專利名稱：利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置，尤其涉及一種能從一個靶子蒸發(fā)電弧蒸氣材料并把蒸發(fā)材料導(dǎo)向以便沉積至一基底的陰極弧光放電薄膜沉積裝置。
通常，電弧涂層工藝是真空涂層方法中的一種物理氣相沉積工藝，其沉膜方式如下在一個靶子的前端安裝一個等離子體導(dǎo)管，把電弧放電所產(chǎn)生的帶電粒子，即等離子體從上述靶子導(dǎo)向一個待涂覆基底。電弧涂層工藝用于制造常規(guī)切削工具、模具和半導(dǎo)體器件。針對這些用途，已經(jīng)開發(fā)了一種薄膜沉積設(shè)備，該裝置能夠防止靶材大顆粒即中性粒子團沉積到基底上，該大顆粒會降低電弧涂層工藝所沉積的薄膜質(zhì)量。
參考

圖1，一個普通的連續(xù)陰極弧光放電薄膜沉積裝置包括一個產(chǎn)生電弧蒸氣材料的靶子5、一個安裝在靶子5前端的等離子體導(dǎo)管8和一個用于引導(dǎo)從靶子5產(chǎn)生的電弧蒸氣材料的圓柱形電磁鐵1，從而使電弧蒸氣材料可以沉積到靶子5對面的基底6上。
在從靶子5產(chǎn)生的電弧蒸氣材料中，即電子、靶材離子、中性粒子、大顆粒和帶電大顆粒，帶電粒子如電子、靶材離子或帶電大顆粒沿著電磁體1產(chǎn)生的磁力線7遷移，然后沉積到基底6上。部分大顆粒和中性粒子被電磁鐵1中心的高密度等離子體(電子和離子)離子化，然后沉積到基底6上，而其余部分粘附到上述等離子體導(dǎo)管8的內(nèi)壁。
但是，在上述薄膜沉積裝置中，由于靶子5和基底6對向放置，所以部分未離子化的大顆?？赡艹练e到基底6上，從而降低了薄膜的質(zhì)量。
為了解決上述問題，已提出一種矩形薄膜沉積裝置，其中等離子體導(dǎo)管是彎形的并且磁場沿該等離子體導(dǎo)管分布。參考圖2，上述矩形薄膜沉積裝置包括一個產(chǎn)生電弧蒸氣材料的靶子33、一個與靶子33接觸以便給靶子33施加負電壓的觸發(fā)電極35、一個具有一個約90°彎的等離子體導(dǎo)管39、一個置于等離子體導(dǎo)管39安裝靶子33處的外部的第一電磁鐵46、一個置于上述等離子體導(dǎo)管39彎處的第二電磁鐵48和一個包裹在等離子體導(dǎo)管39端部的第三電磁鐵50。
在給靶子33施加電壓的狀態(tài)下，如果觸發(fā)電極35接觸靶子33，則同時產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生的電弧在靶子33停留一預(yù)定時間后，將產(chǎn)生電弧蒸氣材料。
如圖3所示，如果給上述第一、第二和第三電磁體46、48和50提供電流，則產(chǎn)生沿等離子體導(dǎo)管39分布的如磁力線40所示的磁場。因此，從靶子33產(chǎn)生的電弧蒸氣材料中(圖2)，帶電粒子將沿著磁力線40沉積于一個基底(圖中未示)上。另外，部分被高密度等離子體離子化的中性粒子和大顆粒也沿著磁力線40沉積于基底上。未離子化的中性粒子和大顆粒不能到達基底而粘附于等離子體導(dǎo)管39和置于等離子體導(dǎo)管39內(nèi)壁的一個擋板52。也就是說，多數(shù)大顆粒在等離子體導(dǎo)管39內(nèi)的傳輸過程中，粘附于等離子體導(dǎo)管39內(nèi)壁和擋板52，然后被清除掉。
在上述矩形薄膜沉積裝置中，磁力線40在等離子體導(dǎo)管39彎處從導(dǎo)管39內(nèi)部延伸出來。因此，多數(shù)帶電粒子在沿磁力線40的遷移過程中碰撞彎處的內(nèi)壁而逐漸消失，從而降低薄膜沉積效率。
為了解決上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置，它具有一個反射磁場源，使磁力線沿等離子體導(dǎo)管分布。
為了達到上述目的，提供了一種薄膜沉積裝置，它包括一個電弧蒸發(fā)部分，在該部分由陰極弧光放電產(chǎn)生沉積材料的帶電粒子；一個具有一個彎度并能把上述帶電粒子從上述電弧蒸發(fā)部分導(dǎo)向一個基底的等離子體導(dǎo)管；和一個勵磁器，用以產(chǎn)生磁場，以便把帶電粒子從電弧蒸發(fā)部分導(dǎo)向基底，該裝置還包括一個安裝在等離子體導(dǎo)管彎處凸出部位內(nèi)的反射磁場源，用來產(chǎn)生磁場，該磁場與勵磁器產(chǎn)生的磁場交互作用以使磁力線沿等離子體導(dǎo)管分布。
其中，上述勵磁器可以包括分別安裝在靠近上述電弧蒸發(fā)部分和基底并環(huán)繞等離子體導(dǎo)管的第一和第二磁場源，和一個靠近等離子體導(dǎo)管彎度處并且使帶電粒子轉(zhuǎn)向的感應(yīng)磁場源。
