CN1272953A - 双面簇射头磁控管、等离子体产生装置和涂敷衬底的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在等离子体增强化学汽相淀积涂敷装置中的电极,可以提高等离子体产生涂层的效率和质量。该电极包括双簇射头面(11,11’),并在优选方式中含有多个磁铁(13),多个磁铁排列成使磁铁的磁极面向相同方向,由此产生用于每套磁铁的两个磁控管表面。

Description

双面簇射头磁控管、等离子体 产生装置和涂敷衬底的方法
本申请要求保护在1997年10月1日申请的美国临时申请系列No.60/060652的利益。
本发明涉及等离子体产生装置。特别是，本发明涉及簇射头(showerhead)磁控管型等离子体产生装置，其含有双簇射头并能够维持比先前公知的磁控管型等离子体产生装置更均匀密度的等离子体，而且在等离子体产生装置中占据更小的空间。
在本领域中已经知道磁控管很长时间了，并且例如在腐蚀、表面修整和等离子体增强化学汽相淀积(“PECVD”)中使用。PECVD装置也是本领域中公知的。PECVD装置的例子可以在U.S.专利Nos.5298587；5320875；5433786；和5494712(以下统称为“Hu et al.”)中找到。簇射头磁控管也是本领域公知的。在这些磁控管中，用与作为喷射而分散水的簇射头相同的方式，反应气体通过磁控管并从磁控管一面出来而被传送。簇射头磁控管的一个实施例在上面引证的美国专利中有教导。
磁控管是一般用在二极管方式的冷阴极放电装置的一种。在等离子体产生装置中，在mTorr范围的压强下通过施加可以是dc或rf的高电压，在阴极和阳极之间激发产生等离子体。通过由离子轰击而从阴极发射并穿过阴极屏蔽被加速到等离子体中的二次电子产生的离子化而维持等离子体。磁控管阴极与常规二极管阴极的区别在于存在磁场。磁控管中的磁场定向成使磁场的分量平行于阴极表面。磁场的局部极性定向成使发射的二次电子的E×B漂移路径形成闭合回路。由于在该E×B漂移路径中增加了二次电子的限制，与dc或rf二极管器件相比，等离子体密度更高，经常比常规dc或rf二极管等离子体高一个数量级或更高。高等离子体密度和接近于阴极的结果就是高电流、相对低电压放电。
Hu et al.教导了一种在衬底表面上形成抗腐蚀和抗磨损涂层的方法。在Hu et al.教导的方法的一个实施例中，优选使用簇射头磁控管阴极的PECVD方法通过采用足够的功率密度在具有合适表面的衬底存在的情况下用于激发有机硅化合物(organosilicone compound)和氧的聚合反应，使等离子体工艺的聚合反应产物粘附于衬底表面上。在Hu et al.中，使用了利用具有足够强度以提供至少100高斯的磁铁的单面簇射头磁控管。
本领域都知道，当在诸如PECVD工艺或溅射工艺等涂敷衬底的工艺中使用磁控管时，很难获得均匀厚度和质量的涂层。质量的一个方面是在厚度和宽度方向涂层具有均匀的化学成分。在有些现有技术中，为得到均匀厚度和质量的涂层，衬底必须相对于电极移动。这对大衬底来说尤其重要。相对电极移动衬底可能使生产量下降。
本发明容许比现有技术装置更容易地获得更均匀(厚度和质量)的涂层，尤其适用于大衬底。
在一个方案中，本发明是含有多个磁铁的簇射头电极，其中电极的两个相对平行表面包括簇射头设计，使反应气体从至少两个表面放出并进入反应室。磁铁还提供到电极的两个表面的磁场。优选地，多个磁铁内部地设置在簇射头中，使所述磁铁的相同磁极都面向相同的方向并用于在电极的每个表面上提供磁场。在优选方式中，磁铁放置在互相距离一定距离的位置上，使每个磁铁在同一磁铁上的相反磁极之间产生磁场。每个磁场具有平行于电极表面的分量。与每个磁控管由三个磁铁构成的电极相比，本发明优选方式的电极具有每一定量磁铁的更多数量的闭合E×B漂移路径，其中中心磁铁具有与每个外部磁铁相反的磁极。通过排列所有磁铁，使相同磁极面向相同方向，每个磁铁成为单独的磁控管。优选方式的电极能够产生穿过电极表面的更均匀的等离子体。此外，与磁铁设置成相反磁极互相面对的电极相比，在优选方式中电极产生更大的有效体积的等离子体。根据本发明，大量磁铁(即两个或更多个)可以排列成各种构形，以便构成能产生大的、更均匀的等离子体的大电极。
