CN1295628A - 淀积双轴结构涂层的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种制造双轴结构涂层的淀积方法与设备,双轴结构在淀积时高能粒子以可控角度轰击而形成。淀积方法应用一个或多个磁控管溅射装置,能产生待淀积材料流和方向可控的高能粒子流,从而可控制对衬底的入射角。磁控管溅射源产生高能粒子与待溶积材料束,能使所述束以控制的角度射向衬底,由此在衬底上淀积双轴结构涂层。

Description

淀积双轴结构涂层的方法与设备

背景技术

本发明涉及双轴结构涂层的淀积方法，其中双轴结构是在淀积期间高能粒子以特定控制的角度轰击造成的。

双轴结构涂层是一种相邻晶粒中两个结晶方向平行的涂层。众所周知，淀积期间，相对于衬底表面以大于90度的角度引导高能粒子流，可在涂后中形成双轴结构。人们还知道，根据待淀积材料的晶体结构，高能粒子能导致最高程度双轴结构有一最佳入射角，具体情况可参阅以下作者的文献：L.S.Yu，U.M.Harper，J.J.Cuomo与D.A.Smith，J.Vac.Sci.Technol.A4(3)，P.443，1986；R.P.Reade，P.Berdahl，R.E.Russo，S.M.Garrison，Appl.Phys.Lett.61(18)，p，2231，1992；N.Sonuenberg，A.S.Longo，N.J.Cima，B.P.Chang，K.G.Ressler，P.C.McIntyre，Y.P.Liu，J.Appl.Phys.74(2)，P.1027，1993；Y.Iijima，K.Onabe，N.Futaki，N.Tanabe，N.Sdakate，O.Kohmo，Y.Ikeno，J.Appl.Phys.74(3)，p，1905，1993；X.D.Su，S.R.Foltyn，P.N.Arendt，D.E.Peterson，“高温超导带商业化会议录”，Albuquerque，New Merico，July5-7，1995。

已经描述过几种制备双轴结构涂层的淀积方法。这些淀积方法的主要缺点在于待淀积材料和高能粒子流的供应是由截然不同的源产生的，要求两种源同处于一个真空腔，可能导致源间不相容，故要求对操作范围作某些折衷以实现相容地工作。通常用某种离子源产生高能离子流，并以可控的角度射向衬底而在其上形成涂层生长。为了产生待淀材料，应用了不同的淀积设备(如离子束溅射、脉冲式激光淀积、电子束淀积、磁控管溅射等，见上述文献)。在产生待定积材料和高能粒子流方面，要求两种截然不同的源，使淀积方法更难以控制，不适于大规模应用，花费也更大。

已经描述过在淀积期间应用等离子体辅助淀积方法以高能粒子轰击(如用离子)来淀积材料的有效途径。这类等离子体辅助淀积或离子辅助淀积法已广泛用于提高涂层密度、增大涂层硬度、控制涂层应力、影响涂层的光学特性等。还曾描述过对此而使用的磁控管溅射设备。曾经描述过，磁控管溅射源的效能在很大程度上受到改变磁场结构的影响。例如W.O.Sprould在“材料科学与工程”杂志(Vol.A136，p187，(1993))上描述了一种方法，可通过改变磁场结构增大衬底上高能粒子的密度。Savvides与Katsaros在“应用物理扎记”(Vol.62，p.528(1993))以及S.Gnanargjan等人在“应用物理扎记”(Vol.70，p.2816(1997))上都描述了一种在衬底上减弱高能粒子轰击和生长涂层的方法。然而，在所有这些方法中，都未曾描述过控制能高粒子的方向和对衬底的入射角，所以不适合于双轴结构。

对不同的应用场合，已描述过对离子辅助淀积使用不平衡磁控管的情况，详情可参见B.Window，J.Vac.Sci.Technol.A7(5)，p.3036，1989及B。Window，G.L.Harding，J.Vac.Sci.Technol.A8(3)，p.1277，1990。

