CN101634012A - 一种用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置及方法，该装置包括真空室、磁控溅射源、工件托架和离子源，其特征在于：所述磁控溅射源安装在真空室的顶部呈密封连接结构，磁控溅射靶通过连接轴与磁控溅射源相连，磁控溅射靶伸入真空室内，且磁控溅射靶与连接轴之间为可转动连接，所述离子源也安装在真空室的顶部呈密封连接结构，离子源的发射头也伸入真空室内，所述工件托架安装在真空室内的底部。与现有技术相比，本发明的优点在于：磁控溅射靶能根据工件的大小和位置调整溅射方向，以达到最佳的溅射的范围；本发明提供的方法，不需要采用高能离子源，而是采用低能、大束流离子束对薄膜进行辅助沉积，可增加膜基结合力和薄膜致密度。

Description

一种用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置及方法

技术领域

本发明涉及用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置及方法。

背景技术

随着表面改性和薄膜制备技术的发展及日趋成熟，采用多种处理方法相结合制备具有优异新特性的薄膜日益受到关注。近年来，将离子束溅射和高能磁控溅射相结合进行工件表面防护镀膜的复合装置已经开发，例如公开号为CN 2690417(专利号为：ZL03211547.4)的中国实用新型专利就公布了一种平面离子源增强沉积镀膜机，包括真空系统、工件传动装置和蒸发源，其特征在于，还包括平面离子源和平面离子源进气管，平面离子源进气管与真空室连接，工件传动装置安装在真空室内，蒸发源和平面离子源同时安装在真空室壁上。上述平面离子源增强沉积镀膜机需要将蒸发源和平面离子源同时安装在真空室壁，这就要求真空室做的比较大，并且磁控溅射靶不能根据工件的大小和位置调整溅射方向，溅射的效果不佳，另外，这种磁控溅射装置只能对工件单面进行镀膜，而不能对工件所有外表面镀膜，工件镀膜后其均匀性和一致性较差。

又例如公开号为CN2832829(专利号为：ZL 200520017267.8)的中国实用新型专利也公布了一种新型真空镀膜机，包括有磁控溅射靶的反应磁控溅射镀膜机，其特征在于：还包括一只或多只定向发射的细长形电弧离子源，放置在反应磁控溅射镀膜机中。虽然上述将离子束溅射和高能磁控溅射相结合进行工件表面防护镀膜具有镀层致密以及结合强度高等优点，但是其需要高能的离子束，且沉积速率低，设备复杂、昂贵，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种磁控溅射靶可以根据工件的大小和位置调整溅射方向的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用低能、大束流的离子束的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，包括真空室、磁控溅射源、工件托架和离子源，其特征在于：所述磁控溅射源安装在真空室的顶部呈密封连接结构，磁控溅射靶通过连接轴与磁控溅射源相连，磁控溅射靶伸入真空室内，且磁控溅射靶与连接轴之间为可转动连接，所述离子源也安装在真空室的顶部呈密封连接结构，离子源的发射头也伸入真空室内，所述工件托架安装在真空室内的底部。

这样，在对工件的外表面进行镀膜时，磁控溅射靶和离子源均由上向下溅射，符合重力垂直向下的自然规律，无需克服溅射粒子的自重做功；并且由于磁控溅射靶与连接轴之间为可转动连接，使靶面与水平成45～90°，角度可调，这样磁控溅射靶就能根据工件的大小和位置调整溅射方向，以达到最佳的溅射的范围，这种向下沉积镀膜的方式，可显著提高沉积速率，获得厚的磁控溅射薄膜。

磁控溅射靶在真空室的顶部可以竖直向下安装，当然，为了更好的保证溅射效果，这里，磁控溅射靶可以倾斜向下安装，使磁控溅射靶正对工件托架。并且，磁控溅射靶的安装数量可以有多个，并且这些磁控溅射靶在真空室的顶部呈圆形均匀分布，每个磁控溅射靶均装成与工件托架正对。并且，离子源也可以安装多个，离子源和磁控溅射靶可以间隔分布，这样多个磁控溅射源和离子源对工件托架上的工件进行沉积镀膜时，可以显著提高镀膜效率和均匀性，而离子轰击则可增强膜基结合力，增加薄膜的致密度。

作为改进，所述工件托架包括一底盘，该底盘由电机转轴连接一部伺服电机及其减速机构，该底盘的外圆周上安装多个工件托盘。

这样，本发明在对工件进行沉积镀膜时，可以对多个工件同时进行镀膜溅射，提高了沉积镀膜效率。并且，通过电机转轴带动底盘和底盘上的工件托盘转动，当对多个工件同时沉积镀膜溅射时，可以保证每个工件托盘上的工件溅射条件相同。

