專利名稱：引導(dǎo)等離子體流的內(nèi)部通道涂覆裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及沉積系統(tǒng)，具體來說，涉及一種工件內(nèi)部通道涂覆裝置。
背景技術(shù)：
在設(shè)計和制造用于特定工業(yè)內(nèi)的系統(tǒng)部件的過程中，主要考慮的是包括表面光潔度、硬度、制造技術(shù)的成本和環(huán)境影響。作為一例子，半導(dǎo)體制造業(yè)常使用超高純凈的氣體輸送系統(tǒng)，其中，在選擇制造系統(tǒng)部件的技術(shù)時就要考慮這些問題。這些系統(tǒng)部件包括質(zhì)量流量控制器、閥、壓力調(diào)節(jié)器、凈化器、過濾器和管道。在半導(dǎo)體工業(yè)中，實現(xiàn)和保持無污染的環(huán)境的關(guān)鍵在于氣體輸送系統(tǒng)中的耐腐蝕性。光潔度對于控制渦流和最大程度減小濕氣導(dǎo)致的狀況起一重要作用。正如半導(dǎo)體設(shè)備和材料國際協(xié)會(SEMI)之類組織的規(guī)定，氣體輸送系統(tǒng)的部件的制造材料在清潔度、光潔度和硬度方面有著詳細(xì)及嚴(yán)格的規(guī)定。視這些問題為重要因素的其它工業(yè)還包括醫(yī)學(xué)和航天領(lǐng)域的工業(yè)。
許多氣體輸送部件必須滿足的維氏硬度為300，其為一用來確保部件在彼此相碰時不會產(chǎn)生刮痕的標(biāo)準(zhǔn)。刮痕會是一個問題，因為其導(dǎo)致.微粒產(chǎn)生。因滿足其它要求而選用的材料可能不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，所以，其必需經(jīng)受精細(xì)的后制造技術(shù)來提高硬度。例如，316L不銹鋼是由鐵、鉻、鎳和其它微量材料制成的奧氏體合金，在部件未精加工之前，316L不銹鋼并不能滿足維氏硬度達(dá)300的要求。遺憾的是，精加工要花費(fèi)大量時間并大大地影響批量生產(chǎn)的部件的產(chǎn)量。
解決這些問題的一種方法為相對某些特性選擇一種母材，然后，在部件成形之后對母材進(jìn)行涂覆。通常，涂覆材料可以是金屬或者是含有金屬的化合物(諸如陶瓷)。涂覆技術(shù)包括化學(xué)汽相沉積(CVD)、物理汽相沉積(PVD)、等離子體噴涂、電鍍、以及溶膠凝膠。對于CVD，可將一種包括涂覆材料的氣體引入一真空室內(nèi)，這樣，當(dāng)氣體在室內(nèi)分解時，涂覆材料就沉積在部件(即，工件)上。相比之下，PVD是一種在氣態(tài)下的薄膜沉積過程，其中，涂覆材料在真空中物理地轉(zhuǎn)移而沒有任何化學(xué)反應(yīng)。即，涂覆材料的化學(xué)成分沒有改變。PVD可通過在真空中以加熱、離子束、陰極電弧或電子束汽化一涂覆材料靶體來進(jìn)行。陰極電弧工藝可使用一磁場將一具有高電流密度的電弧限制在靶體的范圍內(nèi)。通過使用磁場來控制電弧，則在需要更換之前可使用較大部分的靶體。
與典型的CVD過程相比，在沉積諸如鈦、氮化鈦、鉻和氮化鉻之類的金屬或含金屬的薄膜時，PVD過程提供了改進(jìn)的安全和環(huán)境條件。PVD通常在1毫托至10毫托范圍內(nèi)操作。這可使用磁場將等離子體電子限制在陰極附近來實現(xiàn)，即所謂的“濺射磁控管”，以在低壓下增進(jìn)等離子體。非磁控管形式的濺射可在較高壓力下操作，例如，二極管濺射可在高達(dá)1托下操作。相比之下，CVD壓力可以在50毫托至大氣壓的范圍內(nèi)，而低壓CVD(LPCVD)則通常在100毫托和1托之間。然而，其它的過程前提可能會規(guī)定使用LPCVD。例如為了減少氣體平均自由程和氣流的定向，選擇LPCVD方法勝過PVD過程。這在待涂覆的工件具有復(fù)雜幾何形狀時是很重要的。
當(dāng)一工件包括內(nèi)部通道時，諸如閥、壓力調(diào)節(jié)器和管道中的內(nèi)部通道，涂覆該工件就特別成問題。隨著工件的幾何形狀的復(fù)雜性增加，基于使環(huán)境和人類安全性最大化來選擇一涂覆過程的能力就會降低。授予Wesemeyer等人的美國專利No.5,026,466敘述了一種解決方案，其可用于有限數(shù)量的內(nèi)部通道涂覆的應(yīng)用。在Wesemeyer等人的美國專利中，陰極(即，由涂覆材料形成的靶)可定位在工件內(nèi)腔內(nèi)。例如，當(dāng)工件是一管道時，該陰極定位在通過管道的內(nèi)部通道內(nèi)。在操作時，自陰極表面的材料汽化并沉積在工件的內(nèi)表面上。或者，工件也可連接成陽極。即，一負(fù)電壓可施加到工件上，以便提供條件以使自位于工件內(nèi)的陰極的材料汽化。
