CN101476110A - 会切磁场约束icp增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置 - Google Patents
会切磁场约束icp增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属等离子体薄膜沉积技术领域，涉及会切磁场约束ICP增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置。其特征在于，装置主体为一非平衡磁控；在非平衡磁控溅射靶与样品台之间加入ICP增强电离放电，使磁控溅射产物电离度得到有效提高；在非平衡磁控溅射靶下方分别加入三圈环状永久磁铁，与非平衡磁控溅射磁场闭合，沿放电室壁产生一闭合磁场分布，有效约束放电等离子体，进一步提高磁控溅射产物电离度，改善放电等离子体空间分布的均匀性；本发明的效果在于，在大大提高了非平衡磁控溅射放电等离子体密度与空间分布均匀性的基础上，利用该装置可以制备出高质量薄膜。
Description
技术领域
本发明属于非平衡磁控溅射薄膜沉积技术领域，涉及一种会切磁场约束电感耦合射频等离子体(ICP)增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置。
背景技术
等离子体薄膜沉积是一个被广泛开展的研究领域，而且得到越来越广泛的应用，可以应用于制备光学膜、导电膜、磁性膜、绝缘膜、过滤膜、硬质膜等，产生了良好的经济与社会效益。等离子体薄膜技术中都是采用低温等离子体技术，低温等离子体的温度通常为室温，而电子具有很高的能量与温度，所以可以在常规环境下进行超常规的物理转变与化学反应，这就为等离子体薄膜制备提供了可靠的条件。等离子体薄膜制备一般分为两大类：等离子体物理气相沉积与等离子体化学气相沉积，而等离子体物理气相沉积又有磁控溅射沉积、分子束外延生长、离子束溅射沉积、离子束辅助沉积等。其中磁控溅射沉积是应用最广泛的技术，这主要是因为其技术简单，操作方便，而且适用性比较强。为了采用磁控溅射沉积各种薄膜，这种技术又被发展成直流磁控溅射、射频磁控溅射、脉冲磁控溅射，可以分别制备导电性薄膜与绝缘性薄膜。
在磁控溅射薄膜制备技术中，如何提高放电等离子体密度并进而提高溅射产物的电离度与到达样品台的离子原子到达比以及有效降低电子与离子的能量就成为了人们不断追求的一个目标，因为只有在这样的条件下，才可以制备出高质量的薄膜，所以磁控溅射从传统的平衡磁控溅射发展到非平衡磁控溅射，这一技术大大促进了磁控溅射薄膜制备技术的应用。但从总体上考虑，这一技术仍然是不足的，因为它对上述问题的改善仍然是有限的，而且也没有很好解决溅射放电等离子体空间分布均匀性的问题，这样也不利于制备大面积均匀薄膜。
发明内容
本发明主要是在传统的非平衡磁控溅射的基础上，加入ICP增强电离与会切磁场约束，提高了放电等离子体密度与溅射产物电离度，改善了放电等离子体空间分布均匀性。
本发明的技术方案是：放电主题为一非平衡直流磁控溅射装置，上盖板为磁控溅射阴极，在阴极板下方安装磁控溅射靶，为导磁导电材料，尺寸：φ12cm。磁控放电是直流放电，电源功率2.0kW，电压在0-5.0kV连续可调。在阴极板上方中心处安装一永磁铁，尺寸为φ2.6cm，然后通过变径收缩成φ1.0cm，外磁极距中心磁极4.5cm，呈环状结构，它们的表面磁场强度都为3000Gs。通过一绝缘支撑，在阴极下方安装磁控溅射阳极。在非平衡磁控溅射阳极下方接一石英玻璃桶，规格为φ15cm×16cm。在距非平衡磁控溅射外磁铁环径向外3.2cm下方3.2cm处在石英玻璃桶外壁安装外加环状第一永磁铁环，表面磁场强度3000Gs，在外加第一永磁铁环下方4.0cm与8.0cm处再分别加入外加第二与第三环状永磁铁，表面磁场强度3000Gs，这样，非平衡磁控溅射的环状永磁铁与外加第一环状永磁铁形成闭合磁场，从而在整个放电室形成闭合的约束磁场来有效约束磁控放电等离子体。在外加第一与第二永磁铁环之间加入ICP增强电离的第一匝射频线圈，在外加第二与第三永磁铁之间加入ICP增强电离的第二匝射频线圈，在外加第三永磁铁之间与下方真空室之间加入ICP增强电离的第三匝射频线圈。射频线圈用铜管做成，内部通水进行水冷。射频线圈的上方接功率输出端，而下方接地。放电室用组合真空泵抽气，本底真空可达3.0×10-3Pa。
本发明的效果在于：由于采用ICP增强电离，所以磁控溅射物流的电离率被提高；由于采用了会切磁场与非平衡磁控溅射磁场耦合，在整个放电室形成了闭合磁场分布，可以有效减少电子向放电壁的扩散损失，从而进一步提高了放电等离子体密度与溅射产物电离度，降低了等离子体电位，从而降低了离子对制备薄膜的辐射损伤，并且改善了放电等离子体在径向空间分布的均匀性。在施加偏压的基础上，可以控制薄膜生长特性，改善薄膜的质量，制备出符合要求的薄膜，而且制备的薄膜均匀性也得到了改善。