工件托盘上可以只放置一个工件，也可以放置多个工件，为了保证每个工件托盘上各个位置所放工件的溅射条件相同，作为进一步改进，所述底盘下方、电机转轴上固定有大齿轮，所述底盘下方、每个工件托盘的转动轴上固定有小齿轮，每个小齿轮与所述大齿轮相啮合。这样，电机转动，带动底盘公转，底盘下大齿轮带动小齿轮转动，而小齿轮通过工件托盘的转动轴带动工件托盘自转，实现工件托盘的公转和自转。这样，工件托盘的公转可以保证每个工件托盘上工件的溅射条件相同，工件托盘的自转可以保证每个托盘上各个位置所放工件溅射条件相同。

为了能让磁控溅射靶的溅射范围更广，所述磁控溅射靶外绕有水冷励磁线圈，构成非平衡磁控溅射系统。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：该用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、将工件置于托盘7上，将真空室内空气抽空，使真空室内的压强为1-5×10^-4Pa；

(2)、转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(3)、开启离子源，离子源对准工件，对工件表面进行溅射清洗和活化，工作气压0.05-0.1Pa，阳极电压为50-100V，阳极电流为0.5-1A，清洗时间为5-20分钟后停止；

(4)、在离子源清洗样品的同时，对磁控溅射靶表面进行预溅射清洗，在清洗磁控溅射靶的过程中，用挡板挡住磁控溅射靶表面，以防止溅射时粒子沉积到工件上，清洗时，磁控溅射靶功率为50-100W，清洗时间为5-20分钟后停止；

(5)、工件和磁控溅射靶清洗后，进行辅助沉积薄膜过程。

(6)、将真空室内的工作气压调至0.2-1Pa，将磁控溅射和离子源对准工件，转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(7)、打开磁控溅射源和离子源，将打开磁控溅射靶的功率调至200-400W，离子源阳极电压调至100-200V，阳极电流增加至1-3Pa，辅助沉积薄膜时间为60-120分钟后停止。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将磁控溅射靶安装在真空室的顶部并且磁控溅射靶与连接轴之间设为可转动连接，磁控溅射靶能根据工件的大小和位置调整溅射方向，以达到最佳的溅射的范围。通过将工件托架上的工件托盘设为行星式转动，既保证每个工件托盘溅射条件相同，又能保证托盘上各个位置所放工件溅射条件相同，本发明所采用的离子束辅助磁控溅射沉积方法，不需要采用高能离子源，而是采用低能、大束流离子束对薄膜进行辅助沉积，沉积薄膜前，离子束可对基片进行溅射清洗和表面活化，在沉积薄膜的过程中，辅助沉积可增加膜基结合力和薄膜致密度，从而制备出高性能的薄膜材料。

附图说明

图1为本发明实施例中用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置的结构图；

图2为图1的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1和2所示的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，包括真空室6，真空室6的顶部安装至少一个磁控溅射源3，至少一个离子源1，真空室6可以为圆柱形，也可以为其他任何形状，本实施例中真空室6为圆柱形，真空室6的顶部外圆周上均匀安装有四个磁控溅射源3和两个离子源1，磁控溅射源3和离子源1与真空室6呈密封连接结构，磁控溅射靶5伸入真空室6内，磁控溅射靶5与连接轴11之间为可转动连接，而用于放置工件的工件托架安装在真空室6内的底部，这里每个磁控溅射靶5和离子源1均倾斜向下安装，使每个磁控溅射靶5和离子源的发射头正对工件托架。在具体的溅射镀膜过程中，磁控溅射靶5可以根据工件的大小和位置调整溅射方向，以达到最佳的溅射的范围。

本实施例中，真空室6顶部还设有供气系统2和观察窗9，底部设有分子泵8。真空室6侧面设有开启真空室6的门10。

工件托架包括一底盘12，该底盘12由电机转轴13连接一部伺服电机及减速机构控制，该底盘12的外圆周上安装多个工件托盘7。这样，本发明在对工件进行沉积镀膜时，可以对多个工件同时进行镀膜溅射，提高了镀膜效率。并且，通过电机转轴带动底盘和底盘上的工件托盘转动，当对多个工件同时镀膜溅射时，可以保证每个工件托盘上的工件溅射条件相同。

本实施例中，底盘12下方、电机转轴13上固定有大齿轮，底盘12下方、每个工件托盘7的转动轴上固定有小齿轮，每个小齿轮与大齿轮相啮合。当工件托盘上放置多个工件，电机转动，带动底盘公转，底盘下大齿轮带动小齿轮转动，而小齿轮通过工件托盘的转动轴带动工件托盘自转，实现工件托盘的公转和自转。这样，工件托盘的公转可以保证每个工件托盘上工件的溅射条件相同，工件托盘的自转可以保证每个托盘上各个位置所放工件溅射条件相同。

为了能让磁控溅射靶的溅射范围更广，磁控溅射靶5外绕有水冷励磁线圈4。

本发明提供的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积方法，包括以下步骤：

(1)、将工件置于托盘7上，将真空室内空气抽空，使真空室内的压强为1-5×10^-4Pa；

(2)、转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(3)、开启离子源，离子源对准工件，对工件表面进行溅射清洗和活化，工作气压0.05-0.1Pa，阳极电压为50-100V，阳极电流为0.5-1A，清洗时间为5-20分钟后停止；