盡管Wesemeyer等人的專利和授予Gorokhovsky的專利(美國專利.5,435,900和6,663,755)敘述了可在多種應(yīng)用中運(yùn)作良好的涂覆裝置，但當(dāng)工件的幾何形狀復(fù)雜時，諸如涂覆均勻性之類的性能因素可能會大大地受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
一種具有至少一內(nèi)部通道的工件的表面涂覆裝置，其包括一產(chǎn)生一包括涂覆材料的等離子體的等離子體源，一將工件固定在一相對于等離子體源成一定距間隔關(guān)系的特定方位的支承件，以及一引導(dǎo)一受控等離子體流以通過所述固定的工件的每一內(nèi)部通道的等離子體流系統(tǒng)。該裝置可包括一由不同副系統(tǒng)組成的特定組合，諸如等離子體生成系統(tǒng)、工件支承系統(tǒng)、等離子體流系統(tǒng)、配置成增進(jìn)工件內(nèi)或工件周圍的電離作用的電離激勵系統(tǒng)，對工件施加一選定電壓圖形的偏壓系統(tǒng)，以及一使等離子體生成可在一第一選定壓力下進(jìn)行并使沉積作用可在一第二選定壓力下發(fā)生的雙室式系統(tǒng)。
對于內(nèi)部通道的均勻涂覆，重要的是避免出現(xiàn)分子流區(qū)域。即，通道內(nèi)徑的尺寸應(yīng)大于離子(或原子)平均自由程的長度。在內(nèi)徑比平均自由程大一百倍的地方，則要求連續(xù)流。
工件支承系統(tǒng)配置成提供通過工件內(nèi)部通道的等離子體流。一壓力梯度建立在工件內(nèi)。工件固定成使工件的各開口成為等離子體的抽空端或入射端。對諸如一節(jié)流閥之類的流量控制構(gòu)件可進(jìn)行調(diào)節(jié)，以平衡通過工件的流量和壓力梯度。電壓偏壓系統(tǒng)可施加一具有特定工作循環(huán)的負(fù)脈沖偏壓，選擇該工作循環(huán)以使可在將電離的涂覆材料吸引到工件表面的期間補(bǔ)充離子。偏壓的幅值可調(diào)節(jié)以控制離子相對于工件表面的到達(dá)角，使到可涂覆具有高長寬比特征的幾何形狀。
對于包括雙室式系統(tǒng)的實施例，該裝置可以是使用物理汽相沉積(PVD)的裝置，其具有一保持在相對地低的壓力下的源室以及一保持在較高壓力下的沉積室。與CVD相比，由于安全和環(huán)境考慮，對金屬源使用PVD較為理想。通過選擇二極管濺射，可在不使用雙室式系統(tǒng)下采用PVD技術(shù)。
高壓沉積室的尺寸可以比低壓源室的小。兩室可通過一頸狀收縮(或收縮)區(qū)耦合，該收縮區(qū)被加偏壓以排斥離子并防止形成薄膜。該收縮區(qū)有助于防止自高壓沉積室到源室的回流?？梢胍恢T如氬的氣體來提供增加的壓力。另一可能性是，可提供一對低壓源室，這樣，兩個源室可以配合來饋送該高壓沉積室。
任何的等離子體都會含有不同比例的離子與非電離氣體原子或分子。電離化的范圍從0.1％至100％。一般來說，較高的電離導(dǎo)致更佳的保形涂層。從源室到沉積室的壓力增加可導(dǎo)致電離損失。一種解決方法是提供一電離激勵系統(tǒng)以在工件內(nèi)或工件附近增加電離。作為這種系統(tǒng)的一可能的實施例，可使用一微波源以在工件周圍提供高的電離。或者，可使用諸如電子回旋加速器諧振源(ECR)、分布式ECR之類的等離子體源和射頻(RF)源來增加電離。
達(dá)到一目標(biāo)級的電離的較佳方法(其中，需要增加電離)是使用工件的通道作為一空心陰極以在內(nèi)部通道本身內(nèi)產(chǎn)生一等離子體。任何時候，在工件外面產(chǎn)生等離子體的時候，由于離子和原子從入口朝向出口流動，電離會有若干的下降。從而有可能造成沿內(nèi)部通道長度上的涂覆膜的不均勻性，當(dāng)通道長度增加時以及當(dāng)通道直徑減小時，出口處的涂層厚度趨近零。通過在通道的整個長度上產(chǎn)生等離子體(通過空心陰極方法)，就可實現(xiàn)一均勻的涂層，即使在非常長通道的情況下也如是。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，所述涂覆裝置允許制造商提供一具有金屬外部的優(yōu)點的最終產(chǎn)物，諸如耐腐蝕性和高真空完整性，同時允許使用諸如塑料那樣的較便宜的母材，金屬涂層則可作用為母材的一種功能性、保護(hù)性屏障。本發(fā)明另外的優(yōu)點在于，可實現(xiàn)提高的涂層均勻性。


圖1所示為一根據(jù)本發(fā)明的一實施例的涂覆裝置的功能圖。