另外，上述電弧蒸發(fā)部分可以包括一個連接到一個陰極體的靶子；一個選擇性接觸上述靶子的觸發(fā)電極，由它來激發(fā)電弧放電；一個裝在靶子外部的電弧放電限制環(huán)，用于限制產(chǎn)生的電弧放電；一個裝在上述陰極體內(nèi)的第一電弧控制器，從而其位置可隨靶子的電弧產(chǎn)生面而改變，以控制電弧的遷移；和一個安裝在陰極體外部的環(huán)狀的第二電弧控制器。
本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點通過以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例的詳細描述將更加清楚。附圖中圖1是一個普通的利用陰極弧光放電的連續(xù)薄膜沉積裝置的一個截面簡圖；圖2是一個普通的利用陰極弧光放電的矩形薄膜沉積裝置的一個截面簡圖；圖3是圖2中磁場分布的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置的示意簡圖；圖5示出了圖4中未給反射磁場源施加電流時的磁場分布；和圖6示出了圖4中給反射磁場源施加電流時的磁場分布。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置包括一個電弧蒸發(fā)部分100，在該部分通過陰極弧光放電產(chǎn)生沉積材料的帶電粒子；一個具有一個彎度并且能把帶電粒子從上述電弧蒸發(fā)部分100導(dǎo)向基底1的等離子體導(dǎo)向200；和一個用于產(chǎn)生把帶電粒子遷移至基底1的磁場的勵磁器。
電弧蒸發(fā)部分100包括一個連接到一個陰極體113的靶子110；一個可選擇性接觸靶子110的觸發(fā)電極177，它用于產(chǎn)生一個電?。灰粋€安裝在靶子110的外部的電弧放電限制環(huán)400，用于限制電??；和第一、第二電弧控制器120和130，用于控制靶子110電弧產(chǎn)生面111上的電弧遷移。
陰極體113接到一個電弧供電電源的一個負極115a上，得到一個0～110V的電壓和一個0～300A的電流，而靶子110與陰極體113接通。當(dāng)負電壓施加于靶子110上時，可轉(zhuǎn)動地安裝在等離子體導(dǎo)管200的一側(cè)的觸發(fā)電極117與靶子110接觸，然后釋放接觸，從而產(chǎn)生一個電弧放電。因此，從靶子110的表面，即電弧產(chǎn)生面111產(chǎn)生電弧蒸發(fā)材料，例如帶電粒子。此外，最好提供一個冷卻裝置(圖中未示)，用于在產(chǎn)生帶電粒子的過程中冷卻靶子110。
電弧放電限制環(huán)400由一個環(huán)形磁性材料制成。一個用于防止帶電粒子泄漏的凸出物401與電弧產(chǎn)生面111成約0～90°的角度。凸出物401與電弧產(chǎn)生面111之間的角度可根據(jù)靶子材料的種類而改變。
第一電弧控制器120置于靶子110后面的陰極體113內(nèi)，控制靶子110的電弧產(chǎn)生面上產(chǎn)生的電弧的運動。優(yōu)選地，第一電弧控制器120設(shè)置成能夠根據(jù)靶材的種類改變它與靶子110的電弧產(chǎn)生面111的相對位置。該第一電弧控制器120可以是永磁體或電磁體。更具體地，優(yōu)選使用永磁體作為第一電弧控制器120，因為它不會對靶子110產(chǎn)生熱效應(yīng)。
第二電弧控制器130安裝在陰極體113的外部并成環(huán)形。該第二電弧控制器130是一個電磁鐵，其磁場強度可以調(diào)節(jié)以控制電弧產(chǎn)生面111上所產(chǎn)生的電弧的運動；它由一個圓柱形組件131和纏繞該圓柱形組件131的線圈132組成。第二電弧控制器130也可以由一個永磁體代替。
等離子體導(dǎo)管200為彎形，與靶子110的中心線A約成30～120°角度(θ)，優(yōu)選為60°角。
其中，等離子體導(dǎo)管200的直線部分L1和L2具有足夠長度，以使不受磁場影響的中性粒子和大顆粒在從靶子110至基底1的傳輸過程中吸收在等離子體導(dǎo)管200的內(nèi)壁200a，在到達基底1之前被清除。為了增強中性粒子和大顆粒的吸收，在等離子體導(dǎo)管200的內(nèi)壁形成擋板250。該擋板250由許多從等離子體導(dǎo)管200內(nèi)壁200a延伸出的板組成。上述擋板250也可以由連續(xù)形成的螺旋代替。
