CN100545299C - 衬底镀膜的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于给衬底蒸镀一层如金属之类的材料的方法，在方法中在低本底压力的空间内蒸发大量导电材料并且向要蒸发的材料输送能量以便蒸发这种材料。根据本发明，要蒸发的材料在其被蒸发时是在空间中保持浮动而没有支撑并且被封闭在交变电磁场内，该交变电磁场是用高频交流电流产生的。本发明也涉及用于衬底镀膜的设备并且涉及衬底。

Description

衬底镀膜的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于给衬底涂敷一层如金属之类材料的方法，在方法中在低本底压力的空间内蒸发大量导电材料并且为了蒸发这种材料而向要蒸发的材料供给能量。发明也涉及用于衬底镀膜的设备，并且涉及用该方法或该设备获得的衬底。

背景技术

以上所述的方法是我们都知道的一种用于给衬底蒸镀覆盖材料(薄)层的技术；该方法通常称之为物理汽相沉积(PVD)。在电子工业和光学工业里、在玻璃工业里和在作各种用途的镀金属弹簧片的制造方面这种技术得到广泛的应用。因为能够达到的量是可观的并且没有产生工业废物，所以PVD是一种有吸引力的镀膜方法。

在应用PVD时，首先必须把镀膜材料转变成汽相。通过在通称为真空室的有非常低的本底压力的工作室中加热镀膜材料实现转变。通过加热，镀膜材料转变成蒸汽直至达到处于与形成蒸汽的镀膜材料加热表面热动平衡的压力。这样的平衡蒸汽压力对镀膜材料向沉积蒸汽的衬底的传送速度来说是最重要的参数。平衡蒸汽压取决于镀膜材料的温度。为了达到镀膜对衬底的比较好的传送速度，即比较好的每单位时间沉积的衬底上的镀膜材料量，通常必须使镀膜材料加热到高温。这些温度往往大约是在大气压下的沸点的二分之一或者有时更高。实践上，用于金属的温度是在用于锌的大约600℃和用于铌和铼的大约2200℃之间。像钽、钼和钨之类金属要求如此之高的温度以致它们不用于PVD。像钛、铬、镍、铝等等之类金属由于材料传送速度低所以很少使用。

使用PVD的缺点是传送速度主要是受由于高的处理温度因此必须蒸发的镀膜材料始终处于液态的实际情况的限制。因此，材料必须是在例如可以由陶瓷材料或者由铜制作的坩埚中。在后者的情况中，要求用水充分冷却，以使凝固的镀膜材料的薄膜覆盖住铜，从而防止铜熔化或者也被蒸发而不损伤铜。冷却铜坩埚的不利后果是大部分所供给的热量由于冷却而损失。陶瓷坩埚的使用限于高处理温度下与坩埚材料不起化学反应的镀膜材料。由于大部分陶瓷材料是不良的热导体所以使用陶瓷坩埚所要求的热能输送也出现问题。

发明内容

发明的一个目的是为用PVD给衬底镀膜而提供一种改进的方法和设备。

发明的另一个目的是提供一种镀膜材料传送速度比迄今的传送速度尽可能高的这种类型的方法和设备。

发明的再一个目的是提供一种使得采用迄今不可能使用的一些应用PVD的材料作镀膜材料成为可能的这种类型的方法和设备。

根据发明的第一方面，由一种用于给衬底蒸镀一层如金属之类材料的方法达到这些目的中的一个或者更多个目的，在这种方法中在低背景压力的空间内蒸发大量导电材料和向要蒸发的材料供给能量以便使这种材料蒸发，在这种方法中，要蒸发的材料在蒸发时在空间保持浮动，没有支撑而是封闭在交变电磁场内，并且在这种方法中通过高频交流电流流过线圈产生交变电磁场。

根据本发明，提供了一种衬底镀膜方法，用于给衬底蒸镀一层材料，在低本底压力的空间中蒸发大量导电材料并且向要蒸发的材料输送能量以使这种材料蒸发，其中要蒸发的材料当其正被蒸发时是在空间中保持浮动而没有支撑并且被封闭在交变电磁场内，交变电磁场是由高频交流电流流过线圈产生的，其特征在于衬底以带的形式通过空间并且不间断地被一层材料覆盖，以及设置加料装置，用于以线材方式提供要蒸发的材料，该蒸发的材料通过交变电磁场随时间过程不断吸入要蒸发的材料的额外量来补充。

使要蒸发的材料的空间保持浮动而没有支撑意味着再没有必要使用铜坩埚或者陶瓷坩埚。结果是，由于坩埚不形成限制因素，所以把更高的温度赋于要蒸发的材料是可以行得通的。所以能够增大蒸发的材料到衬底的传送速度。由于再没有必要使用坩埚，所以蒸发因它们能够与坩埚材料反应而迄今不可能使用的一些材料也是可以实现的。

