專(zhuān)利名稱(chēng)：制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層的濺射方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于濺射涂層工藝的方法和設(shè)備，特別地，使用該方法和設(shè)備能夠制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)描述了如何借助于濺射工藝在基體上制備涂層，其中在一個(gè)真空體系中點(diǎn)燃等離子體，通過(guò)施加一個(gè)合適的勢(shì)差，等離子體中的離子被加速向含有涂層材料的靶子運(yùn)動(dòng)并將涂層材料從靶子中移去，使得所述材料被沉積在待涂層的基體上。必須施加在靶子上的所述勢(shì)差可以通過(guò)施加一個(gè)直流或脈沖電壓而產(chǎn)生。為了進(jìn)行脈沖操作，可以選擇向右延伸進(jìn)入高頻范圍(射頻RF)的頻率。但是，如果可能，靶子或?yàn)R射陰極通?？偸潜３忠粋€(gè)負(fù)電勢(shì)，或者對(duì)于雙極脈沖操作，當(dāng)處于正脈沖范圍內(nèi)時(shí)，靶子或?yàn)R射陰極僅保持一個(gè)非常低的正電勢(shì)，原因是正脈沖從等離子體上除去電荷載體(電子)，因而正電勢(shì)是不利的。但是，在特定的情況下，如果例如在濺射介電材料時(shí)，在靶子上形成一個(gè)絕緣層且該絕緣層破壞涂層設(shè)備的電容性，那么在上述很小的程度上是需要正電勢(shì)的。在這種情況下，為了影響靶子的放電，從而反抗在所述絕緣層上形成的電荷，需要允許電壓曲線振蕩進(jìn)入正電勢(shì)的范圍，或者需要施加一個(gè)低的正電壓。但是，考慮到正電勢(shì)在濺射陰極或靶子上的上述反作用，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，如果可能，保持非常低的正電勢(shì)或者避免施加正電勢(shì)。
為了制備盡可能不存在殘余應(yīng)力的涂層，現(xiàn)有技術(shù)還描述了在涂覆過(guò)程中給基體施加一個(gè)偏壓。所述偏壓同樣是單極或雙極脈沖電壓。給基體施加一個(gè)偏壓會(huì)導(dǎo)致在基體上形成的涂層受到離子的轟擊，或者對(duì)于雙極操作的情況，受到離子和電子的轟擊。利用施加在基體上的偏壓加速的離子或者離子和電子轟擊基體，通過(guò)選擇性地影響膜的微觀結(jié)構(gòu)，減小在涂層沉積過(guò)程中形成的任何殘余應(yīng)力。但是，該方法的缺點(diǎn)是由于受到離子或者離子和電子的轟擊，基體的溫度很高。由于基體需要一個(gè)電壓電源，因此該涂覆工藝更為復(fù)雜。如果針對(duì)偏壓采用脈沖操作，則需要額外的系統(tǒng)，例如信號(hào)發(fā)生器、過(guò)濾器或者當(dāng)脈沖偏壓與陰極電壓同步工作時(shí)需要同步組件。該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是由于例如在該過(guò)程中熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致偏壓發(fā)生變化，因此涉及基體偏壓的濺射過(guò)程更難控制；還有可能例如由于偏壓導(dǎo)致在基體上產(chǎn)生飛弧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種借助于濺射工藝制備基體涂層的方法和設(shè)備，使用該方法和設(shè)備能夠減少或者避免上述缺點(diǎn)。一個(gè)特定的目的是允許產(chǎn)生膜性能并在基體上產(chǎn)生殘余應(yīng)力優(yōu)化膜，為此，只可能在困難的條件下施加一個(gè)偏壓或者根本不施加偏壓，例如位于旋轉(zhuǎn)的基體籃或其他載體中的基體通常就是這樣。就膜的應(yīng)力優(yōu)化而言，該目的是基本上減小或防止膜中存在特別不利的殘余拉伸應(yīng)力，或者將這種應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。而且，本發(fā)明的方法和設(shè)備具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)且易于(即經(jīng)濟(jì)上可行)操作。