另外，等離子體導(dǎo)管200接至電弧供電電源115的一個正極115b，并施加一個高于靶子110電壓的電壓。在等離子體導(dǎo)管200的每個端部形成一個法蘭235。因此，該等離子體導(dǎo)管200可以通過法蘭235以螺釘連接方式連接到一個真空室。
勵磁器包括第一和第二磁場源310和330，它們分別繞靶子110和基底1并環(huán)繞等離子體導(dǎo)管200，和一個靠近等離子體導(dǎo)管拐彎處的感應(yīng)磁場源320。根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括一個反射磁場源350，用于和第一和第二磁場源310和330及感應(yīng)磁場源320產(chǎn)生的磁場相互作用。
第一磁場源310引導(dǎo)從電弧產(chǎn)生面111產(chǎn)生的帶電粒子沿等離子體導(dǎo)管200的直線部分L1傳輸。感應(yīng)磁場源320把帶電粒子轉(zhuǎn)向使其不再磁撞等離子體導(dǎo)管拐彎處的內(nèi)壁200a。而且，第二磁場源330引導(dǎo)已通過拐彎處的帶電粒子沿直線部分L2向基底1傳輸。
第一和第二磁場源310和330及感應(yīng)磁場源320都是可用電流調(diào)節(jié)磁場的電磁鐵，分別由環(huán)繞等離子體導(dǎo)管200的圓柱形組件311、331和321與纏繞在這些圓柱形組件311、331和321上的線圈315、335和325組成。第一、第二磁場源310和330及感應(yīng)磁場源320也可以由永磁體代替。由第一和第二磁場源及感應(yīng)磁場源產(chǎn)生的磁場分布如圖5所示。
在拐彎處的一個外部區(qū)域，即拐彎的凸出部位設(shè)置上述反射磁場源350。如果給該反射磁場源350施加一個電流，則該反射磁場源350產(chǎn)生一個磁場，其作用于由第一和第二磁場源310和330及感應(yīng)磁場源320產(chǎn)生的磁場，從而使磁力線210沿等離子體導(dǎo)管200分布，如圖6所示。反射磁場源是一個根據(jù)所施加電流而形成磁場的電磁鐵，它包括一個作為磁體且兩端各有一個法蘭的磁軛351和纏繞該磁軛351的一個線圈355。這里，該反射磁場源安裝時與靶子110的電弧產(chǎn)生面成一預(yù)定角度。
供電電源7獨立地向第一和第二磁場源310和330、感應(yīng)磁場源320、反射磁場源350和第二電弧控制器130提供電流。
基底1連接一個偏壓電源5的負極，并施加約0～-1000V的負電壓。
此外，根據(jù)本發(fā)明的薄膜沉積裝置，用一個氣源500通過一根氣管510向等離子體導(dǎo)管200提供氣體，如N2、Ar或O2。氣管510伸到靶子110的前部。供應(yīng)氣體從靶子110的前部噴到電弧產(chǎn)生面111。供給等離子體導(dǎo)管200的氣體用于產(chǎn)生帶電的化合物粒子。例如，如果靶子110由Ti制成，當(dāng)氣源500供給N2時，將由靶子110的電弧產(chǎn)生面111的電弧放電產(chǎn)生帶電的TiN粒子。所產(chǎn)生的帶電的TiN粒子由勵磁器導(dǎo)引并沉積在基底1上。
根據(jù)上述本發(fā)明的利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置的運行將在下面詳述。如圖4所示，當(dāng)一個負電壓施加到靶子110上時，觸發(fā)電極117接觸靶子110產(chǎn)生一個電弧放電，然后脫離接觸。所產(chǎn)生的電弧被電弧放電限制環(huán)400和第一和第二電弧控制器120和130產(chǎn)生的磁場限制在靶子110的電弧產(chǎn)生面111上，因而產(chǎn)生帶電粒子。此時，如果給第二電弧控制器130提供一個三角或正弦波形的電流，則電弧產(chǎn)生均勻的帶電粒子，即靶材離子、電子和帶電顆粒，并選出電弧產(chǎn)生面111。
帶電粒子由第一磁場源310引導(dǎo)沿等離子體導(dǎo)管310的直線部分L1傳輸，在等離子體導(dǎo)管200的拐彎處被感應(yīng)磁場源320轉(zhuǎn)向并由第二磁場源330控制。然后，帶電粒子沉積在基底1上。
與帶電粒子一起從電弧產(chǎn)生面111上產(chǎn)生的一些大顆粒或中性粒子在等離子體導(dǎo)管200內(nèi)與帶電粒子碰撞從而離子化，然后經(jīng)過與帶電粒子同樣的過程沉積在基底1上。
此外，未充電的中性粒子和大顆粒不受磁場影響，沿直線移動，粘附在靠近拐彎處的內(nèi)表面200a或擋板250上，然后被清除。因此，只有很少的中性粒子和大顆粒料到達基底1。
