[发明专利]用惰性气体混合物喷镀硅介质膜

说明书

本发明一般地说与利用磁控管真空溅射在基质上喷镀膜的工艺有关，更具体地说，则与用于喷镀绝缘体、半导体(诸如硅)以及它们的电介质的工艺有关。

各种磁控管喷镀工艺用来在各种大小的基质上喷镀薄膜。有一类工艺用来在玻璃基质上产生光学薄膜。这些基质包括用于建筑物窗户的大尺寸建筑玻璃、卡车和轿车风挡用的车辆玻璃、计算机和图像显示器屏幕以及小型光学元件。这类工艺如下完成：将上述基质中的一种通过一个真空室，用等离子体放电产生的离子去轰击标靶，于是标靶的物质在真空室内溅射喷镀。如果希望薄膜仅由标靶的物质单独构成，那么该物质就应直接溅射喷镀到基质上去。另一方面，人们常常希望喷镀一种化合物，标靶物质只是该化合物的一种成分；这可以通过将反应气体引入真空室来完成，反应气体与基质表面上的溅射元素相化合就形成了所要的化合物。这种反应溅射喷镀的一个实例是介质膜的喷镀，此时标靶物质是一种金属(诸如钛)，而反应气体是氧或氮。再举一例，标靶物质是一种几乎不导电的元素或半导体元素(诸如硅)，它由标靶溅射出来然后与反应气体(诸如氧)化合从而生成电介质(诸如二氧化硅)薄膜，即介质膜。

近年来，对非金属、基本不导电元素或它们的电介质化合物的溅射喷镀膜的需求大为增加。然而，生产这类膜片的现行溅射喷镀工艺很难控制，这类工艺通常不能以稳定的方式操作。硅介质膜的喷镀是最困难的，与此同时，对它的需求却迅速增长。现行工艺给出的喷镀速率要比生产大多数金属膜时的喷镀速率小得多。

为了提高经济效益，基质必须以高速通过磁控管溅射喷镀设备，这就意味着物质喷镀淀积在基质上的速率需要维持在一个高水平，但当生产二氧化硅或其它的这类膜片时情况并非如此。二氧化硅膜越来越普及地用作玻璃上形成的多层层叠的一层或几层，这种层叠是为了提供波长选择透过率及(或)反射特性。二氧化硅的折射率低。然而，当大型基质，如建筑物或汽车上的玻璃，需要镀膜时，这种膜的淀积速率则令人特别关注。设备方面所需的投资很大，因此，希望基质能以一个适当的速率通过排成一列的若干常用的溅射喷镀真空室。

在硅或硅介质喷镀淀积的过程中，主要不希望发生的现象是弧光放电。频繁的弧光放电会使得工艺过程偏离给定的工作参数值。有两类弧光放电发生：第一类是人们主要关心的、此时电弧通过等离子体(它是电子的导体)由标靶表面向阳极表面前进。为了使不导电的标靶物质能够成为等离子体工艺流程的阴极，则对其掺杂某些导电物质，诸如在硅靶中掺些铝。但是，由于在镀膜中任何显量的导电物质都是不期望的，所以标靶中少量的导电物质使得标靶在它的厚度上，比之导电物质由金属标靶物质溅射喷镀的情况，具有高得多的电阻。

一个等价串联电路存在于喷镀室内的金属电极表面(它与标靶的背面相接)与阳极(它离开被轰击的标靶表面一定距离)之间。该串联电路包含标靶物质本身的高电阻，从而形成了一个电压降通过标靶物质厚度、紧邻标靶表面的阴极鞘，以及阴极阳极之间的等离子体本身。与几乎不导电的标靶物质同时存在的第一类电弧，据信具有两个同时起作用的成因。一个成因是由于标靶的高电阻，使得它在较高的温度下工作，从而使得电子易于由标靶表面逃逸。另一个成因据信是通过阴极鞘的较大电压降，它使得在那一区域内的离子以较高的能量撞击标靶表面，从而使得由标靶表面撞出更多的电子。增高的电子数分布增大了在标靶表面和阳极之间产生弧光放电的概率，它会产生一个很大的电流流过该串联电路。此时，连接在标靶背面的电极表面和阳极之间的电源常常会暂时失效，这就使得以提供高喷镀淀积速率工作的稳定参数运行的工艺过程，即使不是不可能，也难以维持进行。这类电弧也会撞击出颗粒物质，它们可能成为喷镀淀积膜的不希望有的一部分。

作为第二类弧光放电的一个成因就是，二氧化硅或其它不导电物质不仅喷镀在指定的基质上，而且也会喷镀在真空室内的其它表面上，包括电源跨接其上的阳极和标靶，以及邻近标靶的其它表面。一个电负载周期性地产生在这种介质膜的两边，足以使它击穿，从而造成弧光放电。它会引起溅射喷镀工艺过程的某种中断，同时也会在真空室内产生一些颗粒物质，其中一部分会附着到基质表面上。