圖2所示為一固定在沉積室的簡化視圖內(nèi)的工件的側(cè)視圖，其中，等離子體流通過工件的不同的內(nèi)表面。
圖3所示為圖2的工件在一等離子體內(nèi)的視圖。
圖4所示為一根據(jù)本發(fā)明的收縮區(qū)的側(cè)視圖。
圖5所示為本發(fā)明的一具有兩個可將等離子體同時供應(yīng)到一單一沉積室的源室的實施例的側(cè)視圖。
圖6所示為一根據(jù)本發(fā)明的使用二極管濺射的第三實施例的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參照圖1，所示的一涂覆裝置10的一實施例，其包括一等離子體生成系統(tǒng)、一工件支承系統(tǒng)、一等離子體流系統(tǒng)、一電離激勵系統(tǒng)，以及一雙室式系統(tǒng)。此外，其包括一工件偏壓系統(tǒng)，正如將會參照圖2所述的那樣。然而，根據(jù)本發(fā)明的一涂覆裝置的其它實施例可以只具有一個子集的不同系統(tǒng)。例如，圖6的實施例就不包括該雙室式系統(tǒng)，因為其利用有利的二極管濺射方式。不同實施例的一共同特征在于，電離等離子體流過一待涂覆的工件的至少一個內(nèi)部通道。
涂覆裝置10包括一等離子體源12。盡管可使用其它的技術(shù)(例如，CVD)，但由于上述的理由，PVD是較佳的技術(shù)。陰極電弧技術(shù)提供了一高電離的源等離子體(其可接近100％電離)，同時引入少量較低電離的本底氣體(活性或惰性)。或者，如同在許多不同的已知濺射方法中那樣，本底氣體可以電離并可包括中性的源原子。對不同操作參數(shù)的設(shè)定的選擇將根據(jù)所選技術(shù)而變化，但共同的特征還是“流過”的特征。
等離子體源12與相對低壓的源室14相關(guān)連。該室內(nèi)的壓力可使用一高壓真空泵16和一渦輪泵18來維持。作為例子，該室14內(nèi)的壓力可以在1毫托至10毫托的范圍之內(nèi)，其中，該等離子體源是較佳的PVD源。與其相比，一CVD源會要求一高得多的壓力，諸如50毫托。
除了低壓源室14，還有一高壓沉積室20。兩個室之間的壓差通過一第二真空泵26和一鼓風(fēng)機(jī)30的組合來保持，而壓力控制閥22和24則允許調(diào)節(jié)壓力。沉積室20的可接受的壓力范圍從50毫托至1托。在要求的壓力靠近該范圍的極限1托的情況下，圖6的單室、二極管濺射的實施例特別地適用。
裝在沉積室20內(nèi)的是工件支承系統(tǒng)，其包括一支承構(gòu)件34。在此實施例中，支承系統(tǒng)還包括一具有四個垂直突出部38的緊固構(gòu)件36，其將工件固定于支承構(gòu)件34上?；蛘?，緊固構(gòu)件36及其垂直的突出部可以視為圖1中的工件。不管考慮是工件支承系統(tǒng)的一部分還是工件本身，該構(gòu)件總包括通道以允許流體在沉積室20和泵26之間的流動。
現(xiàn)參照圖1、2和3，本發(fā)明的重要之處在于，一工件40被支承，以便可引導(dǎo)氣體流通過該工件。因此，如圖2和3中箭頭所示，工件的至少一個內(nèi)部通道定位成使一開口與該通向真空泵26的氣體流對齊，而其它開口則暴露于等離子體環(huán)境(圖1和3中的42)。如圖所示，外表面將與內(nèi)表面會同時被涂覆。由于真空泵26保持的低壓和沉積室20內(nèi)的通過一自氣體源62的本底氣體來保持的較高壓力，結(jié)果形成了一壓力梯度。該壓力梯度引導(dǎo)等離子體流通過工件的內(nèi)部通道以使內(nèi)表面可被涂覆?？墒褂脡毫刂崎y22和24以及使用真空泵16、18和26的有效調(diào)節(jié)和/或調(diào)節(jié)該本底氣體的流速可平衡和調(diào)節(jié)該梯度。
圖2和圖3示出了三個壓力區(qū)域(P1、P2和P3)，其中P3＞P2＞P1。P1是由泵16產(chǎn)生的非常低壓的區(qū)域，該泵16可以是一產(chǎn)生大約10毫托的基礎(chǔ)壓力的機(jī)械泵(雖然可使用一高真空泵就有可能產(chǎn)生一更低的基礎(chǔ)壓力)。P1和P3之間的壓差驅(qū)使氣體流通過內(nèi)部通道44朝向真空泵26(如箭頭49所示)，而P2和P3之間的壓差則驅(qū)使氣體流通過內(nèi)部通道46和48朝向真空泵26(如箭頭50所示)。該壓力梯度控制朝向工件40的開口和通過內(nèi)部通道的氣體流的速度。內(nèi)部通道的直徑也影響壓力梯度，但這是一由工件的設(shè)計而選定的常數(shù)。為了補(bǔ)償不同工件的尺寸差異，可調(diào)節(jié)節(jié)流閥24的位置以設(shè)定P1和/或氣體流速，而調(diào)節(jié)節(jié)流閥22的位置則可設(shè)定P3。作為對圖1-3工件支承系統(tǒng)的一種替代，圖2和3的支承構(gòu)件34可放置在工件的頂端上，這樣，所有氣體流將在壓力P3下進(jìn)入主開口內(nèi)，并于泵壓力P1下流出其它三個開口。