本發(fā)明的目的是由具有權(quán)利要求1的特征的方法和具有權(quán)利要求6的特征的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的有益實(shí)施方式構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。
解決上述問(wèn)題的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方案主要是完全不給基體施加與上述缺點(diǎn)有關(guān)聯(lián)的偏壓，而是根據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)中被認(rèn)為是缺點(diǎn)的早期發(fā)現(xiàn)，調(diào)整正的靶面電壓脈沖，使得能夠用該電壓脈沖代替基體偏壓。如果合適地調(diào)整施加在靶子上的正電勢(shì)脈沖，則離子會(huì)向靶子加速運(yùn)動(dòng)——例如，如果將氬氣用作惰性氣體，則產(chǎn)生帶有正電荷的氬離子。該效果與施加基體偏壓取得的效果相同，在后一情況下，同樣地，離子被加速離開(kāi)等離子體進(jìn)入基體——膜的微觀結(jié)構(gòu)受到影響，使得負(fù)的殘余拉伸應(yīng)力減小。本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還能獲得濺射回流效果。如果作用于離子的正的加速電壓升高超出了濺射臨界值，則原先在涂層膜中僅僅松散結(jié)合的原子離開(kāi)該膜；這對(duì)于具有大的長(zhǎng)寬比結(jié)構(gòu)的涂層的側(cè)壁覆蓋度是重要的。
與基體偏壓相反，在靶子上施加脈沖正電壓僅僅導(dǎo)致離子脈沖式地轟擊基體，而不是離子或者離子和電子連續(xù)地轟擊基體。這樣，基體上的熱效應(yīng)達(dá)到最小。而且，對(duì)于很難，甚至不可能施加偏壓的基體，選擇性地影響膜的微觀結(jié)構(gòu)是可能的。用施加在靶子上的正電壓脈沖代替基體偏壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠降低配置和操作涂覆設(shè)備的成本，原因是不需要為了在基體上施加偏壓而提供額外的電壓電源。
在這種情況下，利用靶子上的信號(hào)發(fā)生器，既產(chǎn)生用于濺射陰極(靶子)處的電壓信號(hào)的負(fù)的基本信號(hào)形狀，又產(chǎn)生用于本發(fā)明方法的正的電壓信號(hào)是有利的。這種手段簡(jiǎn)化了濺射涂覆設(shè)備，使其便于操作。
但是，為了盡可能任意地調(diào)整靶子的脈沖正電壓信號(hào)的頻率、信號(hào)形狀、振幅等，優(yōu)選通過(guò)在一個(gè)負(fù)的基本信號(hào)形狀上疊加一個(gè)脈沖正電壓信號(hào)，從而在濺射陰極(靶子)產(chǎn)生電壓信號(hào)。
在使用本發(fā)明方法制備各種膜的過(guò)程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)選擇在30至2000V范圍內(nèi)的正電壓脈沖的振幅是非常有利的，特別是40至1800V，優(yōu)選50至1000V，和/或選擇在1至20μs范圍內(nèi)的正電壓脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間是特別有利的。還發(fā)現(xiàn)選擇在15至450kHz范圍內(nèi)的頻率是有利的。


結(jié)合后面針對(duì)一個(gè)比較實(shí)施例的詳細(xì)描述以及附圖能夠清楚地理解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征。
圖1示出了一個(gè)典型靶子的電勢(shì)圖；圖2示出了用高頻偏壓沉積的膜中殘余應(yīng)力減小和電阻率增大；圖3示出了用本發(fā)明方法沉積的膜中殘余應(yīng)力減小或逆轉(zhuǎn)。
具體實(shí)施例方式
在這個(gè)比較實(shí)施例中，對(duì)沉積過(guò)程中向基體施加一個(gè)射頻偏壓而得到的NiV膜的殘余應(yīng)力的影響與根據(jù)本發(fā)明方法使用不同的正電壓脈沖而沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力發(fā)展作比較。圖1示出了本發(fā)明方法中使用的典型的信號(hào)形狀。除了一個(gè)具有負(fù)電勢(shì)的半波，每個(gè)周期還包括一個(gè)具有正的靶面電勢(shì)的半波。