在本例中，如圖6所示，反射磁場源350把第一磁場源310和感應(yīng)磁場源320在拐彎處的磁力線310推進去，從而使磁力線310沿等離子體導(dǎo)管200分布，因此加快了帶電粒子的傳輸速度。
另外，當(dāng)需要在基底1上沉積化合物時，從氣源500供給一種預(yù)定的氣體，靶子110的電弧發(fā)生面111上產(chǎn)生一個電弧，因此產(chǎn)生帶電的化合物粒子。所產(chǎn)生的帶電化合物粒子由勵磁器引導(dǎo)沉積在基底1上。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的上述利用陰極弧光放電的薄膜沉積裝置，在等離子體導(dǎo)管的拐彎處提供一個反射磁場源，以使磁力線沿等離子體導(dǎo)管分布。因此，帶電粒子能夠到達基底而不會碰撞等離子體導(dǎo)管的內(nèi)壁，從而改善了薄膜沉積效率。
權(quán)利要求
1.一種薄膜沉積裝置包括一個電弧蒸發(fā)部分，在該部分通過陰極弧光放電而產(chǎn)生一沉積材料的帶電粒子；一個等離子體導(dǎo)管，該導(dǎo)管具有一個彎度且能把所述帶電粒子從所述電弧蒸發(fā)部分導(dǎo)向一個基底；和一個勵磁器，該勵磁器用于產(chǎn)生一磁場以引導(dǎo)所述帶電粒子從所述電弧蒸發(fā)部分向所述基底傳輸，其特征在于，所述裝置還包括一個安裝在所述等離子體導(dǎo)管的所述彎度處的凸出部位的反射磁場源，用于產(chǎn)生磁場，其與所述勵磁器產(chǎn)生的磁場相互作用，從而使磁力線沿所述等離子體導(dǎo)管分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述勵磁器包括第一和第二磁場源，分別安裝在靠近所述電弧蒸發(fā)部分和所述基底且環(huán)繞等離子體導(dǎo)管；和一個感應(yīng)磁場源，設(shè)置在靠近所述等離子體導(dǎo)管的彎度處，用來使帶電粒子轉(zhuǎn)向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述電弧蒸發(fā)部分包括一個連接至一個陰極體的靶子；一個選擇性地接觸靶子的觸發(fā)電極，以便激發(fā)電弧放電；一個電弧放電限制環(huán)，其安裝在所述靶子的外周，用以限制產(chǎn)生的電弧放電；一個第一電弧控制器，其安裝在陰極體內(nèi)，使得其位置可相對于所述靶子的電弧產(chǎn)生面改變，用來控制電弧的遷移；和一個環(huán)形的第二電弧控制器，其安裝在所述陰極體的外周。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述電弧放電限制環(huán)由磁性材料制成，它具有一個凸出物，該凸出物與所述電弧產(chǎn)生面形成約0～90°的角，用于防止帶電粒子泄漏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述等離子體導(dǎo)管彎成30～120°的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，在所述等離子體導(dǎo)管的內(nèi)壁凸伸地形成有擋板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述擋板以螺旋的形式連續(xù)形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜沉積裝置，其特征在于，所述反射磁場源是一電磁鐵，它具有一個由磁性材料制成的磁軛和一個纏繞在所述磁軛上的線圈。
全文摘要
一種薄膜沉積裝置包括:電弧蒸發(fā)部分,在該部分通過陰極弧光放電而產(chǎn)生一沉積材料的帶電粒子;等離子體導(dǎo)管,該導(dǎo)管具有一個彎度且能把所述帶電粒子從所述電弧蒸發(fā)部分導(dǎo)向一個基底;和勵磁器,該勵磁器用于產(chǎn)生一磁場以引導(dǎo)帶電粒子從電弧蒸發(fā)部分向基底傳輸,所述裝置還包括安裝在等離子體導(dǎo)管的彎度處的凸出部位的反射磁場源,用于產(chǎn)生磁場,其與勵磁器產(chǎn)生的磁場相互作用,從而使磁力線沿等離子體導(dǎo)管分布。
文檔編號C23C14/32GK1195035SQ97123088
公開日1998年10月7日 申請日期1997年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月31日
發(fā)明者金鐘國, 南升浩, 崔秉龍 申請人:三星電子株式會社