布了一種通過小孔進(jìn)行濺射的方法，并給直流驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生一個(gè)交流場(chǎng)分量，以防止產(chǎn)生電弧。在謝雷爾等人的專利里，交流場(chǎng)被認(rèn)為具有增加淀積速度的額外作用，因?yàn)樵谡袷幍碾娮雍凸ぷ鳉怏w之間的碰撞增加了。該交流場(chǎng)還被認(rèn)為具有允許涂敷壓力降低至0.5乇的另外的作用。
授予迪特里希等人的、名稱為“給基片提供薄層的裝置”的第4,946,576號(hào)美國(guó)專利也公開了在陰極和基片之間使用孔隙，并在流過反應(yīng)氣體的基片附近添加正電壓。反應(yīng)氣體由陽(yáng)極電離，該陽(yáng)極具有改善薄膜化學(xué)計(jì)量比的作用。授予迪特里希等人的、名稱為“金屬和半導(dǎo)體混合物的反應(yīng)汽相淀積的方法和裝置”的、編號(hào)為第4,572,840號(hào)的另一個(gè)美國(guó)專利在磁控管和基片之間使用一流動(dòng)約束，它至少等于空間橫截面的40％。
在所有上面引用的現(xiàn)有技術(shù)里，源至基片的距離較短。在斯科比等人的專利里，該距離約是10cm；在馬尼夫等人的專利里，該距離是10cm；在謝雷爾等人的專利里，該距離是4cm；迪特里希等人的’842號(hào)專利使用了6cm的距離作為一個(gè)例子，而迪特里希等人的’576號(hào)專利未涉及該距離。有關(guān)在低壓和長(zhǎng)發(fā)射距離的情況下使用磁控管濺射的設(shè)想已經(jīng)作了介紹。邦德等人在“先進(jìn)的涂敷發(fā)展提綱，最后報(bào)告”(1994年6月)(美國(guó)新墨西哥州，Kirtland空軍基地，Phillips實(shí)驗(yàn)室，PL-TR-93-1033)中提到了利用8英寸的磁控管在直徑為8英寸或更小的適當(dāng)大小的基片上進(jìn)行涂敷的一種磁控管濺射加工。為了獲得適當(dāng)?shù)牡矸e速度，邦德將磁控管傾斜20°角。邦德通過一種“氣體分離加工”降低在磁控管上的反應(yīng)氣體壓力，這種“氣體分離加工”通過一總管將反應(yīng)氣體導(dǎo)入或靠近基片平面和磁控組件的反面，而惰性工作氣體則通過在磁控管上的一防護(hù)屏。這樣做是為了減少在靶子上的中毒和電弧作用，并有助于提供完全反應(yīng)的和按化學(xué)計(jì)量比的薄膜。由于較高的本底氣體壓力降低薄膜密度，邦德企圖降低腔室里的惰性氣體壓力，而該腔室使用配備有特別高強(qiáng)度磁鐵的磁控管。邦德系統(tǒng)的特點(diǎn)是一般只有0.5至1.5/秒的較低的涂敷速度。這種較低的涂敷速度通?？蓺w因于靶子的中毒、電弧作用、弱的薄膜反應(yīng)和低的外加功率。
此外，在所有上面引用的現(xiàn)有技術(shù)里，除了謝雷爾等人的專利和邦德等人的報(bào)告之外，在基片和靶子之間的總壓力被維持在大約3×10-3乇的傳統(tǒng)的濺射壓力上。
本發(fā)明的簡(jiǎn)要說明本發(fā)明的主要目的是生產(chǎn)相當(dāng)于IBS生產(chǎn)出來的質(zhì)量的、但是在直流磁控管濺射系統(tǒng)里進(jìn)行的、具有非常高充填密度、光滑表面和低散射的光學(xué)薄膜。
實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的方法和裝置包括一在真空容器里的傳統(tǒng)的磁控管濺射系統(tǒng)，而該真空容器裝備著具有非常高抽運(yùn)速度的真空泵。一環(huán)繞著磁控管和靶子材料的氣體總管將惰性工作氣體(氬氣)限制在磁控管的附近。當(dāng)該氣體自磁控管區(qū)域擴(kuò)散和膨脹時(shí)，具有非常高抽運(yùn)速度的真空泵將該膨脹氣體從腔室里高速消除。這樣，腔室里的壓力將隨真空泵的抽運(yùn)速度和磁控管擋板的限制效率而變化。反應(yīng)氣體通過離子槍進(jìn)入腔室，且離子槍使該氣體電離并使它對(duì)準(zhǔn)基片。這將有效地減少給薄膜提供適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量比所需要的氣體量，以及減少在磁控管處的反應(yīng)氣體。
