CN101182628B - 溅射镀膜离子束辐照增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镀膜技术领域的溅射镀膜离子束辐照增强方法，包括如下步骤：第一步，将内置射频线圈放于镀膜室中基板前面，使叠加的等离子体产生在基板附近；第二步，对射频线圈的外表面进行完全绝缘化处理；第三步，将射频能量输入射频线圈，射频线圈发热，对射频线圈进行冷却；第四步，调整输入的射频功率，实现对辐照基板的离子束密度的控制，从而调整镀膜中离子束辐照作用。本发明方法中，辐照基板的离子束没有高能尾巴，离子束的密度和能量可以独立调节，输入的射频功率可高达数千瓦，镀膜室中的等离子体没有污染。

Description

溅射镀膜离子束辐照增强方法

技术领域

本发明涉及一种镀膜技术领域的方法，尤其涉及一种溅射镀膜离子束辐照增强方法。

背景技术

表面镀膜是提高零部件使用性能和服役寿命的有效方法，广泛地应用于各工业领域。利用磁控溅射技术镀膜是一种常见的镀膜方法，具有沉积速率高、基片温度低、容易控制、成本低和适合大面积制膜等优点。传统磁控溅射镀膜方法中，当基板渐离靶时，入射基板的离子束密度变得很小。然而，众所周知，低温镀膜过程中离子束辐照基板对于获得良好性能的膜是非常重要的。1992年S.Miyake等人提出一种电子回旋共振等离子体增强基板离子束辐照的方法，在独立的回旋共振腔中，通过同轴天线耦合2.45GHz的微波能量产生电子回旋共振等离子体，同时利用三极结构的电极加速离子能量至1-30KeV轰击镀膜室的基板，实现镀膜过程中离子束辐照增强。但这种方法中，具有两个真空室，使用微波电源，设备复杂，成本较高；而且，辐照基板的离子束能量高达数KeV，容易造成沉积膜中存在缺陷。

经对现有技术的文献检索发现，K.Fukushima等在《Vacuum》(真空)2000年第59期第586-593页上发表的“Ion fraction and energy distribution of Tiflux incident to substrate surface in RF-plasma enhanced magnetronsputtering”(射频等离子增强磁控溅射中入射基板表面Ti离子比例和能量分布)述及一种射频等离子体增强基板离子束辐照的方法，在镀膜室中的磁控溅射靶的附近放置金属线圈，通过金属线圈耦合13.56MHz的射频能量，在磁控溅射等离子体基础上叠加射频等离子体，增强镀膜过程中基板的离子束辐照。该方法只有一个真空室，使用射频电源，设备相对简单，容易实现。但这种方法中，金属线圈直接与等离子体接触，射频能量的耦合既有诱导型方式又有电容型方式。因此，辐照基板的离子束能量分布范围广，具有高能尾巴容易造成沉积膜中存在缺陷；通过控制射频功率调节辐照基板离子束密度时也会引起离子能量的变化，不能完全独立调整离子束的密度和能量；金属线圈发热限制了输入射频能量的范围为数百瓦，进而限制了辐照基板的离子束密度；线圈金属存在被溅射的可能，沉积的薄膜容易受到线圈金属元素的污染。

发明内容

本发明的目的在于克服上述方法的不足和缺点，提供一种溅射镀膜离子束辐照增强方法，即基于镀膜室中叠加诱导型等离子体的基板离子束辐照增强方法，使其具有辐照基板离子束没有高能尾巴，离子束的密度和能量能够独立调整，输入射频功率可达数千瓦，等离子体没有被污染等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步，将内置射频线圈放于镀膜室中基板前面。射频线圈直接放在镀膜室基板前面，使叠加的等离子体产生在基板附近，这有利于提高辐照基板的离子束密度；同时相比较在镀膜室外放置射频线圈，内置射频线圈可以减少镀膜室密封的困难。

第二步，对射频线圈的外表面进行完全绝缘化处理。采用对射频线圈外套绝缘陶瓷管的方法，来避免射频线圈和镀膜室中等离子体的直接接触，避免射频能量的电容型方式耦合，实现射频能量完全以诱导型方式进行耦合。

第三步，对射频线圈进行冷却。将射频能量输入射频线圈时，射频线圈会发热，这限制了输入的最大射频功率。采用对射频线圈进行内流冷却水的方法，使射频线圈在数千瓦功率射频能量输入的情况下仍能正常工作。