具体实施方式

通过外磁场和由此在导电材料内感应的涡流电流之间互相作用而产生的洛伦兹力使导电材料封闭在交变电磁场内是可以实现的。

交变磁场是用高频交流电流产生的。为了使在工业规模上足以满足衬底镀膜的每分钟高效率地蒸发大量导电材料有可能实现，要求高频交流电流使很大块导电材料保持浮是可以行是通的。

我们都知道在交变电磁场中使导电材料浮动并且使导电材料熔融归属于著名的“悬浮熔融”。在EP 0751361 B1中公开了这种用途的方法和设备；在这种情况中，熔融金属用于精密铸造。应该注意到仍一直在使用熔化材料不一定进入接触的水冷坩埚。在“第三屈金属电磁处理国际论文集”，4月3-6日2000年，名古屋，日本，345-375页(“3^rd InternationalSymposium on Electromagnitic Processing of Materials，”April，3-62000，Nagoya，Japan，pp 345-375)中各个作者在许多论文中也描述了在交变电磁场中的悬浮熔融。然而迄今为止，悬浮熔融尚未与物理汽相沉积配合使用，根据本发明的悬浮熔融之后蒸发为大家所不知。

交流电流的频率较好的是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。频率的高低，例如如果要连续蒸镀衬底，则与每单位时间要蒸发的材料量有关。这样在所选择的浮动材料温度下就要求一定的蒸发表面面积。这样的浮动材料量要求最小的在浮动材料表面层内的涡流电流而所以要求最低的交流电流频率。

根据最佳实施例，通过用200A或更大的电流强度的交流电流、较好的用500A或更大的电流强度的交流电流、更好的用1kA或更大的电流强度的交流电流或者再更好的用4kA或更大的电流强度的交流电流流过线圈而产生交变电磁场。为了获得大的热容量必须选择作为交流电流频率高低的函数的交流电流强度。

最好是，在浮动材料中消耗的功率至少是2kW，较好至少是5kW而更好至少是10kW。这是合乎要求的，因为浮动材料的蒸发随着消耗功逐渐变大而增加。

根据一个有优势的方法实施例，通过电磁感应加热来加热要蒸发的材料。在这种方法中，能够把要蒸发的材料加热到所希望高的温度。

作为一种替换或者添加，通过激光束加热和/或电子轰击加热和/或感应耦合等离子体加热和/或电阻加热能够使要蒸发的材料加热。所有这些加热方法容易用来加热浮动材料。

最好通过交变电磁场随时间过程吸入要蒸发的材料的额外量来补充正在蒸发的材料。交变电磁场的吸入材料的操作容易补充因连续或者逐步蒸发而减少的要蒸发的材料量。

根据一个有优选的实施例，把线圈的交变电磁场的形状取成分立区段的型式。如果要蒸发的材料被吸入到交变场的分立区段区，则不干扰或者较轻微干扰正在蒸发的材料的交变场区段。

在这样的情况下，要吸入的材料最好不在空间中自由浮动。而是容易地把要吸入的材料移到到空间中的一个地方，然后由交变电磁场吸入。

根据一个进一步有优热的方法实施例，用与线圈分离的副线圈获得交变场的分立区段。因此，能够控制和调整吸入要蒸发的材料的操作而与材料的蒸发无关。

以上方法最好用来蒸发钛、镁、锡、锌、铬、镍或铝，或者这些金属其中一种与一种或更多种包括这些金属或别的金属的其他材料的混合物，因为这些是市场上买得到的重要镀膜材料。在蒸发以后，一些材料可以与例如氧或氮之类反应气体反应，因而形成非导体的氧化物或者氮化物。这种反应可以在汽相期间发生或者在衬底上冷凝以后直接发生。

根据一个有优势的实施例，不间断地给衬底蒸镀一层材料。在许多情况下，这将意味着衬底以带状通过真空室，并且在一段带在真空室内滞留时间期间必须蒸发大量材料为那段带镀膜。迄今为止，因为低的传送速度所以以上所述是不可能实现的；然而，借助于如以上所述的方法，非常迅速地蒸发大量材料是可以实现的，而所以以工业规模给例如带状之类的衬底镀膜是可以实现的。

发明的第二方面提供用于通过导电材料的蒸发给衬底蒸镀一层像金属之类的材料、包括装有在工作室内产生低本底压力的装置的工作室、用于接收要蒸发的材料的装置和用于使要蒸发的材料加热的装置的一种设置。在这种设备中，根据发明，用于接收要蒸发的材料的装置包括用来产生交变电磁场以便使要蒸发的材料料没有支承而能够浮动的线圈。