本發(fā)明顯然不同于已知的、先前的磁控管濺射技術(shù)和傳統(tǒng)的離子束技術(shù)。它的特點(diǎn)是非常低的腔室壓力，包括非常低的反應(yīng)氣體壓力和非常低的惰性氣體壓力。諸如O2、N2和NO等的反應(yīng)氣體的壓力(在被涂敷的基片表面處測(cè)量)較佳的是在2.0×10-5乇至1.5×10-4乇的范圍內(nèi)，最好是在3×10-5乇至9×10-5乇的范圍內(nèi)。這有利于減少或消除在由反應(yīng)氣體引起的在磁控管處的電弧作用和使源“中毒”。在較佳的實(shí)施例里，諸如氬氣、氪氣、氙氣等惰性氣體首先被引導(dǎo)至磁控管處。使該惰性氣體發(fā)生一個(gè)急劇的壓降，較佳的是使其具有在5.0×10-5乇至2.0×10-4乇的范圍內(nèi)的壓力，最好使其具有在5×10-5乇至1.5×10-4乇的范圍內(nèi)的壓力。這種低的腔室壓力可提供較長(zhǎng)的平均自由程(MFP)，并相應(yīng)地允許較長(zhǎng)的投射行程距離而不會(huì)在腔室氣體和濺射材料之間發(fā)生過度的碰撞。通過較長(zhǎng)的、較佳的是大于12英寸、最好大于20英寸或更長(zhǎng)的投射行程距離可獲得良好的涂層均勻性。非常低的腔室壓力有可能使用較長(zhǎng)的投射行程距離。即，雖然使用這種較長(zhǎng)的投射行程距離，還是能夠利用同樣高的磁控管功率水平獲得很高的涂層淀積速度。通過異常地使用非常低的腔室壓力可避免由較高的磁控管功率水平和較長(zhǎng)的投射行程距離通常會(huì)引起的薄膜或涂層質(zhì)量的損失。這樣，本發(fā)明的較佳實(shí)施例與IBS的若干關(guān)鍵的加工條件(例如，它們?cè)谏厦嫠龅耐瑯訅毫Ψ秶鷥?nèi)工作)一模一樣，但使用了直流磁控管濺射系統(tǒng)。這種基于磁控管濺射的新穎系統(tǒng)顯著地改進(jìn)了涂敷速度和淀積高質(zhì)量薄膜涂層的相應(yīng)成本及生產(chǎn)率。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1是本發(fā)明的技術(shù)背景部分中提到的韋等人專利中的圖1的復(fù)制件；圖2是本發(fā)明的技術(shù)背景部分中提到的斯科特等人專利中的圖2的復(fù)制件；圖3是本發(fā)明裝置的橫剖視示意圖；圖4是本發(fā)明的磁控管濺射設(shè)備的橫剖視示意圖；圖5是帶有多個(gè)磁控管濺射組件的本發(fā)明裝置的橫剖視示意圖；圖6是顯示室壓力和室抽運(yùn)速度之間關(guān)系的圖表，假定磁控管壓力是0.7微米，磁控管組件的傳導(dǎo)率(CM)是3000升/秒；以及圖7是顯示室壓力和室抽運(yùn)速度之間關(guān)系的圖表，假定磁控管壓力是0.4微米，磁控管組件的傳導(dǎo)率(CM)是3000升/秒。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明如上所述，圖1和2顯示了能夠在基片上產(chǎn)生高質(zhì)量絕緣涂層、以形成可用于環(huán)形激光陀螺儀的反射鏡。現(xiàn)在將要介紹的本發(fā)明能產(chǎn)生同樣高質(zhì)量的涂層，但使用直流反應(yīng)磁控管濺射系統(tǒng)來代替IBS。惰性氣體(例如，氬)的本底壓力可維持在韋等人和斯科特等人的專利所述的水平之上、或之下、或相同。利用本發(fā)明制造的薄膜的性質(zhì)可與IBS涂層相比，其中，它們具有格外高的填充密度，以及光滑表面和低散射。例如，按照這里公開的較佳實(shí)施例制造的高反射激光鏡的總損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.01％或100ppm。