在圖2中，包括一工件(零件)偏壓系統(tǒng)52。該偏壓系統(tǒng)施加一電壓，其極性與等離子體內(nèi)的離子極性相反。該偏壓可以是連續(xù)的，但最好施加成一脈沖，其工作循環(huán)可以調(diào)節(jié)以使離子可在等離子體42內(nèi)補(bǔ)充，尤其是在通道44、46和48中的等離子體內(nèi)補(bǔ)充。偏壓值的上限至少部分地根據(jù)等離子體內(nèi)的電離水平。對于涂敷材料在表面以下進(jìn)行涂覆的應(yīng)用，應(yīng)施加諸如-25kV至-100kV的高電壓。在表面以下進(jìn)行涂覆的情況的實例是鋼的滲氮或氮化。相比之下，對于要沉積頂膜的應(yīng)用和工件內(nèi)部通道具有高長寬比的應(yīng)用，應(yīng)采用較低的電壓。較低的電壓值降低了工件40內(nèi)失去等離子體的可能性，歸因于等離子體護(hù)套的尺寸的增加是。等離子體的失去對涂層的均勻性帶來不利影響。就高長寬比的應(yīng)用來說，較低的電壓將導(dǎo)致引入的離子的到達(dá)角會較小，提高了涂覆的性能。在小的內(nèi)徑的涂覆的應(yīng)用中，可接受的電壓可以在-50V至-2kV的范圍內(nèi)。因此，在通過施加相對較高的偏壓來增加沉積速率和達(dá)到最佳質(zhì)量和最均勻涂層兩者之間需作出權(quán)衡。
自偏壓系統(tǒng)52的電壓圖形的幅值和其工作循環(huán)對再濺射具有影響，尤其是在涂覆具有高長寬比的小直徑管子時。一般來說，對于這樣的應(yīng)用應(yīng)采用1％至75％之間的工作循環(huán)。在此一般范圍內(nèi)，最佳工作循環(huán)將根據(jù)偏壓的大小和在對所述室的壓力輸送而變化。
在圖2中，示出一陽極54和一陰極56。陰極電弧的操作和條件、濺射磁控管以及其它的等離子體生成器在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是公知的，這里將不再說明。
在圖1的雙室式系統(tǒng)中，從等離子體源12到沉積室20有一磁性操縱區(qū)域55。該磁性操縱區(qū)域可以看作是等離子體流控制系統(tǒng)的一部分。固定的磁性構(gòu)件57可以小心地定位，或可使用一電磁的裝置。磁性操縱區(qū)域的諸多益處之一在于，等離子體源12處產(chǎn)生的顆粒從到達(dá)沉積室20的等離子體流中過濾出來。圖4也顯示了一磁性操縱區(qū)域，但有一不同的定向。相同的標(biāo)號將用于圖1和4中的等效部件。盡管磁性操縱區(qū)域?qū)⒄請D1的雙室式實施例進(jìn)行描述，但可相比的區(qū)域可用于圖6的單室式實施例或圖5的雙等離子體源的實施例。
限定總的壓力梯度其中一個因素在于一“頸狀收縮”(或收縮)端口58的幾何形狀。較佳地，該端口使用一路徑偏壓系統(tǒng)60實現(xiàn)偏壓，該系統(tǒng)提供一電壓，電壓的極性與參照圖2所述的工件偏壓系統(tǒng)52的極性相反。端口的偏壓可用來排斥離子和防止膜在不需要的部位處形成。從源室到沉積室的收縮減小了室與室之間的傳導(dǎo)，其與注入室20內(nèi)的氣體流和兩個室的泵送速度之間的可調(diào)節(jié)的泵速差相結(jié)合下可使沉積室20內(nèi)有一較高的壓力。
如上所述，一氣體源62可連接到沉積室，以提供一可調(diào)節(jié)的本底氣體流量。在圖1中，所示的一第二氣體源64連接到源室14，但其目的不是平衡兩個室之間的壓力。引入的氣體可以是一諸如氬的惰性氣體，或是一用于反應(yīng)性濺射中的反應(yīng)氣體。然而，必須注意不要將源氣體稀釋到使沉積速率下降到一不理想水平的程度。
與兩個室14和20的壓力增加有關(guān)的問題是，等離子體將開始失去電離。即，當(dāng)壓力增加時，電離減小。對于等離子體沉浸離子注入沉積法(PIIID)，需要一高的電離。因此，在圖1的涂覆裝置10內(nèi)可包括一離子激勵系統(tǒng)66。在一實施例中，離子激勵系統(tǒng)是圍繞構(gòu)件或在構(gòu)件內(nèi)增加電離的微波源?；蛘撸墒褂闷渌牡入x子體源，諸如RF激勵，或ECR或DECR源。在構(gòu)件內(nèi)發(fā)生增加的電離的情形中，該實施例可考慮為一“空心陰極”。由于較短的平均自由程，沉積室20內(nèi)的較高的壓力狀態(tài)將造成氣體流更加缺乏方向性。其結(jié)果，碰撞將增加。在希望涂覆一復(fù)雜形狀工件的內(nèi)表面的情形中，使用上述的壓力梯度，可提供導(dǎo)向氣體流通過工件內(nèi)部通道的能力。其本身造成一根據(jù)工件大小的壓差。
