CN1226339A - 磁控管 - Google Patents

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Abstract

用于产生比用过去已知的磁控管型等离子体发生装置所产生的等离子体更加均匀和具有更高密度的等离子体的方法和装置。本发明使用包含多个磁体的电极,所说多个磁体排列成使这些磁体的同性磁极全部都朝向基本相同方向。

Description

磁控管
本发明涉及等离子体发生装置。更具体地说，本发明涉及磁控管型等离子体发生装置(即磁控管)，这种装置能够以比由过去已知的磁控管型等离子体发生装置产生的等离子体更为均匀的密度保持等离子体。
在本领域中磁控管已经为人熟知许久，并被用于例如蚀刻、表面处理、和等离子体增强化学蒸气沉积(“PECVD”)。PECVD在本领域中也是熟知的。在美国专利US-5298587；US-5320875；US-5433786；和US-5494712(均授予“Hu等人”)中可以找到PECVD装置的示例，上述专利中的教导内容以引用方式结合在本申请中。
如在《等离子体处理技术手册》(Noyes出版，1990)第6章所述，磁控管是通常以二极管模式使用的一种冷阴极放电装置。在毫乇压力下施加直流或射频高压可以在阴极与阳极之间激发等离子体。由于离子轰击从阴极发射的二次电子穿过阴极鞘加速进入等离子体区所引起的电离作用使等离子体得以保持。磁控管阴极与常规的二极管阴极的区别在于施加了磁场。磁控管中的磁场取向使得该磁场的一个分量平行于阴极表面。磁场的局部极化方向使得发射的二次电子的ExB漂移路径形成一个闭环。由于与直流或射频二极管装置相比，这种ExB位移环路增强了对于二次电子的禁闭，所以等离子体密度要比常规的射频或直流二极管等离子体高得多，一般为一个数量级或更高。等离子体高密度和接近阴极的结果是在相对较低的电压放电情况下产生大电流。
Hu等人提出了一种在基板表面形成耐磨蚀保护涂层的方法。按照Hu等人教导的方法，使用一种采用磁约束电极的PECVD方法激发有机硅化合物与过剩氧量的聚合反应，所施加的功率密度为106至108焦耳/千克，其中所用基板具有适合的表面以使等离子体处理的聚合产物粘附在基板表面。在Hu等人的发明中，磁约束电极应用了具有足够强度的磁体以产生至少100高斯的磁场。
在本领域中人们还熟知，当在涂覆一块基板的处理如在PECVD处理中使用磁控管时，难以获得均匀厚度和高质量的涂层。质量的一个方面是指涂层在厚度和宽度两个方向上具有均匀的化学组成。为了获得均匀厚度和质量的涂层，必须相对于电极移动基板。对于较大的基板尤其如此。但是相对于电极移动基板使得处理量降低。
本发明与现有技术装置相比，能够更加容易地获得更为均匀(厚度和质量)的涂层，特别是对于较大的基板。根据一个方面，本发明涉及包含多个磁体的一种电极，所说磁体的同性磁极全部朝向基本相同的方向。每一磁体在同一磁体的两个相反磁极之间产生一个磁场。每个磁场具有平行于电极表面的一个分量。本发明的电极与现有技术的电极相比每单位数量的磁体具有更多的闭环ExB漂移路径。本发明的电极能够在电极表面产生更为均匀的等离子体。此外，本发明的电极与现有技术的电极相比能够产生更高密度的等离子体。根据本发明，可以将多个磁体(即两个或更多)按照各种构型排列以构成能够产生更强、更均匀的等离子体的大电极。
根据另一个方面，本发明涉及使用本发明的电极的一种改进的等离子体发生装置。根据再一个方面，本发明涉及一种改进的产生等离子体的方法和一种改进的涂覆各种基板的方法。
按照本发明的一个实施例，所说电极为一平面电极，它包括两个或多个磁体，这些电极排列成使所说磁体的同性磁极位于平行于所说平面电极所在几何平面的一个几何平面内，所说磁体的极性垂直于所说平面电极的几何平面，每个磁体产生一个磁场，每个磁场具有平行于所说电极几何平面的一个分量。
图1为本发明等离子体装置的示意图。
图2为本发明电极的分解图。
图3为图2所示电极的另一个视图。
图4为本发明另一种电极的视图。
图5为用于本发明电极的磁体的一种排列方式图。