因此，对于双轴结构涂层而言，要求有一种涉及更简单设备的淀积方法与设备，最好能便于操作控制，适合大规模应用。在本发明之前，还没有哪种现成的方法或设备可以对待淀积材料和高能粒子流使用单一的源。

因此，本发明的目的是提供一种便于淀积和控制双轴结构涂层的方法和实施该方法的设备。

发明内容

本发明提供的方法利用一个或多个磁控管溅射装置将双轴结构涂层淀积到衬底上，所述溅射装置作为待淀积粒子和导向高能粒子流(包括双轴结构)二者的源。

本发明还包括使用一种不平衡型磁控管，包括溅射气体和将靶材料溅射到衬底上的靶，通过二极扩散产生离子束，所述离子束主要由溅射气体的离子组成。

本发明还提供一种利用一个或多个磁控管溅射装置将双轴结构涂层淀积到衬底上的方法，所述溅射装置以可控方向产生待淀积材料流和高能粒子流，因而对衬底有可控的入射角。

本发明还包括一个磁控管溅射源，产生的高能粒子束与待淀积材料一起以某个控制的角度射向衬底，在衬底上淀积双轴结构涂层。

通过对在衬底上组成涂层的离子束和将粒子淀积到衬底上形成涂层采用单个源，就消除了对这两种不同的射束在一个真空腔内采用不同的源而造成的不相容问题。

有关的权项还规定了本发明各独立的实施例。下面参照附图描述本发明内容。

附图简述

图1表示本发明一实施例的平面磁控管溅射源。

图2表示本发明一实施例的旋转阴极磁控管溅射源。

图3a和3b表示本发明中平面与旋转磁控管溅射源的磁力线。

图4a-d表示可配用于本发明任一实施例的静电偏转屏。

图5和6表示本发明一实施例的多个平面与旋转阴极溅射源。

图7表示本发明另一实施例的平面磁控管溅射源。

示例性实施例描述

下面将参照特定的实施例与若干附图描述本发明，但是本发明并不限于此，本发明范围令由权项限定。

下面将要详述的本发明淀积双轴结构涂层的方法，可以应用于涂覆静止衬底、旋转衬底、成批衬底和连续涂覆处理。使用的磁控管溅射装置可以是任一种合适的磁控管溅射(如带平面圆形靶或平面矩形靶的磁控管)或可旋转装置。对于本领域的技术人员而言，有关溅射装置的衬底安装和/或衬底移动的种种方面以及构制和操作淀积系统所需的其它部件，诸如真空腔、靶安装与冷却装置，将靶阴极电气连接至电源的装置、防止对溅射装置某些部件不希望产生的溅射和防止电弧的接地屏等等，都是很清楚的，因此不再详述这些部件。这些技术人员还知道，要求在淀积前清洁衬底(如溅射清洁)，暴露于辉光放电，暴露于电子回旋加速器共振等离子体或以另一种方式产生的等离子体，真空加热，等等。

如图1所示的平面溅射磁控管1，靶材料了装在一侧有磁铁件2的真空腔(未示出)内，待溅射涂覆的衬底6装在真空腔的另一侧。真空腔的气氛可以包括氩等溅射气体，而在反应溅射时，还可以包括氧、氮等反应气体。衬底6可以是静止的极材或移动的条材。靶材料3例如可用不能进入真空腔的水回路(未示出)冷却。电源负极(未示出)接至靶3。靶3上方交错电磁场的组合在靶3上方产生等离子体4，该等离子体4通常位于磁铁件2的磁极8、9产生的离磁场区内。如图所示，磁铁件2可以包括中心磁铁阵列9和外侧磁铁阵列8，前者的一个磁极指向靶3(北极或南极)，后者的另一个磁极(南极或北极)指向靶3。如果靶3为圆形，磁铁阵列8与9也可能为圆形。磁极8、9可以装在软磁材料衔铁7(如软铁)上。