當(dāng)考慮通過工件40所需要的流量和壓力時，如果內(nèi)部近似為帶有層流的長圓管的內(nèi)部，則可采用Poisuille方程QP1-P2=πd4Pηl]]>其中，Q是通過量或壓力乘以體積流量，d是通道直徑，P是平均壓力((P1+P2)/2)，I是通道長度，η是粘度，P1是工件開口處通向沉積室的壓力，P2是通向泵的工件開口處的壓力。當(dāng)壓力梯度通過打開通向泵26的節(jié)流閥(降低P2)而增加時，Q將增加，而工件內(nèi)部通道內(nèi)的壓力將下降。如果壓力梯度進(jìn)一步增加，則Q將繼續(xù)增加直到它達(dá)到一最大值，此時，氣體以聲速流動。當(dāng)Q達(dá)到其最大值時，該方程不再適用，該條件稱之為“阻塞”或“臨界”流。在該方程中，d提高到四次冪并將對Q和壓力梯度具有非常顯著的影響。這就是對沉積室提供一可調(diào)整的替代的泵送路徑的原因，可有效地提供一替代的較大的d值。
在工件內(nèi)，如果要達(dá)到均勻的涂層，希望能保持層流，避免分子流。為了避免典型的低壓陰極電弧或濺射的方向性，應(yīng)使用較高的壓力沉積(50毫托至1托)。對于層流，可采用努森值(Knudson number)Kn＜0.01，雷諾數(shù)(Reynolds number)Rn＜1200，其中，Kn＝λ/d，其中，λ＝離子或原子的平均自由程，Rn＝4m/(kTπη)×(Q/d)，其中，Q是“通過量”Pa-L/s，k＝波耳茲曼(boltzmans)常數(shù)，而η是粘度。努森數(shù)顯示從分子流態(tài)(Kn＜1)到粘滯或湍流狀態(tài)的過渡。對于1cm直徑的管子，在λ＜1cm時，流動將移出分子流進(jìn)入過渡區(qū)域流。對于N2，這對應(yīng)于0.8Pa(6毫托)的壓力，而在λ＝0.01cm時，流動將是全粘滯的(如果Rn＜1200)，對于N2，這對應(yīng)于65Pa(488毫托)的壓力。
盡管所示的工件支承系統(tǒng)靜止地處于沉積室20內(nèi)，但可以提供水平或垂直或既可水平也可垂直地移動的工件支承構(gòu)件34，由此，促進(jìn)涂層的均勻性。作為另一可能性，支承構(gòu)件圍繞一垂直軸線轉(zhuǎn)動，這可有利于涂覆某些具有復(fù)雜幾何形的工件。
一第二實施例示于圖5中。在此實施例中，有兩個源室96和98，它們供應(yīng)一單一的沉積室100。兩個源室是相同的。各個源室包括一陽極102、一陰極104、一泵送結(jié)構(gòu)106以及一“頸狀收縮”區(qū)域108。
從兩個源室96和98到沉積室100的通道受到節(jié)流閥110和112控制。盡管未予示出，但頸狀收縮區(qū)域108較佳地被偏壓以防止涂覆材料的積聚。壓力控制系統(tǒng)的另一元件是沉積室的節(jié)流控制的泵送結(jié)構(gòu)114。
在圖5中，沉積室100連接到一離子激勵系統(tǒng)116和一氣體源118。如上所述，離子激勵系統(tǒng)可以是一微波源或等離子體源，諸如利用ECR、分布的ECR或RF技術(shù)的離子激勵系統(tǒng)。氣體源118可提供一諸如氬的惰性氣體，或可以是一反應(yīng)氣體。
在沉積室100內(nèi)是一工件120，它由工件支承系統(tǒng)122固定就位。工件支承系統(tǒng)能轉(zhuǎn)動工件(如弧線124所示)，并能使工件作上下運(yùn)動(如線126所示)。較佳地，工件也可沿水平方向移動。
在操作中，節(jié)流閥110和112調(diào)節(jié)等離子體從兩個源室96和98進(jìn)入單一沉積室100內(nèi)的流動。氣體源118可起通向室的第三氣體入口的作用。從所述室排出的氣體由節(jié)流控制的泵送結(jié)構(gòu)114確定。工件120是這樣進(jìn)行固定的通過內(nèi)部通道或工件的通道建立一壓力梯度。工件支承系統(tǒng)122能垂直地和水平地移動工件，并能轉(zhuǎn)動工件。可供選擇地是，該實施例還包括一磁性操縱系統(tǒng)，其中，涂覆過程由連續(xù)變化的磁場進(jìn)行光柵掃描，該磁場位于工件內(nèi)和圍繞工件的等離子體內(nèi)。改變磁場將涂覆過程集中在局部區(qū)域可用于不包括涂覆工件內(nèi)部通道的實施例中。例如，可操縱包圍半導(dǎo)體基底的等離子體內(nèi)的磁場，以便確保沿半導(dǎo)體基底表面在溝槽處合適的臺階形覆蓋。當(dāng)與線性地和/或轉(zhuǎn)動地重新定位沉積室內(nèi)的工件能力組合時，磁場操縱特別地有效。