图6为用于本发明电极的磁体的另一种排列方式图。
图1表示本发明的一种装置，这种装置能够有效地利用本发明的电极。该装置包括一个反应容器10，气体反应物可以从反应物源11、12、13和14通过质量流量控制器15、16、17和18导入所说反应容器中。如果需要的话，可以在将来自所说的各个反应物源的不同气体和蒸气导入所说反应容器之前将它们在一个混合器19中进行混合。
在反应容器10中设置有一对相对的电极20和21。待处理的基板放置在电极20与21之间。电极21，即阴极，与一个变频电源22相连。电极20可取的是通过反应容器壁接地。气体反应物通过气体传输管线23传输到容器内部。可取的是，将反应容器10与用于将容器10抽成真空的一个抽真空***24相连。反应容器还可以装备监测装置，如一个光学监测器25以确定涂层的厚度。
优选的是，电极20和21都按照本发明构成。但是，并不必须要求两个电极都按照本发明构成。如果只有一个电极实施了本发明，则可取的是电极21，即阴极，实施本发明。
在操作时，在以预定流率通过传输管线23将气体反应物(例如有机硅化合物和氧气)和惰性气体(如果需要的话)导入反应容器之前，首先使用真空泵24将反应容器10抽真空。当气体流率稳定时，将变频电源22调整到预定值以产生等离子体，使反应物在基板上形成薄膜。
图2为本发明的电极21的一个分解图。在图2中，条形磁体30设置在底板32上。可取的是，磁体30能够粘结在底板32上。在磁体30上设置有一个盖板31。盖板31上可以任意地形成一些孔或槽以使气体反应物和惰性气体(如果有的话)能够通过电极，如美国专利US-5433786中所教导的那样。
本发明的一个重要特征是本发明的电极中每个磁体的每个磁极与同一磁体上的相反磁极之间产生一个磁场。这种情形表示在图3中，其中每个磁体的北磁极与同一磁体的南磁极形成一个磁场33。每个磁体30产生的磁场33有一个分量34平行于电极表面。与同一磁体的相反磁极形成一个磁场的每个磁体生成至少一个闭环ExB漂移路径。
因此，本发明电极中的磁体的构造使得每个磁体生成其本身的闭环ExB漂移路径。可取的是，这通过将本发明电极中的磁体进行排列使得相同的磁极都基本朝向相同方向而实现的，如图3所示。所谓基本相同方向的意思是所有磁体的同性磁极都相对于电极表面朝向相同方向。因此，尽管图3所示电极是平面电极，可以想象到电极也可以是弯曲的。例如，电极可以形成一个圆柱体形，使所有的北磁极都从圆柱体中心朝向外侧。
当本发明电极的磁体都排列成使它们的同性磁极朝向基本相同的方向时，磁体可以彼此非常接近，而不会造成磁体与任何与之接近的其它磁体产生磁场。因此，即使在磁体彼此非常接近时，每个磁体仍然生成它们自己的闭环ExB漂移路径。
因为这些磁体可以设置得彼此非常接近，而每个磁体又能够保持其自身的闭环ExB漂移路径，本发明电极的优点在于每单位电极表面面积具有较多的闭环ExB漂移路径。每单位电极表面面积上闭环漂移路径数量的增加使得所产生的等离子体比用现有技术的磁约束型电极产生的等离子体更加均匀。还可以观测到，使用本发明电极产生的等离子体比使用现有技术电极产生的等离子体在电极之间的空间中从电极表面弥散得更远。虽然还没有最终准确地知道为什么会观察到这种现象，但是可以相信每个磁场的一部分被电极表面上的同性磁极从电极表面排斥开。还可以相信磁场的这些部分导致所产生的一部分等离子体比如果磁体按照磁极交替方式排列所产生的等离子体可能更加远离电极表面。
通过设置大量磁体，并使所有同性磁极朝向基本相同方向，可以构成本发明的大电极。例如，图4表示了本发明包含两排磁体30的一种平面电极。增加每排的磁体数量或者增加磁体排数可以构成更大的电极。
当如图4所示按照本发明的教导使用条形磁体时，每个磁体30产生一个闭环ExB漂移路径35。但是，如果如图5或图6所示使用环形磁体时，每个磁体产生两个独立的闭环ExB漂移路径。例如，图5表示同心环状磁体50，其中每个磁体的可见表面(即朝向读者的平面)具有相同的极性。图5中所示的每个磁体产生两条独立的闭环ExB漂移路径。图6表示具有相同半径并且排列成圆柱体形的环形磁体60。如果每个磁体60从圆柱体中心向外的弯曲表面具有相同极性，则每个磁体产生两条独立的闭环ExB漂移路径。