第四步，进行辐照基板的离子束密度的调节。实际镀膜时，通过调整输入的射频功率，实现对辐照基板的离子束密度的控制，调整镀膜中离子束辐照作用。

所述内置射频线圈于镀膜室中基板前面，是指：将具有优良导电性能的铜管制作成一个圆形线圈，然后放置在传统磁控溅射镀膜室中的基板前面。射频线圈的半径可以根据不同需要进行选择，主要影响基板前面等离子的密度分布和辐照基板离子束的能量。

所述对射频线圈的外表面进行完全绝缘化处理，是指：将材料为高纯度氧化铝的多个短陶瓷管串接、罩在射频线圈铜管外面，形成绝缘层，避免射频线圈铜管在镀膜室中与等离子体直接接触。每个短陶瓷管的端面都有斜面设计，其中一端为外斜面，另一端为内斜面，串接时一个陶瓷管的外斜面完全插入相邻陶瓷管的内斜面，这使得即使在短陶瓷管的接缝处也能实现铜管和等离子体的绝缘，从而实现射频线圈铜管和镀膜室中等离子体的完全绝缘化。采用短陶瓷管串接方式组合，具有制作简单、成本低廉和容易安装的优点，特别是在更换陶瓷管的时候，操作简便。

所述对射频线圈进行冷却，是指：在射频线圈铜管内通过冷却水，带走射频线圈产生的热量，使得射频线圈始终工作在常温状态，冷却水为纯净的蒸馏水。

所述进行辐照基板的离子束密度的调节，是指：镀膜时，根据实际的需要，通过调节射频功率的大小，可以控制辐照基板的离子束密度，这就调节镀膜时基板的离子束辐照作用大小。辐照基板的离子束密度变化时，不影响离子束的能量。

与现有技术相比，本发明采用镀膜室中内置射频线圈，设备简单、容易实现；采用多个高纯度二氧化铝短陶瓷管串连组成绝缘层，成本低廉、容易安装；采用具有斜面设计的陶瓷管，避免在陶瓷管的接缝处绝缘失败，在射频线圈的整个铜管上实现与镀膜室中等离子体绝缘，完全抑制射频能量的电容型方式耦合；采用射频线圈内流动冷却水，可以实现数千瓦射频功率的输入，极大增强镀膜中离子束辐照作用。

附图说明

图1为本发明实施例使用的装置结构示意图

图2为本发明实施例使用的内置射频线圈截面示意图

图3为本发明实施例使用的内置射频线圈绝缘层结构示意图

图4为本发明实施例中辐照基板的氩离子能量分布图

图5为本发明实施例中辐照的基板离子成分图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，传统磁控溅射镀膜装置主要包括图1中所示的镀膜室1，磁控溅射靶2，基板3以及调节阀门4和抽真空系统5。传统磁控溅射镀膜方法中，等离子体集中在磁控溅射靶2的表面，如果基板3渐离磁控溅射靶2，辐照基板3的离子束16的密度通常迅速变小，镀膜中离子束辐照基板的作用大大降低。本发明是采用在传统磁控溅射镀膜方法的镀膜室1内直接放置射频线圈6，通过施加射频能量于射频线圈6，从而在基板3前面叠加诱导型等离子体来实现的。如图所示，射频线圈6放置在基板3的前面，离磁控溅射靶2的距离相对较远。射频线圈6的两端均延长出镀膜室1外，在于镀膜室壁交接处通过安装在法兰上的密封装置实现镀膜室1的密封。从电气上讲，射频线圈6的一端在于镀膜室壁交接处的法兰上通过第一连接装置7与镀膜室壁直接相连，而射频线圈6的另一端在于镀膜室壁交接处的法兰上通过第二连接装置8与镀膜室壁11绝缘，然后通过匹配盒9连接至13.56MHz射频电源10。整个镀膜室壁11通过大面积铜导线12连接至放置在地上的大面积铜板13上，铜板13接地。合理设计与铺设大面积铜板13有效地抑制了射频能量对其他电子设备以及磁控溅射源的干扰问题。为了保证射频线圈6在数千瓦高功率射频能量输入的情况下仍能够正常工作，射频线圈6通入冷却水冷却。射频线圈6的高压端，即与匹配盒9相连的一端，通入冷却水14，冷却水从射频线圈6的接地端流出15。