(4)、在离子源清洗样品的同时，对磁控溅射靶表面进行预溅射清洗，在清洗磁控溅射靶的过程中，用挡板挡住磁控溅射靶表面，以防止溅射时粒子沉积到工件上，清洗时，磁控溅射靶功率为50-100W，清洗时间为5-20分钟后停止；

(5)、工件和磁控溅射靶清洗后，进行辅助沉积薄膜过程。

(6)、将真空室内的工作气压调至0.2-1Pa，将磁控溅射和离子源对准工件，转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(7)、打开磁控溅射源和离子源，将打开磁控溅射靶的功率调至200-400W，离子源阳极电压调至100-200V，阳极电流增加至1-3Pa，辅助沉积薄膜时间为60-120分钟后停止。

这里，在真空室6的顶部配置离子源主要有两方面的作用，即镀膜前期离子表面处理和镀膜期间离子辅助沉积：

第一方面，在对工件表面进行沉积薄膜前对工件表面进行溅射清洗是通过荷能离子和基板表面物质的碰撞，从而达到清除基板表面异物的作用。另外离子源的离子轰击也可使工件表面的特性得以改变而增强膜基结合力。根据最终使用目的的不同，离子表面处理的气体种类、离子能量、离子束流密度、离子清洗时间等都应根据实际需要作相应调整。对工件清洗来说，低能、大密度的离子团簇清洗是目前所知的最好的方法；对于工件表面改性来说，合适的气体种类是基板表面改性的关键。

第二方面，镀膜期间离子辅助沉积的过程如下：在薄膜沉积的过程中，通过荷能离子和薄膜粒子之间的碰撞，从而传递给薄膜粒子以额外的能量。由于动量传递可导致三维运动，即膜料原子或分子不仅沿着基板平面运动，而且会有垂直工件表面的动量而向下运动，这些运动增加了膜基结合力和薄膜的致密度。同时辅助沉积还可以消除薄膜柱状晶结构，提高薄膜光学常数的稳定性和均匀性，改善薄膜的化学计量比等。在离子轰击下生长的薄膜性能都有一个临界点，超过此临界点性能就会下降，因此对于入射离子束能量和束流密度的调控犹为关键。本发明不仅可以变化离子源本身参数，而且辅助沉积的同时可对工件施加负偏压，进一步调控入射到样品表面离子的能量和密度，从而增加离子束参数的调控范围，获得具有不同特性的薄膜材料。在反应气体溅射沉积薄膜的过程中，该离子源输出的反应气体离子轰击沉积的薄膜，还可以调控薄膜中反应气体的含量，获得具有不同化学计量比的化合物薄膜。

Claims (6)

1、一种用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，包括真空室、磁控溅射源、工件托架和离子源，其特征在于：所述磁控溅射源安装在真空室的顶部呈密封连接结构，磁控溅射靶通过连接轴与磁控溅射源相连，磁控溅射靶伸入真空室内，且磁控溅射靶与连接轴之间为可转动连接，所述离子源也安装在真空室的顶部呈密封连接结构，离子源的发射头也伸入真空室内，所述工件托架安装在真空室内的底部。

2、根据权利要求1所述的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，其特征在于：所述工件托架包括一底盘，该底盘由电机转轴连接一部伺服电机及其减速机构，该底盘的外圆周上安装多个工件托盘。

3、根据权利要求2所述的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，其特征在于：所述底盘下方、电机转轴上固定有大齿轮，所述底盘下方、每个工件托盘的转动轴上固定有小齿轮，每个小齿轮与所述大齿轮相啮合。

4、根据权利要求1～3任意一项权利要求所述的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积装置，其特征在于：所述磁控溅射靶外绕有水冷励磁线圈。

5、根据权利要求4所述装置的用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、将工件置于托盘7上，将真空室内空气抽空，使真空室内的压强为1-5×10^-4Pa；

(2)、转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(3)、开启离子源，离子源对准工件，对工件表面进行溅射清洗和活化，工作气压0.05-0.1Pa，阳极电压为50-100V，阳极电流为0.5-1A，清洗时间为5-20分钟后停止；

(4)、在离子源清洗样品的同时，对磁控溅射靶表面进行预溅射清洗，在清洗磁控溅射靶的过程中，用挡板挡住磁控溅射靶表面，以防止溅射时粒子沉积到工件上，清洗时，磁控溅射靶功率为50-100W，清洗时间为5-20分钟后停止；

(5)、工件和磁控溅射靶清洗后，进行辅助沉积薄膜过程。

6、根据权利要求5所述用于表面防护的离子束辅助磁控溅射沉积方法，其特征在于：所述辅助沉积薄膜过程包括以下步骤：

(6)、将真空室内的工作气压调至0.2-1Pa，将磁控溅射和离子源对准工件，转动底盘和工件托盘，使工件同时实现自转和公转；

(7)、打开磁控溅射源和离子源，将打开磁控溅射靶的功率调至200-400W，离子源阳极电压调至100-200V，阳极电流增加至1-3Pa，辅助沉积薄膜时间为60-120分钟后停止。

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