图2表示本发明的放置阴极溅射磁控管1。将通常呈拉形的靶3设置在充有溅射气体或上述气体的真空腔(未示出)内，磁铁件2设置在靶3内，还设置了在靶3与磁铁件2间产生相对移动的装置。通常，靶3转动，磁铁件2保持不动。电源(未示出)将靶3保持为负电位。磁铁件2的磁极8、9靠近靶3的内表面，在靶3上方产生磁场，这些磁场与电场交错在靶3表面上方产生“跑道”形式的等离子体4。衬底6对着靶3装在真空腔里，它可以是静止的极材或移动的条材。

为实现上述本发明的目的，磁控管溅射装置1和衬底6可以构成图1或2的形式，来自磁控管溅射装置1的高能粒子流5以特定的角α射向衬底6，从而给出最大程度的双轴结构。角α取决于待淀积材料。例如对于涂覆的立体材料，α将近似于54.74°。高能粒子流5基本上仅由溅射装置1产生，而溅射装置1不仅提供这种粒子流5，还将涂料溅射到待构制的衬底6上。粒子流与可以基本上不含来自靶材的任何离子，基本上由例如来自溅射气体经电离的原子或分子组成。

来自磁控管溅射装置的导向高能粒子流5按本发明方法获得，即利用一种不平衡型磁铁结构2，使靶3发射的二次电子和等离子体4产生的电子沿磁力线移向衬底6，通过二极扩散导致射向衬底6的高能离子流5。在平衡型磁控管中，离开磁铁件一个关极的大部分磁力线汇集在磁铁件相对磁极上。在不平衡型磁控管中，来自一个磁极的某些磁力线并不汇集在另一磁极上。不平衡能以各种方法实现，例如使用不同强度的磁铁，使用不同大小的磁铁，通过将相反极性的磁铁靠近磁铁件磁极之一来减弱部分磁铁件，将一对抗电磁铁置于靠近磁极之一。如图3a或3b所示，以这样一种方式配置根据本发明的磁控管溅射装置1的磁铁件2，或是平面的(图3a)，或是旋转阴极(图3b)，使磁铁2中外侧磁铁阵列8发出的大部分磁力线11跨过衬底表面。利用比内磁铁9强得多的外磁铁8可以实现这一目的。以这种方法使磁控管1不平衡，结果产生的三维容积12由不汇集在内磁铁9上的外磁铁8的磁力线11限定。来自等离子体4的一些电子跟随磁力线11，从而它们“拖着”高能量正离子流，通常为周围气体的离子，这种流可以称为二极流。粒子流5射向容积12内和周围的衬底6，构成的涂层以普通溅射作用溅射到衬底6上。于是，根据本发明，粒子流5具有可限定的方向。

根据本发明的任一实施例，跟随磁力线11射向衬底的电子的能量最好不造成大的电离。特别是，粒子流5中的电子最好既不启动也不支持衬底6表面或靠近该表面的大量等离子体。大量等离子体指可能干扰形成涂层表面结构的粒子粒5中高能离子方向性的等离子体。正是这种方向性及其与淀积涂层晶体结构的相互关系造成了这种涂层的结构。因此，根据本发明产生的离子束5应以某一规定的角度撞击衬底6。希望粒子流5中的电子能量较佳地大于30eV，更佳地大于50eV，而最佳在50eV与70eV之间。如果在衬底表面出现干扰的等离子体，可以改变磁控管1的不平衡来减小其作用，从而减小粒子特别是粒子流5中电子的能量。

如图4a-d所示，利用静电偏转屏13沿磁力线11移动而增加到达衬底6的电子的数量，可增强来自不平衡型磁控管溅射装置1的导向高能粒子流5。偏转屏13最好保持负电位以排斥电子，且最好不要伸入区域口太深，否则会开始俘获粒子流5中的正离子。图4对平面磁结构以截面示出了此类偏转屏结构的一些例子。如在图4a中，可以使用垂直于靶3的端直屏13。如果靶3是个圆靶，屏13可以取柱形。在图4b和3c中，屏13为“V”形截面，分别向里朝衬底倾斜。这类屏13有助于以对衬底6宽的轨道31引导任何电子。另外，如图4d所示，屏可以向外倾斜，使电子流集中靠近靶3。图4a-d所示的偏转屏13也能与可旋转的磁控管装置联用。