本發(fā)明的一第三實施例示于圖6中。該實施例使用一能在諸如二極管濺射那樣的較高壓力下操作的PVD方法。其結(jié)果，僅需要一個單一的室，由此，與上述實施例相比，提供了一種簡化。如前那樣，一惰性或反應(yīng)性的本底氣體可通過一氣體集管入口130引入。本底氣體的引入旨在使沉積室132達(dá)到連續(xù)流所要求的壓力，并有效地使用流通技術(shù)。工件支承構(gòu)件34和節(jié)流閥22和24在功能上與圖1實施例的相同，因此，使用了相同的標(biāo)號。工件支承構(gòu)件由絕緣材料形成并構(gòu)造成確保氣體流動可通過構(gòu)件。節(jié)流閥22和24的調(diào)節(jié)以及本底氣體流量的調(diào)節(jié)確定了通過工件的壓力梯度。
一負(fù)偏壓134施加到陰極136，而陽極138放置在接地電勢處。負(fù)偏壓可以是一固定電勢或可以是一脈沖信號。由于在二極管濺射中使用較高的壓力，所以通常需要較高的偏壓電壓，諸如大于3kV的電壓。這是因為加速通過等離子體護(hù)套的離子的平均自由程可能變得小于護(hù)套的厚度，這導(dǎo)致碰撞和能量損失。增加的電壓補(bǔ)償該能量損失。然而，陰極的水冷卻是必要的。陰極可由一基本單元金屬組成，諸如鈦或鉻，或可以是金屬合金組成。
正如濺射技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所公知的，對于濺射來說，跨越陽極138和陰極136的電壓將使本底氣體電離，而離子將加速進(jìn)入陰極內(nèi)。其結(jié)果，金屬原子將通過動量傳遞而遷移到氣體流。壓力梯度將抽取氣體流通過工件。
氣體流包含諸如鉻那樣的涂覆材料。由于金屬離子的反應(yīng)性特性，涂覆材料趨于粘結(jié)到最靠近陰極的工件的部分上，而較少涂層沉積在最靠近泵的工件部分上。圖6的實施例使用分離的脈沖電源140對工件施加負(fù)偏壓，從而克服了該朝向不均勻沉積的趨勢。如果本底氣體是Ar+，則除了改進(jìn)膜特性之外，該Ar+將加速橫過等離子體護(hù)套并將造成涂覆材料重新濺射回到氣體流。由于壓力梯度，氣體流的速度朝向工件的泵端。該速度將攜帶涂層材料的原子朝向泵端。該過程沿管子長度重復(fù)，如果Ar+在工件內(nèi)部通道的整個長度上保持電離，則會導(dǎo)致均勻地沉積。沉積/再濺射之比可通過調(diào)整工作循環(huán)和由電源140施加到零件上的負(fù)偏壓大小來進(jìn)行控制。工作循環(huán)和大小的調(diào)整也可改變沉積速率。
本發(fā)明的另一方面是使用空心陰極來保持工件內(nèi)的電離。該技術(shù)需要一電子的平均自由程小于工件內(nèi)部通道的直徑。在此狀態(tài)下，一旦由電源140施加負(fù)偏壓，則電子將在通道壁之間振蕩。該振蕩將導(dǎo)致多次離子碰撞并在內(nèi)部通道內(nèi)形成等離子體。當(dāng)涂覆一帶有變化內(nèi)徑的多個內(nèi)部通道的工件時，過程壓力可調(diào)節(jié)成使電子平均自由程剛好略小于最小直徑的通道，這樣，所有通道將具有內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體，而所有大的通道將會保持等離子體。如果根據(jù)對于內(nèi)部空心陰極等離子體的要求，設(shè)定λ/d＝1，其中，λ是電子的平均自由程，而d是最小的內(nèi)管直徑，則隨著直徑變小，壓力將增加(以減小λ)。因此，在被涂覆的工件或成組的工件的該最小內(nèi)部間距內(nèi)，操作壓力將被調(diào)諧到產(chǎn)生等離子體。該調(diào)諧可通過調(diào)整節(jié)流閥22和24和/或調(diào)整通過入口130的氣體流量來實現(xiàn)。
在使用內(nèi)部空心陰極和使用流過的技術(shù)所需要的操作壓力下，陰極和被涂覆的工件142(和陽極138)之間的間距很大。被濺射原子的降低的平均自由程將增加原子的反濺射到陰極，并增加到沉積室132的壁的損失。這要求更靠近陰極的間距，這樣，流過的壓力梯度將在原子損失之前曳拉濺射原子進(jìn)入到工件內(nèi)。在實踐中，一方面要求靠近的間距，另一方面由于距離的靠近將發(fā)生電弧或不均勻濺射的問題，在這兩個方面之間需要作出平衡。圖4的實施例包括一垂直可調(diào)整的平臺144，如箭頭145所示，該平臺144能調(diào)整間距。
權(quán)利要求