圖3和4顯示了這里公開的方法和按照該方法制造的裝置的較佳實(shí)施例。殼體10形成一真空室11，其中包含一低壓磁控管組件12和一具有許多可轉(zhuǎn)動(dòng)行星齒輪14的行星式基片支座13。各行星齒輪14固定一面向磁控管組件12的基片。在這個(gè)實(shí)施例里，磁控管組件12的頂部與行星齒輪之間的距離L1是16英寸。磁控管組件12通過導(dǎo)管17與工作氣體(氬)16的供應(yīng)源連通。在這個(gè)實(shí)施例里，殼體10是半徑為48英寸的圓球，但其它的形狀同樣也適用。殼體10具有一下套筒18，它與真空室11連通，并包含一高速真空泵20，而一門閥21位于真空泵20和真空室11之間。真空泵當(dāng)然是用來降低和維持真空室的壓力，使其處于一個(gè)非常低的水平上，即在5×10-5乇至1.5×10-4的惰性氣體壓力范圍內(nèi)。
可用于這里公開的實(shí)施例里的典型的高速真空泵包括渦輪泵、低溫泵和擴(kuò)散泵。在本發(fā)明里可使用一種較大的泵，諸如16英寸的低溫泵，或16英寸的渦輪泵，或16英寸的擴(kuò)散泵，但較佳的是16英寸的低溫泵或16英寸的擴(kuò)散泵。這些泵的抽運(yùn)速度大約是16英寸的低溫泵為5000升/秒(氬)，16英寸的擴(kuò)散泵為10000升/秒(參看Leybold產(chǎn)品和真空技術(shù)手冊(cè)，1993年版)。還可使用更大的、諸如20英寸的泵，它們的抽運(yùn)速度是低溫泵(N2)為10000升/秒，擴(kuò)散泵(N2)為17500升/秒(參看Varian真空產(chǎn)品目錄1991-92年)。上述抽運(yùn)速度在泵的喉部。
磁控管組件12與行星式基片支座13的旋轉(zhuǎn)軸線(主中心線22)垂直對(duì)齊，并與供監(jiān)視參考芯片23用的支座垂直對(duì)齊。在這個(gè)實(shí)施例里，磁控管組件頂部和行星齒輪之間的行程或距離L1是16英寸。各行星齒輪和其上的基片環(huán)繞它們自己的中心線24轉(zhuǎn)動(dòng)。這種行星式支座是常用的，除了下面指出的不需要進(jìn)一步描述，即在這個(gè)實(shí)施例里，行星齒輪的直徑是15英寸，基片的直徑是15英寸，或者比15英寸小的任何尺寸，而各行星齒輪的中心線與主中心線22的距離L2是14英寸，以便容納大的基片。也可使用較大的行星齒輪，例如24英寸的行星齒輪，以便適應(yīng)尺寸相應(yīng)增加的基片和投射行程距離，由此可獲得更大通過速度的改進(jìn)。
離子槍26的用虛線27表示的輸出傾斜地朝向基片支座13，而它的進(jìn)口通過導(dǎo)管30與反應(yīng)氣體混合物28的供應(yīng)源連通。離子槍是這樣設(shè)置的，即使它輸出的離子和氣體混合物覆蓋整個(gè)基片支座13，在這個(gè)實(shí)施例里，離子槍的頂部與行星齒輪的距離L3是20英寸。離子槍的主要功能是雙重的。首先是以與斯科特等人專利類似的方法修正和改善薄膜性能。第二個(gè)功能可能更重要，即用來維持低的反應(yīng)氣體本底壓力。由于離子槍，反應(yīng)氣體被電離并對(duì)準(zhǔn)基片。然后，反應(yīng)氣體的動(dòng)量攜帶著它只向著基片，而不向著會(huì)產(chǎn)生飛弧和速度衰減的磁控管。少量的、向磁控管擴(kuò)散的氣體不會(huì)顯著地影響它的工作。典型的反應(yīng)氣體壓力在2×10-5乇至1.5×10-4乇范圍內(nèi)，較佳的是在3×10-5乇至8×10-5乇范圍內(nèi)。