在另一方面中，本发明是利用至少一个本发明的双面电极的改进等离子体产生装置。在又一方面，是含有本发明的至少一个簇射双面电极，在每个相对面一定间距处各设置只有一个簇射头面的一个簇射头磁控管的等离子体产生装置。在另一方式中，只有一个簇射头面的两个簇射头磁控管放在具有两个之间有间隔的至少两个本发明的双面簇射头磁控管的等离子体产生装置中。在另一个实施例中，一个以上的双面磁控管设置在两个单面磁控管之间。
在又一方面，本发明是形成等离子体的改进方法和用于涂敷各种衬底的改进方法。
在本发明的一个实施例中，电极是平面电极，该平面电极包括实质上互相平行且面向相反方向的两个簇射头面，和至少一个磁铁，最好为一个以上的磁铁，并设置成使所述磁铁的相同磁极位于平行于平面电极的几何平面的单个几何平面中，并且所述磁铁的极性垂直于平面电极的几何平面，每个磁铁产生具有平行于电极的几何平面的分量的磁场。
没有用于磁铁的背板的簇射头磁控管的特殊实施例包括一对面板，每个面板有用于通过簇射方式传送气体的多个孔。面板互相电绝缘并在其间形成内部空间。提供用于在所述内部空间中支撑多个磁铁的装置，其中所述磁铁与所述面板电绝缘并且磁铁互相之间也电绝缘。还提供按受控方式相对于通过每个所述孔的所述流速通过所述面板中的所述孔将气体引入和引出所述磁铁的内部空间的装置，通常称为管道系统。使用用于支撑所述面板和所述磁铁的装置以形成内部气体室，该内部气体室由所述面板和含在所述气体室中的所述磁铁形成，并且还用于提供从所述室外部将气体引入所述室内并从所述多个孔出来的装置。在优选方式中，簇射头磁控管还提供有用于冷却或加热所述磁控管的热交换装置。在更优选的方式中，磁铁排列成使每个磁铁的相同磁极面向相同方向。
图1是本发明的双面簇射头磁控管的一个实施例的分解图。
图2是本发明的等离子体装置的一个实施例的示意图。
图3是表示磁场的本发明的电极中使用的磁铁的排列示意图。
图4是本发明的电极中使用的磁铁的另一排列示意图。
图5是本发明的双面簇射头磁控管的另一实施例的分解图。
图1表示双面簇射头磁控管10的一个实施例，双面簇射头磁控管10包括含有多个孔12的面板11和11’，多个孔12用于从磁控管内部向外部传送气体。在本例中，相同磁极面向相同方向的三个磁铁13被支撑在磁控管内部。提供绝缘装置14用于将磁铁与框架15和面板11电绝缘。磁铁13与面板11和11’的绝缘是通过足够的空气间隙来实现的，或者可以用例如绝缘材料如塑料树脂或陶瓷材料覆盖磁铁。提供框架15，用于按使面板与磁铁电绝缘的方式固定磁铁和面板。框架提供有用于将气体通过框架引入到磁控管内部的入口孔17。气体导管18与孔17连接，用于将反应物和惰性气体引入磁控管内部。提供固定装置19，例如螺钉，用于用气密方式组装磁控管，但除了孔12和入口孔17以外。磁控管10形成电极内部的气密空间，用于从导管18、孔17分布气体并通过面板中的孔12出去。电连接器20和20’独立地附着于每个面板11和11’上，并用于将电力独立地导向每个面板。或者，可以给一个面板供电，另一个接地。
图2表示本发明的等离子体产生装置的一个实施例，其中有效地利用了本发明的磁控管。该装置包括真空反应器30，气体反应物可以从源31、32、33和34通过质量和蒸汽流控制器35、36、37和38引入真空反应室30中。如果希望的话，来自所示源的不同气体和蒸汽可以在它们被引入反应室之前在混合器39中混合。