對(duì)比使用現(xiàn)有技術(shù)方法(圖2)和使用本發(fā)明方法(圖3)分別沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力，可以明顯看出，使用本發(fā)明方法能夠取得與使用基體偏壓相同的效果。
圖2中，將NiV膜的殘余應(yīng)力對(duì)射頻偏壓功率(bias power)作圖，所述NiV膜沉積在一個(gè)被加熱的基體上，所述基體被施加一個(gè)雙極脈沖射頻偏壓。借助于常規(guī)的DC濺射工藝，其中濺射功率為9kW且氬氣流速約為48sccm，膜厚度約為3500的NiV膜以每千瓦功率約15.6/s的濺射速率沉積。如圖2所示，隨著射頻偏壓功率的增大，NiV膜的殘余應(yīng)力減小，直至甚至出現(xiàn)殘余應(yīng)力從拉伸應(yīng)力到微小的壓縮應(yīng)力的逆轉(zhuǎn)。
使用本發(fā)明方法制備的NiV膜同樣產(chǎn)生積極效果，其中在制備過(guò)程中不使用偏壓，而是如本發(fā)明所提供的，向靶子提供雙極脈沖(參見(jiàn)圖1)。其他參數(shù)保持不變。如圖3所示，隨著正電壓脈沖的正電勢(shì)的增大，NiV膜的殘余拉伸應(yīng)力減小，或者甚至逆轉(zhuǎn)變成壓縮應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不使用正脈沖部分的情況下，沉積得到的NiV膜的殘余應(yīng)力沒(méi)有顯著的變化，即使在-900V至約-1600V的范圍內(nèi)改變負(fù)脈沖電壓也沒(méi)有顯著變化。
權(quán)利要求
1.一種制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層的方法，特別是用于制備具有低拉伸應(yīng)力的涂層，該方法借助于在靶子(陰極)上形成雙極脈沖電壓特性的濺射工藝，其特征在于，調(diào)整施加在靶子上的正電壓脈沖，從而代替施加在基體上的偏壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)在一個(gè)負(fù)的基本信號(hào)形狀上疊加一個(gè)正的脈沖電源信號(hào)產(chǎn)生正電壓脈沖，正電壓脈沖的頻率、信號(hào)形狀和振幅等是可調(diào)節(jié)的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，正電壓脈沖的振幅為30至2000V，特別是40至1800V，優(yōu)選50至1000V。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，正電壓脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間為1至20μs。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所施加的正電壓脈沖的頻率為15至450kHz。
6.一種用于制備涂層的濺射涂覆設(shè)備，特別是用于制備殘余應(yīng)力優(yōu)化涂層，優(yōu)選按照如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法制備，其特征在于使用一種電壓電源設(shè)備，利用該設(shè)備調(diào)節(jié)靶子上的脈沖正電壓信號(hào)，所述信號(hào)具有足以代替基體上的偏壓的強(qiáng)度。
7.如權(quán)利要求6所述的濺射涂覆設(shè)備，其特征在于，設(shè)置一個(gè)能夠產(chǎn)生負(fù)的基本信號(hào)形狀和正電壓信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，從而在靶面上產(chǎn)生電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助于濺射工藝制備特別的固有電壓優(yōu)化涂層，特別是制備低拉伸應(yīng)力涂層的方法或設(shè)備，其中在靶子(陰極)上形成雙極電壓形狀。在靶面上調(diào)節(jié)正電壓脈沖，從而代替基體上的偏壓。
文檔編號(hào)H01J37/34GK1656244SQ03811588
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者瓦爾特·哈格 申請(qǐng)人:優(yōu)利訊斯巴爾扎斯股份公司