在同一真空腔内应用多个不平衡型磁控管溅射装置1，可以克服图1和2所示结构中衬底6中涂后淀积的任何不均匀性。为了避免对抗结构处理，最好引导来自每个此类装置的高能粒子流5，让它以对衬底6成同一角度α到达衬底6。本发明带两个不平衡型磁控管装置1的实施例，示于图5中的为平面磁控管，示于图6中的为旋转阴极磁控管。

在该结构中，在磁控管溅射装置1中，衬底表面的法线和靶3的峡谷条法线位于同一平面内。使用两个以上不平衡型磁控管装置1时，配置将由衬底6上涂层生长材料的晶体结构与期望的双轴结构确定。例如对立方体材料采用四个装置，其中双轴结构的(100)轴垂直于衬底法线，另一根结晶轴(如(100)ak(110))平行于邻近的晶粒，可对上述图5或6结构加两个不平衡型磁控管装置，该平面由靶3表面的法线形成，而衬底6垂直于原先两个装置的相应平面。

对于例如具有立方体结晶结构的材料，众所周知，为使得到的双轴结构在涂层中所有晶粒的结晶(100)平面垂直于衬底表面，而另一结晶方向(如(111))平行于涂后中相邻的晶粒，高能粒子相对于衬底表面法线的最佳入射角要等于2的平方根的反正切，约等于54.74°。

图7示出本发明的另一实施例，其中将一附加磁铁10定位于衬底6的后面，以便影响射向衬底6的高能粒子流5。利用图7的配置，靶3后面外磁铁阵列8发出的磁线力将到达衬底6后面的磁铁10，进一步聚集磁场，由此聚集了等离子体流，并能更好地控制等离子体流的方向。在该配置中，在衬底6后面加一磁铁10将增强衬底6处的磁场，由此加快了电子的旋转速度，原因在于保存了减速中平行于磁力线的能车。这还导致减少了因二极扩散而被向前拖动的高能离子的能量，这些离子的能量也会减少。根据所需的高能粒子总量和获得特定涂层的双轴结构所需的能量，可用衬底6后面的这种附加磁铁10细调本发明的双轴结构。磁铁10可以是一种可控的电磁铁。

以本发明已平衡型磁控管溅射装置发出的高能粒子流作了实验。实验中，使用了类似图1的溅射源。磁铁阵列配置成外侧磁铁8的磁通量远远高于内侧磁铁9的磁通量，这样获得了极不平衡的磁控管，外侧磁铁8发出的磁力线穿过衬底6。如下所述，这种磁场结构向衬底6产生高能粒子流。检验了三种不同的磁铁阵列：一种阵列的外侧与内侧磁通量之比为9/1，另一种为4/1，第三种为2/1。

在靶3和绕磁力线旋转的等离子体4中产生的电子沿这些磁力线射向衬底6。通过二极扩散，离子向拖动，并产生导向的离子与中性粒子(离子经中性化而成)流。根据在电子回旋加速器其振等离子体中用法后第杯作的测量结果，同时根据二极扩散，已知根据磁场梯度和气体总压力，这些离子(和中性粒子)可获得10eV～eV的能量。与利用ECR等离子体作的目视观察那样，也能用不平衡型磁控管观察到发光的等离子体流。这种等离子体的形式明显地与磁力线图案相对应，而对三种不同的磁铁阵列，可观察到三种不同的形状。