如图2所示，射频线圈6主要由铜管2和绝缘层3组成。铜管的中心1是空的，工作时通过冷却水对射频线圈进行冷却，可以保证输入数千瓦功率的射频能量，极大增强辐照基板离子束密度。铜管外面绝缘层3的成分为高纯度二氧化铝陶瓷，绝缘层3的作用是避免射频线圈的铜管2和镀膜室中等离子体的直接接触。这样，可以有效地抑制射频能量的电容型方式耦合，避免离子在通过电容型方式耦合产生的鞘层的过程中被加速从而形成辐照基板离子束的高能尾巴，避免高能离子轰击铜管而溅射出铜原子造成对等离子体以及薄膜的污染，避免射频功率的变化对等离子体电位的影响。

如图3所示，射频线圈绝缘层3是由多个高纯度二氧化铝短陶瓷管串连一起组成。每个短陶瓷管的端面都是斜面设计，包括外斜面1和内斜面2。当两个短陶瓷管串在一起时，其中一个陶瓷管的外斜面3插入另一个陶瓷管的内斜面2。陶瓷管端面的斜面设计可以避免射频线圈6的铜管2和镀膜室中等离子体在两个陶瓷管的接缝处的直接接触，在射频线圈6的整个铜管上实现与镀膜室中等离子体的绝缘，完全抑制射频能量的电容型方式耦合，实现射频能量完全以诱导型方式进行耦合。

实施例

本实施例在直流磁控溅射反应沉积氮化钛薄膜时采用。工作压力为0.5Pa，工作气体为氩气和氮气，流量分别为5和1 SCCM，磁控溅射靶材为纯度99.98％的钛，直流溅射电流为0.8A，基板接地。

如图4所示，图中横坐标为离子能量，纵坐标为每秒检测到该能量离子的个数。如图所示，本实施例通过在基板前面内置射频线圈叠加诱导型等离子体，镀膜中基板离子束辐照作用得到极大提高。比较传统磁控溅射方法中入射基板的离子能量分布图1和本实施例中射频功率为200瓦时入射基板的离子能量分布图2，可以发现，每秒辐照基板的离子数提高近百倍。同时，比较照射频功率为200瓦时入射基板的离子能量分布图2、射频功率为400瓦时入射基板的离子能量分布图3和射频功率为600瓦时入射基板的离子能量分布图4，可以发现，本实施例中射频功率的变化仅引起入射基板离子数的变化，对离子平均能量没有影响。因此，辐照基板离子束密度可以完全独立于能量进行调节。另外，该图也表明，本实施例中入射基板的离子能量分布比较窄，没有高能尾巴。

如图5所示，图中横坐标为离子质量，纵坐标为每秒检测到该离子的个数。如图所示，辐照基板的离子包括Ar⁺、Ar²⁺、N₂ ⁺、N⁺和Ti⁺，其中Ar⁺、Ar²⁺、N₂ ⁺和N⁺来自工作气体，Ti⁺来自磁控溅射靶，部分Ti原子通过诱导型等离子体区时被离子化。因此，该图表明，本实施例中没有其它来自于内置射频线圈材料元素的污染，包括铜管和绝缘层材料。

Claims (7)

1.一种溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将内置射频线圈放于镀膜室中基板前面，使叠加的等离子体产生在基板附近；

第二步，对射频线圈的外表面进行完全绝缘化处理；

第三步，将射频能量输入射频线圈，射频线圈发热，对射频线圈进行冷却；

第四步，调整输入的射频功率，实现对辐照基板的离子束密度的控制，从而调整镀膜中离子束辐照作用。

2.根据权利要求1所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，所述内置射频线圈于镀膜室中基板前面，是指：将铜管制作成一个圆形线圈，然后放置在磁控溅射镀膜室中的基板前面。

3.根据权利要求1所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，所述对射频线圈的外表面进行完全绝缘化处理，是指：将材料为高纯度氧化铝的多个短陶瓷管串接、罩在射频线圈铜管外面，形成绝缘层，避免射频线圈铜管在镀膜室中与等离子体直接接触。

4.根据权利要求3所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，每个短陶瓷管的端面都有斜面设计，其中一端为外斜面，另一端为内斜面，串接时一个陶瓷管的外斜面完全插入相邻陶瓷管的内斜面。

5.根据权利要求1所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，所述对射频线圈进行冷却，是指：在射频线圈铜管内通过冷却水，带走射频线圈产生的热量，使得射频线圈始终工作在常温状态。

6.根据权利要求5所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，所述冷却水为纯净的蒸馏水。

7.根据权利要求1所述的溅射镀膜离子束辐照增强方法，其特征是，所述进行辐照基板的离子束密度的调节，是指：镀膜时，通过调节射频功率的大小控制辐照基板的离子束密度，这就调节镀膜时基板的离子束辐照作用大小。

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