1.一種用來涂覆具有至少一個內(nèi)部通道的工件的表面的裝置，該裝置包括一產(chǎn)生等離子體的等離子體源，它包括涂覆材料；一支承，構(gòu)造成將所述工件固定在一特定定向并相對于所述等離子體源保持間隔開關(guān)系；以及一等離子體流系統(tǒng)，它能引導(dǎo)控制的所述等離子體流進(jìn)入各所述內(nèi)部通道，并在所述工件固定到所述支承上時，從所述工件中抽出所述等離子體。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支承將所述工件定位在一沉積室內(nèi)，其中，所述等離子體流系統(tǒng)形成一壓力狀態(tài)，其中，所述工件的至少一個內(nèi)部通道開口暴露于所述沉積室，且所述工件的至少另一個內(nèi)部通道暴露于所述等離子體流系統(tǒng)的一泵送系統(tǒng)，以使流動從所述沉積室被引導(dǎo)通過各個所述內(nèi)部通道。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，通過從所述沉積室到所述泵送系統(tǒng)改變所述支承內(nèi)的一可調(diào)整的開口，可控制通過各所述內(nèi)部通道的流量。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一使用空心陰極技術(shù)在各所述內(nèi)部通道內(nèi)產(chǎn)生等離子體的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一低壓源室和一高壓沉積室，所述等離子體源位于所述低壓源室內(nèi)，所述支承定位成使所述工件位于所述高壓沉積室內(nèi)，所述低壓沉積室連接到一真空源，它保持一比所述高壓沉積室內(nèi)要低的壓力。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述低壓源室和所述高壓沉積室組合而形成一陰極電弧系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述陰極電弧系統(tǒng)提供物理汽相沉積(PVD)，所述等離子體流系統(tǒng)包括一磁性操縱區(qū)域，其中，建立一磁場來引導(dǎo)電離的等離子體從所述等離子體源到所述工件。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述等離子體流系統(tǒng)還包括一真空控制結(jié)構(gòu)，它具有所述低壓源室的一第一真空和所述高壓源室的一第二真空，所述第二真空通過所述工件，以使(a)所述磁性操縱區(qū)域形成一第一流動狀態(tài)；以及(b)所述第二真空形成一第二流動狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，從所述高壓源室到所述低壓沉積區(qū)域的接口或連接區(qū)域具有一減小的橫截面尺寸。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述連接區(qū)域被偏壓而排斥所述等離子體的離子。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一用來在所述支承的一區(qū)域內(nèi)增加所述等離子體的電離作用的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述裝置是一微波源。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述裝置是以下裝置之一射頻(RF)源、電子回旋共振(ECR)源或分布的ECR源。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一與所述工件的偏置或偏壓連接，以吸引離子到所述工件的各所述內(nèi)部通道的表面。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括一偏壓源，它用來調(diào)整一偏壓數(shù)量和與所述工件的所述偏壓連接的工作循環(huán)。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述支承構(gòu)造成抓住具有多個所述內(nèi)部通道的所述工件，其中，所述內(nèi)部通道具有不同的橫截面尺寸，所述等離子體流系統(tǒng)與所述支承聯(lián)合，以使所述等離子體進(jìn)入到各個所述內(nèi)部通道，以形成一通過其間的連續(xù)流。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述等離子體流系統(tǒng)對于形成通過所述工件的所述內(nèi)部通道的流量可進(jìn)行調(diào)整。