运用高度不平衡的磁控管(比率为9/1)，可获得导向高能粒子流，而且电子沿磁场的行进更甚于使气体原子电离。观察了气体总压力对不同组份金属Zr+Y层淀积速度的横向分布的影响。在这些实验中，RF溅射的操作条件是：输入功率为100瓦，靶一衬底距离为50mm，氩气压力为0.2～0.7Pa，衬底不加热或冷却。这些实验都使用了玻璃衬底。在磁通量比率为2/1的结构中，将气体总压力从0.7Pa降至0.2Pa，淀积速度略有下降(～10％)。横向分布不是作为气体压力的函数而改变。然而，在磁通量比率为9/1的结构中，在衬底中心降低压力比在衬底边缘降低压力更容易减小淀积速度(前者达35％，后者达15％)，这表明在中心出现了生长薄膜的再溅射。再溅射最强的区域对应于导向等离子体流到达衬底6的区域。这些实验表明，等离子体流中粒子的能量高得足以(可以＞50eV)再溅射。

根据高能粒子流的方向性，可以观察到高能粒子以受控的角度入射到生长薄膜的状况。这些实验用DC与RF溅射进行，输入功率在50与25瓦之间。靶与衬底的距离在6.5与13.5cm之间不等。使用的一种气体混合物中，Ar约为150sccm，O₂为10sccm，气体总压力约0.4Pa。通过在反应过程中从不同组份的金属性Zr+Y靶(从Zr/Y=85/15至Zr/Y=55/45)的溅射，淀积了氧化钇稳定型氧化锆层。大多数层是以等离子体流与衬底法线成55°度淀积的。根据X射线衍射极图测量结果，在金属性(NiFe，Ti，Fecralloy)和玻璃质两种衬底上都出现了双轴结构。在磁通量比率为9/1时，玻璃衬底上得到的半峰全宽度值如下：4角(平面外定向特征)～11°，φ角(平面内定向特征)～22°。在比率为9/1和金属衬底的情况下，很少观察到双轴结构(半峰全宽度：4～25°，φ～30°)，可能是表面粗糙度比玻璃高造成的。在磁通量比率为4/1时，双轴结构有点退化，但仍清晰可见。

缩小靶与衬底的距离，可增强高能粒子轰击。用RF溅射代替DC溅射也能增强粒子轰击。在靶与衬底的距离短且应用大功率RF溅射时，可实现猛烈烈的粒子轰击，正在淀积的层被完全溅射蚀刻掉，导致负的淀积速度。

这类实验证明，通过使板不平衡的溅射源中经二极扩散而产生的高能粒子流以受控的角度射向衬底，制出了双轴结构。通过调整有关的不同参数，能使过程最优化并获得高度双轴性结构，淀积速度相当高，处理可扩展。

Claims (10)

1．一种应用一个或多个磁控管溅射装置将双轴结构涂层淀积到衬底上的方法，所述溅射装置作为待淀积粒子和形成双轴结构的导向高能粒子流二者的源。

2．一种应用一个或多个磁控管溅射装置将双轴结构涂层淀积到衬底上的方法，所述溅射装置以可控的方向产生待淀积材料流和高能粒子流，从而可控制对衬底的入射角。

3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁控管包括靶，导向高能粒子流基本上不含靶材离子。

4．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁控管包括溅射气体与靶，导向高能粒子流基本由溅射气体离子组成。

5．如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中磁控管包括靶：还包括以下步骤：

使磁控管不平衡，因而靶外部与靶内部产生的磁通量不同，由此高能粒子流产生二极扩散。

6．一种利用溅射作用产生一束高能粒子以及待淀积材料的磁控管溅射源，所述源适于以某种方式控制的角度将所述束射向衬底，从而在衬底上形成双轴结构涂层。

7．如权利要求6所述的磁控管溅射源，还包括至少一个位于所述高能粒子束周围的静电屏。

8．如权利要求6或7所述的磁控管溅射源，还包括靶和磁铁件，所述磁铁件的一个磁铁阵列面向靶内部，产生一个磁极的磁场，另一个磁铁阵列面向靶外部，产生另一个磁极的磁场，所述磁铁件适于使外部磁铁阵列与内部磁铁阵列产生的磁通量不同，从而经二极扩散产生高能粒子束。

9．如权利要求6～8中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于，所述源是一种平面或旋转阴极磁控管。

10．如权利要求6～9中任一权项的磁控管溅射源，还包括一个磁铁装置，它位于衬底离高能粒子束的远侧。

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