设置在反应室30中的是至少3个磁控管电极40、40’和41。中心磁控管41是本发明的双面簇射头磁控管。磁控管40和40’可以是簇射面指向双面磁控管41的单面簇射头磁控管，或者它们可以是板形电极。待处理的衬底45放置在电极40和41和40’和41之间，如可以悬挂在挂钩或传送带上。本例中的每个磁控管电极40、40’和41连接到变频电源42。或者，可以提供分开的电源给每个电极供电。衬底固定于阳极上，阳极最好通过反应室壁接地。或者，衬底浮置(没有电连接)在等离子体产生装置中，其中该装置的其它部分接地，如本发明的双面磁控管的一面接地。气体反应物从气体输送管43分散到反应室内部并通过簇射头磁控管出来。反应室30最好连接到用于对真空室抽真空的真空泵44上。可选择地，反应室可以备有监视装置46，如光学监视器和/或质谱分析仪，用于处理控制。
如图所示，磁控管41是本发明的双面簇射头磁控管。磁控管40和40’可以是簇射头面向磁控管41的单面簇射头磁控管。最好所有磁控管中都具有磁铁，它们排列成使每个磁控管中的磁铁的磁极面向相同方向。但是，不必所有磁控管含有按这种方式排列的磁铁。如果只有一个磁控管含有最佳磁铁排列，则最好双面磁控管41含有该最佳磁铁排列。由于在本发明的磁控管中没有使用背板，因此磁控管在反应室30内部占据较小的空间，从而留下空间用于处理更多的部件。
在操作中，在将气体反应物(例如有机硅化合物和氧)和惰性气体(如果需要的话)通过输送管43以预定流速引入到反应室之前，首先借助真空泵44将反应室30抽真空。当气体流速恒定时，变频电源42被接通到预定值以产生等离子体，该等离子体使反应物在位于磁控管之间的空间中的衬底45表面上形成膜，或者修整衬底表面。
本发明的最佳特点之一是本发明的电极中的每个磁铁的每个磁极与同一磁铁的相反磁极产生磁场。这示于图3中，其中每个磁铁50的北极与同一磁铁的南极形成磁场54。每个磁铁50具有平行于电极表面的磁场54的分量。与同一磁铁的反向磁极形成磁场的每个磁铁产生至少一个闭合E×B漂移路径。本例中，示出的磁控管具有限定气口55的两个簇射头面板51和52。本发明的双面簇射头电极的优点之一在于，一组磁铁提供两个磁控管面(侧面51和52)，因此减少了任何反应室所需要的磁铁数量并减小了在反应室中由磁控管占据的空间。而且，通过这种设置，由于相同磁极面向相同方向而使一部分磁场53被排斥，因此增加了电极的每个面上的有效体积。
这样，本发明的优选实施例的电极中的磁铁被构形成使每个磁铁产生其自己的一条或多条闭合E×B漂移路径。优选地，这是通过排列磁铁来实现的，使相同磁极都面向基本相同方向，如图3所示。借助基本相同的方向，这就意味着所有磁铁的相同磁极相对于电极表面面向相同方向。因此，虽然图3中示出的电极是平面电极，但是可想而知电极可以是弯曲的。
当磁铁排列成使它们的相同磁极基本面向相同方向时，磁铁可以互相紧密靠近设置，而不存在与放置在其附近的任何其它磁铁形成磁场的任何磁铁。因此，即使在磁铁互相紧密靠近设置时，每个磁铁仍然产生其自己的一条或多条闭合E×B漂移路径。
由于磁铁互相紧密靠近放置，使每个磁铁保持其自己的一条或多条闭合E×B漂移路径，本发明的电极的优点是具有每电极表面面积的更多的闭合E×B漂移路径。每电极表面面积的增加了的大量闭合漂移路径产生比使用现有技术的磁限定型电极产生的等离子体更均匀的等离子体。而且可以看到，使用本发明的电极产生的等离子体从电极之间的空间中的电极表面扩散得比使用现有技术的电极产生的等离子体更远。虽然并不明确地知道为什么会看到这种现象，但是应该相信每个磁场的一部分被电极表面上的相同磁极排斥而远离电极表面，如图3所示的磁场53。还应该相信，这些部分磁场将使产生的一部分等离子体比如果磁铁交替磁极设置所可能的更远地远离电极表面，因此增加了有效体积。
本发明的大电极可以通过构形大量的磁铁而形成，所有磁铁的相同磁极都基本面向相同方向。例如，图4示出了在含有两列磁铁60的本发明的平坦双面簇射头磁控管电极内部磁铁是如何排列的。图4中示出了一个面板61。通过增加每列中磁铁的数量，或者增加更多列的磁铁，或者在等离子体产生装置中互相相邻排列单独的磁控管，都可以产生甚至更大的电极。
当根据本发明的教导采用条形磁铁时，如图4所示，每个磁铁60产生单个闭合E×B漂移路径65。