還可使一適當(dāng)?shù)臒彡帢O壓力計(jì)31與真空室11連接，以便測(cè)量真空室里的壓力。此外，在真空室里設(shè)置一可環(huán)繞支桿33擺動(dòng)的光閘32，以便阻擋用虛線34表示的磁控管組件12的輸出。支桿33以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭B接在平臺(tái)35上，并連接在一使支桿擺動(dòng)的設(shè)備(未畫出)上。該光閘被用來預(yù)濺射，以便消除靶子上的污染，當(dāng)裝置在涂層淀積于基片的空隙之間空轉(zhuǎn)時(shí)該污染可能冷凝在靶子的表面上。
如圖4所示，磁控管組件12包括一靶子支座36，它具有一由壁38圍成的腔室37和靶子材料40。腔室36的中央是普通磁鐵41，它們由通過管道42和43的循環(huán)水流進(jìn)行水冷卻。由支座固定的金屬靶子材料40也用水進(jìn)行冷卻。與支座36略微隔開并用絕緣體45密封的總管44通過導(dǎo)管17(見圖3)與工作氣體16的供應(yīng)源連接，該總管能使氣體完全環(huán)繞著支座的頂部并在金屬靶子材料40的上面流動(dòng)?？偣?4具有基本與金屬靶子材料尺寸相同的開口51，以便讓濺射的靶子材料和工作氣體射出(用線34表示)。這種磁控管可從美國(guó)科羅拉多州的Material Sciences of Boulder買到，且直徑一般是6-8英寸，帶有高強(qiáng)度磁鐵。
當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明在不受IBS或其它已知技術(shù)的約束而具有通過磁控管濺射產(chǎn)生非常高質(zhì)量薄膜涂層能力時(shí)，也會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明是相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)很大進(jìn)步。
本實(shí)施例的上述尺寸和壓力---16英寸的投射行程距離，15英寸直徑的行星齒輪，15英寸或以下直徑的基片，以及自離子槍的頂部至行星齒輪、伴隨著在2×10-5乇至1.5×10-4乇范圍內(nèi)的非常低的反應(yīng)氣體壓力和在5×10-5乇至2×10-4乇范圍內(nèi)的非常低的惰性氣體壓力的20英寸行程---也顯示出本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的巨大差別。
將本發(fā)明較佳實(shí)施例的通過速度與用來制造激光品質(zhì)反射鏡的傳統(tǒng)的IBS系統(tǒng)的通過速度進(jìn)行比較
從上面可以看到，本發(fā)明的通過速度比傳統(tǒng)的IBS系統(tǒng)的通過速度快20至120倍。涂料通過速度是涂敷速度和基片面積的函數(shù)。
此外，本發(fā)明的方法可方便地按比例放大裝置的尺寸。上述所有尺寸可方便地增加至少2倍，以便對(duì)直徑為30英寸或更大的光學(xué)基片涂敷具有良好一致性的激光品質(zhì)低損耗涂層。按比例縮放是一種簡(jiǎn)單的線性結(jié)果。較大的系統(tǒng)使用較大的磁控管和更多的加工氣體(例如，氬)。真空泵也需要相應(yīng)地增大，以適應(yīng)較大的腔室和增加加工氣流。
這樣，如上所述，本發(fā)明可制造在直徑上比現(xiàn)有的IBS系統(tǒng)所制造的大許多倍的(例如)激光品質(zhì)反射鏡。
本發(fā)明較佳實(shí)施例的16英寸的長(zhǎng)行程和高的與低的腔室壓力將允許兩種或更多的材料被并行地淀積，以形成由材料混合物組成的高級(jí)光學(xué)薄膜。圖5顯示了在真空室11里的兩個(gè)源---磁控管組件12和磁控管組件12a，以作為多源的一個(gè)例子(在增加的源下加下標(biāo)和使用與圖3相同的其它所有標(biāo)號(hào)是為了簡(jiǎn)化這里的描述)。