附图说明
附图是会切磁场约束ICP增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置的结构示意图。
图中：
101.非平衡溅射磁铁，外部是环状磁铁，内部为一圆柱磁铁，形成非平衡磁场分布。
102.溅射靶，可以是任何导磁导电材料。
103.磁控溅射阳极，也是接地电极。
104.增强电离射频线圈，一共三匝，分布在外加永磁铁环之间。
105.外加的永磁铁环，一共三组，最上面一组与非平衡磁控溅射磁铁磁场形成闭合，最后在整个真空室形成一闭合磁场。
106.磁控溅射电源，是直流电源。
107.样品台，是薄膜制备的样品支撑台，可以对样品施加偏压。
108.抽真空阀兰，与真空设备相接。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
关闭进样室，开始通过108口抽真空。先用机械泵通过真空管道抽本底真空到2-5Pa，此时可以开启分子泵，进一步抽本底真空到3×10-3Pa，这时通过气体流量计送入高纯氩气(在真空室上部加入，在图中没有表示出来)，使真空室达到工作气压。工作气压范围一般在0.1-5.0Pa之间，这需要针对不同的制备薄膜来确定。当气压达到要求时，就可以开启磁控溅射电源106。起先的击穿电压会比较高，而且放电也可能不稳定，有时伴随着一些火花放电，这通常是由于溅射靶表面有一层氧化物薄膜所致，当放电时间足够长时，这种现象就会消失。所以当我们制备薄膜时，通常需要对溅射靶102进行这样的放电预处理，然后再装入样品，否则样品容易被污染。当放电趋于稳定后，关闭磁控放电，打开真空室，首先把清洗好的样品放置在图中样品台107。然后开启ICP放电，调整射频匹配，使反射功率降到零，输入功率达到200W，这时在样品台107上施加一高的偏压，这样做的目的是为了对样品进行溅射清洗，通常施加的偏压在200-1000V之间，更大的偏压会导致离子注入效应的加强。偏压可以采用直流偏压也可以采用脉冲偏压。清洗时间一般在5-10mins。当清洗完毕后，把偏压电源的值降低，一般达到50-100V。过高的偏压会导致离子轰击效应的加强，会对沉积薄膜造成损伤，所以不利于制备高质量薄膜。然后开启磁控溅射电源，选取合适的放电参量，使磁控放电与射频放电能有一最佳配合。这时就开始了薄膜的制备。
实施例：
选取氩气(纯度99.999％)为工作气体，工作气压为1.5×10-1Pa，溅射靶为铜靶。
1.安装溅射铜靶，关闭真空室，开始抽真空至3×10-3Pa。
2.开始磁控溅射放电，所加磁控溅射电压大于300V时，气体被击穿，形成磁控溅射放电，直流放电电流可以达到200mA，执行一段时间，使放电变得稳定。
3.打开真空室，把清洗好的尺度为20×20mm的单晶硅放置在样品台上，关闭真空室，开始抽真空至3×10-3Pa，然后通入氩气至真空度1.5×10-1Pa。
4.开启ICP放电，使射频输入功率达到200W。
5.在样品台上施加一脉冲偏压，脉冲峰值电压为1500V，脉冲频率1.0kHz，占空比为50％，对衬底进行表面清洗5.0mins。
6.降低脉冲偏压至100V，再开启磁控溅射放电，放电电压250V，放电电流为210mA。
7.开始进行薄膜沉积，沉积时间为1.0h，然后进行沉积铜膜检测，所制备的为纳米尺度的的多晶铜膜，厚度可以达到600nm。
Claims (3)
1.一种会切磁场约束ICP增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置，其特征在于：装置主体为一非平衡磁控外加ICP增强电离与会切磁场约束。在非平衡磁控溅射靶与样品台之间加入ICP增强放电，在非平衡磁控溅射靶下方分别加入三圈环状永久磁铁，与非平衡磁控溅射磁场闭合，沿放电室器壁产生一闭合磁场分布。
2.根据权利要求1所述的一种会切磁场约束ICP增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置，其特征在于：在非平衡磁控溅射外磁铁环径向外3.2cm下方3.2cm处加入外加环状第一永磁铁环，表面磁场强度3000Gs，在外加第一永磁铁环下方4.0cm与8.0cm处再分别加入外加第二与第三环状永磁铁，表面磁场强度3000Gs。
3.根据权利要求1所述的一种会切磁场约束ICP增强电离的非平衡磁控溅射薄膜沉积装置，其特征在于：在外加第一与第二永磁铁环之间加入ICP增强放电第一匝射频线圈，在外加第二与第三永磁铁之间加入ICP增强电离的第二匝射频线圈，在外加第三永磁铁之间与下方真空室之间加入ICP增强电离的第三匝射频线圈；射频线圈用铜管做成，内部通水进行水冷。
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