本发明的另一优选实施例示于图5中，并包括图1的基本磁控管设计，其中气体入口18、孔17、磁控管内的空间和面板中的出孔12设计成构成管道分配系统，由此气体以基本相同的流速从面板出来。当这种气体被均匀地分配到等离子体产生装置30中时，通过等离子体反应可以制备更高质量的均匀涂层。实现该目的的一个实施例示于图5中。
在本例中，精选了图1的结构，从而在磁控管位于气体密闭位置时，每个磁铁与每个面板的每个内部表面电绝缘接触，以形成单独的室70。穿过磁控管的底部(或如果希望的话，是顶部)放置与气体导管73连接的第一气体管道装置71。该管道限定气口74，该气口74通过多个孔75与每个室70对准，用于使气体从磁控管的内部通过面板77中的孔76出来。
管道的尺寸、从管道的出口、室70的尺寸和通过面板的口的尺寸设计成使按如下方式以高于希望的气压范围从入口导管7向内部分配气体并通过出口出来，该方式为：使气体以基本相同流速从出口76出来。该设计和尺寸将取决于磁控管的尺寸和所希望的流速，并且可以很容易地由本领域技术人员确定。
在另一实施例中，如图5所示，图1的基本实施例被修改成包括热交换装置78。简单的空心管可以设置在磁控管的内部以引入冷却和/或加热媒质。对于包括对加热敏感的衬底的等离子体反应来说，例如，可以引入某些塑料、冷却媒质，如冷却水。对于其它反应来说，实际上希望向系统中引入热量。这可以通过管78引入加热的媒质或用加热元件代替该管如电阻加热元件来实现。
本发明的实施例可以包括一个或多个前面介绍的实施例。这样，图1的实施例可以被修改成使用磁铁，其中磁极都排列在相同方向，可以采用管道气体入口系统和/或可以结合热交换装置。
本发明的磁控管的优选实施例中采用的磁铁在磁极面向相同方向时不应该互相紧密设置，以便防止磁铁的一个磁极与同一磁铁的相反磁极产生磁场。如果磁铁设置得互相太紧密，它们可能作为一个磁铁。这对磁铁设置得相隔多远是没有临界限制的。但是，在磁铁远离设置时，它们的对应闭合E×B漂移路径也是远离的并且所产生的等离子体将没有在磁铁设置得更靠近时产生的等离子体的均匀。不用过分的实验就可以确定适用于所给应用的磁铁之间的距离。
较宽的条形磁铁将在对应闭合E×B漂移路径的中心产生较大的间隙。闭合E×B漂移路径中的较大间隙还将导致产生更不均匀的等离子体。因此，一般更希望采用相对窄的条形磁铁。但是，如果本发明的电极中采用的磁铁太窄，那么闭合E×B漂移路径也将太窄，从而更难激发产生等离子体。不用过分的实验就可以确定适用于所给应用的磁铁宽度。
本发明的磁控管可以有利地采用美国专利Nos.5298587；5320875；5433786；和5494712的教导以产生形成等离子体的改进PECVD装置和方法，和形成涂层和/或处理各种衬底表面的方法。例如，本发明的另一实施例是等离子体产生装置，包括：a)至少三个磁控管，其中一个所述电极是含有两个或多个磁铁的双面簇射头电极，每个磁铁具有两个相反磁极，所述磁铁设置成使所述磁铁的相同磁极都基本面向相同方向，每个磁铁的每个磁极与同一磁铁的相反磁极产生磁场，每个磁场具有平行于电极表面的分量，磁铁具有足够的强度以在电极表面上产生至少100高斯。等离子体产生装置还示于图2中，如上所述。通过至少由图1限定的电极注入气体反应物，其中通过建立在双面簇射头磁控管的两面上的磁场基本上导入气体反应物。本发明的又一实施例是通过采用在等离子体反应区中的有机硅单体(organosiliconemonomer)气体和氧气的等离子体增强化学汽相淀积向衬底表面上提供耐磨损涂层的方法，包括以下步骤：a)在有衬底的情况下采用在106-108J/Kg范围内的功率密度，在有过量氧的情况下等离子体聚合有机硅单体；b)在基本垂直于衬底表面的方向引导氧气和有机硅单体气体并通过基本上被包含在邻近等离子体区的区域中的至少100高斯的磁场，进入等离子体反应区中，其中至少100高斯的磁场是由双面簇射头磁控管产生的，如前所述，优选地含有两个或多个磁铁，每个磁铁具有两个相反磁极，所述磁铁设置成使所述磁铁的相同磁极都基本面向相同方向，每个磁铁的每个磁极与同一磁铁的相反磁极产生磁场，每个磁场具有平行于电极表面的分量。