通過控制能有效地控制淀積速度的各源的功率大小，可用兩種或更多種材料的混合物形成所選定折射率的涂層。該混合物可是均勻地遍布涂層，以形成折射率確定的薄膜，或是不均勻的，從而對(duì)整個(gè)薄膜來說涂層的成分、進(jìn)而其折射率是變化的。一種普通形式的不均勻薄膜被稱為“有折痕的”濾波器，其中，折射率以正弦曲線方式變化，它具有形成窄陷波反射鏡效果。
為了使這種多源系統(tǒng)維持低壓，對(duì)于兩個(gè)并行的淀積源來說抽運(yùn)速度必須大概增加1倍，或?qū)τ贜個(gè)源來說抽運(yùn)速度必須大概增加N-1倍。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，增加抽運(yùn)速度將是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)踐，一般包括增加泵的尺寸或給腔室提供更多的泵。然而，實(shí)際上，由于來自源的速度是疊加的，故不必給兩個(gè)并行的源提供與用于單個(gè)源的動(dòng)力相同大小的動(dòng)力以維持涂敷速度，這樣，可將源制成較小的尺寸，以便使用較少的氣體。
可用于本發(fā)明的另一種裝置是可從美國(guó)科羅拉多州的Advanced Energy ofBoulder買到的、商標(biāo)是SPARC-LE的電弧減少電子裝置。在圖3中，自帶直流電源48的SPARC-LE 46通過電纜47與磁控管組件12連接。在圖4中，SPARC-LE 46同樣地與兩個(gè)磁控管組件12和12a連接。這種裝置有助于減少飛弧，但不是本發(fā)明的方法和裝置所必需的。
從上所述可看到，該磁控管系統(tǒng)是在很低的壓力下進(jìn)行工作。惰性氣體的腔室壓力將是磁控管壓力的函數(shù)。本發(fā)明的最重要之處是，如圖4所示，低的總壓力區(qū)50(A+O2)總是大大低于較高的氬氣壓力區(qū)52。
腔室里的壓力可利用已知的壓力-流量方程式求出(見Leybold產(chǎn)品和技術(shù)手冊(cè)第18-5頁(yè)，1993年版)PC=FAr/CPPM=FAr/CM+PC其中PC是腔室里的壓力；FAr是(通過磁控管)進(jìn)入腔室的氬氣流量；CP是高真空泵的傳導(dǎo)率(腔室抽運(yùn)速度)；PM是磁控管里的壓力；CM是由于氣體約束而在磁控管處的傳導(dǎo)率(磁控管的約束效率)。
通過換算，腔室壓力可寫成PC=PM/(CP/CM+1)這是一個(gè)重要的關(guān)系式，因?yàn)樗@示出腔室里的壓力取決于腔室的抽運(yùn)速度(CP)。它還顯示出，如果腔室的抽運(yùn)速度是低的，那么腔室里的壓力將大致等于磁控管里的壓力。這種低抽運(yùn)速度類型的系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)里已是眾所周知的，其中，在泵的前面設(shè)置一個(gè)節(jié)流閥，以降低抽運(yùn)速度。見上述福森和克恩的書第156頁(yè)。然而，如果腔室里的抽運(yùn)速度是大的，如本發(fā)明所述的，那么腔室壓力相對(duì)于磁控管壓力變低。
利用上述方程式，可對(duì)如圖6和7所示的、已知抽運(yùn)速度的任何新的腔室確定腔室壓力。如附圖所清楚顯示的，通過增加腔室的抽運(yùn)速度可獲得任何適當(dāng)?shù)睦硐雺毫?。如果降低在磁控管里工作的惰性氣體壓力(對(duì)某些類型的磁控管是可能的)，那么整個(gè)壓力曲線將相應(yīng)降低。這可通過比較圖6和圖7的壓力曲線看出，其中，圖6中的曲線相對(duì)磁控管壓力為0.7微米和磁控管組件傳導(dǎo)率(CM)為3000升/秒，而圖7中的曲線相對(duì)磁控管壓力為0.4微米和磁控管組件傳導(dǎo)率(CM)為3000升/秒。橫坐標(biāo)顯示的抽運(yùn)速度是完全可實(shí)現(xiàn)的-一例如，通常使用的20英寸擴(kuò)散泵的速度達(dá)17500升/秒，而32英寸的擴(kuò)散泵的速度達(dá)32000升/秒。