线圈的设置就有可能使要蒸发的材料浮动，这样就对坩埚再没有任何需要，因而借助于这种装置能够实施以上所述的方法。

线圈最好设计成通过高频交流电流产生交变电磁场。由于线圈使用高频交流电流，所以形成洛伦兹力能够使要蒸发的材料保持浮动的交变电磁场。

根据一个最佳实施例，用于使材料加热的装置包括电磁感应线圈。因此，要加热的材料能够容易被加热到高温而没有与要加热的材料进行接触。

对于设备中的线圈来说，最佳地形成上述高频交流电流是可以实现的，并且最佳地形成上述交流电流强度也是可以实现的。

作为一种替换或者添加，用于使材料加热的装置包括一种激光光源和/或电子源。这些装置虽然较少用来加热要蒸发的材料但是也能够用来加热要蒸发的材料。

有一些用于使线圈与工作室隔离的最佳装置。使线圈与真空室中的蒸发空间隔离易于使线圈与要蒸发的材料分开并且使线圈在没有沾污物质进入蒸发室而因此也没有影响衬底的情况下能够很好地冷却。此外，冷却剂在工作室中不会引起短路，因此使线圈承载高功率并且把高功率传输到要蒸发的材料是可以行得通的。由于陶瓷是耐高温的并且是抗冷却剂的，因此最好用陶瓷材料制造隔离装置。隔离装置包括例如陶瓷管，因为陶瓷管容易生产并且容易使用。

用于线圈的隔离装置还提供使通过线圈产生的涡流电流在隔离材料上凝结的导电材料熔化或者蒸发，以便凝结的导电材料或是返回到浮动材料作为熔融材料或是用作衬底镀膜的蒸汽的优点。所以隔离的线圈是自行净化。

根据一个有优势的实施例，有用于以线材方式提供要蒸发的材料的加料装置，以便在使用期间加满蒸发的材料。由于事实是每单位时间一部材料被蒸发掉，所以必须不间断地加满要蒸发的材料；对于这样的用途来说，必须以真空室保持真空的方式来设计加料装置。

测量设置最好是安排在工作室内。这种测量设备用来控制工艺过程。测量设备除了别的以外最好是适用于例如用光学高温测定法测量温度。

发明的第三方面涉及用如以上所述的方法和/或如以上所述的设备生产的镀有一层导电材料的衬底，其中导电材料最好是金属，更好是钛、镁、锡、锌、铬、镍或铝，或者这些金属其中一种与一种或更多种包括这些金属或别的金属的其他材料的混合物。

Claims (19)

1.一种衬底镀膜方法，用于给衬底蒸镀一层材料，在低本底压力的空间中蒸发大量导电材料并且向要蒸发的材料输送能量以使这种材料蒸发，其中要蒸发的材料当其正被蒸发时是在空间中保持浮动而没有支撑并且被封闭在交变电磁场内，交变电磁场是由高频交流电流流过线圈产生的，其特征在于衬底以带的形式通过空间并且不间断地被一层材料覆盖，以及

设置加料装置，用于以线材方式提供要蒸发的材料，该蒸发的材料通过交变电磁场随时间过程不断吸入要蒸发的材料的额外量来补充。

2.根据权利要求1的方法，其中交流电流的频率为10KHz或更高。

3.根据权利要求1或2的方法，其中通过用200A或更大的电流强度的交流电流而产生交变电磁场。

4.根据权利要求1或2的方法，其中在浮动材料中消耗的功率至少是2KW。

5.根据权利要求3的方法，其中在浮动材料中消耗的功率至少是2KW。

6.根据权利要求1的方法，其中用电磁感应加热使要蒸发的材料加热。

7.根据权利要求1的方法，其中用激光束加热和/或电子轰击加热和/或感应耦合等离子体加热和/或电阻加热使要蒸发的材料加热。

8.根据权利要求1的方法，其中线圈的交变电磁场以这样的方式被成形，使交变场的分立区段吸入要蒸发的材料。

9.根据权利要求8的方法，其中要吸入的材料在空间中不自由流动。

10.根据权利要求8或9的方法，其中利用与线圈分开的副线圈获得交变场的分立区段。

11.根据权利要求1的方法，其中蒸发钛、镁、锡、锌、铬、镍或铝，或者这些金属其中一种与包括这些金属或别的金属的一种或更多种其他材料的混合物。

12.一种衬底镀膜的设备，用于通过导电材料的蒸发给衬底蒸镀一层材料，包括：装有在工作室内产生低本底压力的装置的工作室、用于接收要蒸发的材料的装置和用于使要蒸发的材料加热的装置，用于接收要蒸发的材料的装置包括能够用来产生交变电磁场以便使要蒸发的材料没有支撑而浮动的线圈，其特征在于具有用于使线圈与工作室内的蒸发空间隔离的装置，该隔离装置为陶瓷管，

其中，设有加料装置，用于以线材方式提供要蒸发的材料。

13.根据权利要求12的设备，其中线圈设计成利用高频交流电流产生交变电磁场。

14.根据权利要求12或13的设备，其中用于使材料加热的装置包括电磁感应线圈。

15.根据权利要求12的设备，其中用于使材料加热的装置包括激光光源和/或电子源。

16.根据权利要求12的设备，其中测量设备被安装在工作室内。

17.根据权利要求16的设备，其中测量设备适用于测量温度。

18.根据权利要求12的设备，其特征在于，适用于实施根据权利要求1的方法。

19.用根据权利要求1的方法和/或根据权利要求12的设备生产的装有一层导电材料的衬底，其中衬底是一种带而导电材料是金属。