本发明的磁控管和等离子体产生装置可用在很多等离子体淀积工艺中以处理和/或涂敷具有硅和其它无机基涂层的各种衬底的表面，如黄铜固定器，塑料如聚碳酸酯釉料，平板显示器，如在前面参考的Hu etal.专利中教导的那些。
例子
根据美国专利No.5433786的教导进行SiOxCyHz的淀积，除了淀积是在配有本发明的磁控管和只有一个簇射面的两个磁控管的装置中进行的以外。每个电极是具有30英寸(76.2cm)乘144英寸(365.76cm)尺寸的平面电极。每个电极由4部分构成，每部分的尺寸为30英寸(76.2cm)乘36英寸(91.44cm)。每部分是通过设置33个条形磁铁形成11列构成，其中每列含有互相相邻的3个磁铁以基本上在由铝构成的框架上形成单个磁铁。列中的每个磁铁为24英寸(60.96cm)长，0.5英寸(1.27cm)厚。宽度为0.75英寸(1.9cm)。每列中的磁铁设置成相隔2.44英寸(6.19cm)。每个磁铁具有1千高斯的表面场。从Midwest Industries获得这些磁铁。在磁控管的外部，每个磁铁设置成使每个磁铁的北极背面由1/16英寸(0.1524cm)厚的软铁片构成的背板。磁控管的面是由3/8英寸(0.939cm)厚的铝片(头板)形成的。电极以并列隔开22英寸(55.88cm)放置在PECVD室中。中心磁控管是双面电极，而没有背板。采用这三个电极，该PECVD装置使用提供约8.64×107J/Kg的功率密度的电源在约30英寸(26.2cm)乘144英寸(365.76cm)的区域上产生均匀等离子体条件。用SiOxCyHz涂层按如下方式涂敷黄铜部件。
基本由抛光黄铜门硬件、黄铜试样、和玻璃滑片构成的约500个预清洗衬底固定于50个8英寸(20.32cm)直径乘32英寸(81.28cm)长的支架上，并悬挂于中心双面电极和两个单面电极之间。每个电极中心之间相隔22英寸(55.88cm)。支架以约1RPM旋转以提供用于在每个支架两侧上的部件的均匀涂层厚度。
在引入处理气体之前涂敷室被抽真空到1×10-4Torr的压强。气流是150sccm的O2和100sccm的Ar。连续3分钟引入气体以容许均匀扩散遍布该室，之后40KHz 5000瓦的功率施加于电极上。6分钟之后，关闭Ar流，引入525sccm TMDSO(四甲基二硅氧烷)，并且O2流被调节到225sccm。条件保持静止240分钟，之后关闭气体和电源。然后涂敷室被抽真空到1×10-4Torr以在排入大气之前除去残余气体。
采用Tencor Alpha Step 100轮廓仪对于厚度评价在整个涂敷室分布的测试条。观查到SiOxCyHz聚合物的优异均匀性，并具有约34000埃的平均厚度。在所有玻璃滑片试样上观察该涂层是完全透明的，没有可注意到的模糊不清的地方。涂敷的抛光黄铜部件在外观上实际上与未涂敷的黄铜部件是相同的。

Claims (2)

1、一种双面簇射头磁控管，包括
a)一对面板，用于限定通过其传送气体的多个孔，所述面板互相电绝缘并在其间形成内部空间；
b)用于在基本互相平行的位置上支撑所述面板的装置，从而形成内部空间，所述支撑装置与所述面板电绝缘；
c)支撑在内部空间中的至少一个磁铁，所述至少一个磁铁与所述面板和用于支撑所述面板的所述装置电绝缘；
d)按通过每个孔的气体流速基本相同的方式通过所述面板中的多个孔将气体引入和引出内部空间的装置；
e)用于给所述面板的至少一个提供电源的装置；
其中除了多个孔和用于引入气体的所述装置以外，内部空间实质上是气密的。
2、根据权利要求1的磁控管，其中所述至少一个磁铁包括多个磁铁，这多个磁铁设置成使相同磁极基本上面向相同方向并定位在使每个磁铁产生其自己的闭合E×B漂移路径的距离上。
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