從上面的討論可看到，在不超出本發(fā)明真實(shí)范圍和精神的情況下可對(duì)這里詳細(xì)描述的光學(xué)多路裝置作出許多補(bǔ)充和改進(jìn)。而所有這些改進(jìn)和補(bǔ)充將由下面的權(quán)利要求書所覆蓋。
權(quán)利要求
1．一種在一基片上淀積濺射粒子、以形成低損耗光學(xué)涂層的方法，它包括以下步驟將基片置于一真空室里，該真空室具有一濺射粒子的磁控管和源，以及部分地遮蓋磁控管的惰性氣體擋板，所述基片具有面向與其相距較長(zhǎng)投射行程距離的所述源的表面；使磁控管工作，自所述源濺射粒子以在基片表面上涂敷，還包括將惰性氣體引導(dǎo)至所述擋板；用高速高真空泵自真空室迅速抽取和減少惰性氣體；以及使電離的反應(yīng)氣體對(duì)準(zhǔn)基片表面，以便于反應(yīng)涂敷，從而在基片表面形成低損耗光學(xué)涂層。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述源和基片之間的投射行程距離至少是20英寸。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述源是一混合物源，將混合物濺射粒子淀積在所述基片上。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括給多個(gè)濺射粒子、以便淀積在所述基片上的源提供多個(gè)磁控管的步驟。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括使基片相對(duì)所述腔室轉(zhuǎn)動(dòng)的步驟。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在腔室里的惰性氣體壓力被維持在小于2.0×10-4乇大于5×10-5乇的范圍里。
7．如權(quán)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橫向偏離磁控管的固定位置上。
8．一種通過磁控管濺射在一基片表面上形成涂層的裝置，包括一真空室，其中具有磁控管系統(tǒng)；在磁控管系統(tǒng)里的靶子材料，用來形成濺射粒子；引導(dǎo)惰性氣體至靶子材料附近的設(shè)備；使腔室里的壓力維持在5×10-5乇至2.0×10-4乇范圍里的設(shè)備；引導(dǎo)電離的反應(yīng)氣體朝向基片表面的設(shè)備；以及基片定位設(shè)備，它位于腔室里，與靶子材料長(zhǎng)距離間隔，由此，濺射粒子從靶子材料至基片飛行至少12英寸的較長(zhǎng)平均自由程。
9．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，引導(dǎo)電離的反應(yīng)氣體的設(shè)備包括一離子槍。
10．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，一總管部分地包圍著磁控管系統(tǒng)，并具有進(jìn)入真空室和面向基片的開口。
11．如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括一電弧降低設(shè)備。
全文摘要
一種在基片上形成光學(xué)薄膜的方法和裝置,該裝置具有安裝著傳統(tǒng)磁控管濺射系統(tǒng)和異常高速真空泵的真空室。惰性氣體的低壓在5×10
文檔編號(hào)C23C14/35GK1222204SQ96180323
公開日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1996年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月10日
發(fā)明者邁克爾·A·斯科比 申請(qǐng)人:康寧Oca有限公司