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，通過使用所述等離子體流系統(tǒng)獲得的所述內(nèi)部通道內(nèi)的壓力導(dǎo)致產(chǎn)生一電子的平均自由程，它等于或小于所述至少一個內(nèi)部通道的最小內(nèi)部直徑，這樣，通過一偏壓源對所述工件施加一負(fù)偏壓，可產(chǎn)生一中空的陰極狀態(tài)，以便產(chǎn)生和保持本底氣體的電離。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述偏壓源具有一可調(diào)整的工作循環(huán)和數(shù)量，以在沉積過程中能改變涂層質(zhì)量，選擇所述負(fù)偏壓以使初始沉積在所述至少一個內(nèi)部通道的各上游端處的所述涂覆材料在所述上游端的下游重新進(jìn)行濺射，其中，重新濺射的涂覆材料以流動速度攜帶到下游。
20.一用來涂覆工件的內(nèi)部通道的裝置包括一電離等離子體的等離子體源；一沉積室，其中，所述電離等離子體被施加到所述工件上；以及一電離激勵系統(tǒng)，在所述電離的等離子體從所述等離子體源移動到所述沉積室之后，該激勵系統(tǒng)能在靠近所述工件處增加所述等離子體的電離。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述離子激勵系統(tǒng)使用微波和ECR技術(shù)中的一種。
22.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述離子激勵系統(tǒng)使用空心陰極技術(shù)，所述等離子體源保持在比所述沉積室低的壓力下。
23.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括一個對所述工件施加電壓的偏壓系統(tǒng)，所述電壓具有與所述電離的等離子體中的離子相反的極性。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，控制所述偏壓系統(tǒng)，根據(jù)所選的工作循環(huán)施加所述電壓，以形成涂覆狀態(tài)。
25.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括一第二等離子體源，它與所述沉積室保持一供應(yīng)的關(guān)系。
26.一涂覆裝置，它包括一等離子體生成系統(tǒng)，它使用陰極電弧技術(shù)來供應(yīng)一電離等離子體；一沉積室，相對于等離子體流位于所述等離子體生成系統(tǒng)的下游；以及一工件支承系統(tǒng)位于所述沉積室內(nèi)，以定位一工件，以使所述等離子體流必要和連續(xù)地流過所述工件內(nèi)的所有多個內(nèi)部通道，其中，所述內(nèi)部通道通過物理汽相沉積(PVD)進(jìn)行涂覆。
27.如權(quán)利要求26所述的涂覆裝置，其特征在于，它還包括一電離激勵系統(tǒng)，它構(gòu)造成在所述工件的所述內(nèi)部通道內(nèi)增加電離。
28.如權(quán)利要求27所述的涂覆裝置，其特征在于，還包括一可調(diào)整的流量控制系統(tǒng)，它構(gòu)造成設(shè)定通過所述工件的所述內(nèi)部通道的等離子體流量。
29.如權(quán)利要求28所述的涂覆裝置，其特征在于，還包括一偏壓系統(tǒng)，它構(gòu)造成對所述工件施加一偏壓圖。
全文摘要
一用來涂覆一工件(40、120和142)的表面的裝置(10)，它構(gòu)造成在通過工件的內(nèi)部通道(44、46和48)內(nèi)建立一壓力梯度，以使內(nèi)部通道內(nèi)的涂層顯現(xiàn)出所要求的特征，諸如涉及光潔度或硬度之類的特征。涂覆裝置可包括多個合作系統(tǒng)中的任一或全部，包括一等離子體生成系統(tǒng)(12)、一可操縱的工件支承系統(tǒng)(34、90和122)、一構(gòu)造成增加在工件內(nèi)的或圍繞工件的電離的電離激勵系統(tǒng)(66和116)、一向工件施加選擇的電壓圖形的偏壓系統(tǒng)(52)，以及一雙室式系統(tǒng)(96和98)，它能使等離子體的生成在一第一選定壓力下發(fā)生以及使沉積在一第二選定的壓力下發(fā)生。
文檔編號C23C14/50GK1993490SQ200580024311
公開日2007年7月4日 申請日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者W·J·伯德曼, R·D·麥卡多, A·W·圖多珀 申請人:分之一技術(shù)公司