用于本发明电极的磁体不应该放置得彼此过于接近，以防止磁体的一个磁极与同一磁体的相反磁极产生一个磁场。如果将这些磁体放置得彼此太近，它们的特性就会象一个磁体。对于磁体彼此之间应当距离多远尚没有严格的限制。但是，如果将磁体放置得过于分开，它们相应的闭环ExB漂移路径将分得很开，结果导致所产生的等离子体的均匀性不如将磁体靠近设置所产生的等离子体。无需太多的试验就能够确定适合于给定应用的磁体之间的距离。
较宽的条形磁体在相应的闭环ExB漂移路径中心将产生较大的间隙。闭环ExB漂移路径中较大的间隙还会导致等离子体均匀性降低。因此，通常更需要使用相对较窄的条形磁体。但是，如果用于本发明电极的磁体太窄，则闭环ExB漂移路径也十分窄，这使得更加难以激发等离子体。无需太多的试验就能够确定适合于给定应用的磁体宽度。
可取的是利用本发明的电极根据美国专利US-5298587；5320875；5433786；和5494712的教导构成改进的PECVD装置和形成等离子体以及在各种基板上形成涂层的方法。例如，本发明的另一个实施例是一种等离子体发生装置，它包括：a)两个电极，所说电极中至少一个电极限定了一个电极表面和包含两个或多个磁极，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极都朝向基本相同的方向，每个磁体的每个磁极都与同一磁体的相反磁极产生一个磁场，每个磁场有一个分量平行于电极表面，所说磁体具有足够强度以产生至少100高斯的磁场；和b)用于穿过至少一个电极注入气体反应物的一个装置，所说装置使基本所有所说反应物通过所说磁场。本发明的再一个实施例涉及一种方法，该方法应用在等离子体反应区中的有机硅化合物单体气体和氧气的等离子体增强化学蒸气沉积在一个基板的表面上形成一层耐磨损涂层，它包括以下步骤：a)在设置基板的情况下，以大约106至108焦耳/千克的功率密度将有机硅化合物单体在过剩氧量中进行等离子体聚合；和b)沿基本垂直于所说基板表面的方向引导氧气和有机硅化合物单体，并穿过至少为100高斯的磁场，进入等离子体反应区，所说磁场基本形成在与所说等离子体区相邻的一个区域中，其中强度为至少100高斯的磁场是由一个电极产生的，所说电极限定了一个电极表面，包含两个或多个磁体，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极都朝向基本相同方向，每个磁体的每个磁极与同一磁体的相反磁极产生一个磁场，每个磁场有一个分量平行于所说电极表面。实例
按照美国专利US-5433786的教导进行SiOxCyHz的沉积，不同之处在于沉积反应是在装备有一对本发明电极的一个PECVD不锈钢罐中进行的。每个电极均为30英寸×120英寸的平面电极。每个电极由5段构成，每段的尺寸为30英寸×24英寸。每段由设置在一块1/16英寸厚软铁底板上的2排12根条形磁体构成。这些磁体以如图4所示方式排列。每个磁体8.5英寸长、0.75英寸宽、0.5英寸高。每一排磁体间隔1.5英寸。每个磁体的表面场强为1千高斯。这些磁体由Midwest Industries公司制造。在一个电极上将每个磁体设置成使每个磁体的北磁极朝向离开底板的方向，在另一个电极上每个磁体设置成使每个磁体的南磁极朝向离开底板的方向。这些磁体用一块3/16英寸厚的铝板(盖板)覆盖，所说盖板形成所说电极的表面。将电极设置在PECVD腔室中，彼此分隔9英寸，使一个电极(所有北磁极)的表面朝向另一个电极(所有南磁极)的表面。利用这两个电极，PECVD装置可以在大约30英寸×120英寸的面积上产生均匀的等离子体。

Claims (12)

1、一种等离子体发生装置，它包括两个电极，所说电极中至少一个电极限定一个电极表面和包含两个或多个磁体，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极全部都朝向基本相同方向，每个磁体的每个磁极都与同一磁体的相反磁极产生一个磁场；每个磁场有一个分量平行于所说电极表面。
2、如权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生一条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
3、如权利要求1所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生两条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
4、一种等离子体发生装置，它包括两个电极，至少一个电极是平面电极和包含两个或多个磁体，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极处于平行于所说平面电极所在几何平面的一个几何平面内，所说磁体的磁极方向垂直于所说平面电极的几何平面，每个磁体的每个磁极与同一磁体的相反磁极产生一个磁场，每个磁场有一个分量平行于所说电极的几何平面。
5、如权利要求4所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生一条平行于所说平面电极所在几何平面的闭环ExB漂移路径。
6、如权利要求4所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生两条平行于所说平面电极所在几何平面的闭环ExB漂移路径。
7、一种等离子体发生装置，它包括：
a)两个电极，所说电极中至少一个电极限定一个电极表面和包含两个或多个磁体，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极全部都朝向基本相同的方向，每个磁体的每个磁极都与同一磁体的相反磁极产生一个磁场，每个磁场有一个分量平行于所说电极表面，所说磁体具有足够强度以产生至少100高斯的磁场强度；和
b)用于穿过至少一个电极注入气体反应物的一个装置，所说装置引导基本全部所说反应物穿过所说磁场。
8、用于在一个基板的表面上形成一层耐磨损涂层的一种方法，该方法应用在等离子体反应区中的有机硅化合物单体气体和氧气的等离子体增强化学蒸气沉积，它包括以下步骤：
a)在设置基板的情况下，以大约106至108焦耳/千克的功率密度将有机硅化合物单体在过剩氧量中进行等离子体聚合；和
b)沿基本垂直于所说基板表面的方向引导氧气和有机硅化合物单体，并穿过至少为100高斯的磁场，进入等离子体反应区，所说磁场基本形成在与所说等离子体区相邻的一个区域中，
其中所说强度为至少100高斯的磁场是由一个电极产生的，所说电极限定了一个电极表面，包含两个或多个磁体，每个磁体具有两个相反的磁极，所说磁体排列成使所说磁体的同性磁极都朝向基本相同方向，每个磁体的每个磁极与同一磁体的相反磁极产生一个磁场，每个磁场有一个分量平行于所说电极表面。
9、如权利要求7所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生一条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
10、如权利要求7所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生两条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
11、如权利要求8所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生一条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
12、如权利要求8所述的一种等离子体发生装置，其特征在于每个磁体产生两条平行于所说电极表面的闭环ExB漂移路径。
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