CN1017354B - 用离子束反应溅射方法成膜的装置 - Google Patents

Abstract

用离子束反应溅射成膜的装置，主要用于制作多成份膜和多成份多层膜。本发明在装置的靶室中设有2～4个溅射离子源，果用聚集离子源，以基片为中心分布于基片周围。每个离子源前方相应有一组装置有4块不同材料的靶片的转动靶。对着基片设有一个用于辐照基片的无灯丝阳极辐照离子源，如用高频离子源。

2～4个溅射离子源与每组有4种材料的靶配合，能作出每个周期厚度内有4层，每层成份完全不重复的结构可调多层膜。辐照离子源能长期工作于反应气体中。

Description

本发明属于用多束离子反应溅射制作多成份膜和多成份多层膜的装置。

日本《应用物理》1986年第56卷第2号P119～120记载了一种目前最先进的离子束反应溅射成膜的装置。该装置在靶室内有一个溅射离子源和一组靶。离子源产生的离子束轰击一种材料的靶，靶片上溅射出的物质沉积在基片上形成薄膜。另外还有一个与溅射离子源同类型的辐照离子源用于辐照基片。该装置的最大缺陷是在同一基片上只能制作每层只含一种靶材成份的膜，或最多再嵌入另一种材料;如用多成份化合物作靶材，则不能精确控制各成份比例，因而大大限制了制作薄膜的种类，特别不适宜制作成份复杂的多成份膜和多成份多层膜。辐照离子源中由于有灯丝阴极，将带来灯丝材料的杂离子污染。更重要的是灯丝在反应气体中会被腐蚀，因而不能通进反应气体，或仅能混入很少量（10^-2帕），即使这样也会缩短离子源寿命，一般只有几十个小时，降低了装置的可靠性及使用价值。

本发明的目的是为了克服以上缺陷，提供一种用多束离子反应溅射方法制作成份复杂的多成份膜和多成份多层膜，易于精确控制各成分比例，辐射离子源能直接通入反应气体，可靠性高的装置。

本发明的目的是这样实现的，在装置的靶室中设置2～4个溅射离子源，一般采用气体离子源，以基片为中心分布于基片周围。在每个离子源沿束流射出的前方相应设有一组转动靶。转动靶的横截面为矩形。每组靶上固定有数块靶片，可以用不同材料做成，如金属、绝缘体、半导体或有机材料，对着基片设有一个用于辐照基片的无灯丝阴极的辐照离子源，它可以通入溅射气体，更主要是能通入反应气体。

装置用2～4个或其中几个溅射离子源产生的离子束同时轰击相对应的一组转动靶上的靶片，分别控制各离子束的参数，不同材料靶片上溅射出的物质混合沉积的基片上形成预定成份比例的多成份膜。作好一层膜后，根据需要转动靶，改变各组靶的组合方式，制作多成份多层膜。用辐照离子源在成膜前辐照基片，可清除基片表面的杂质;在成膜时通入反应气体产生的离子束辐照基片，发生反应溅射，达到增加化学反应几率，改善膜的性能，如增加膜的附着强度、密度等效果。本发明特别适合制作多成份结构可调多层膜，无灯丝阴极的辐照离子源能长期工作在反应气体中，提高了装置的使用寿命及可靠性。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构实施例。

图1是用离子束反应溅射方法成膜的装置结构原理图。

图2是转动靶剖面图。

图3是高频离子源结构剖面图。

图1中表示出本发明包含有靶室（1），与靶室相连有真空系统（2）、供气系统（4）、（5）和冷阱（3）。靶室用不锈钢制造。真空系统可使靶室内达到本底真空10^-5～10^-6帕;工作真空10^-2～10^-3帕。供气系统可以通过辐照离子源（6），也可以由经通道（7）将溅射气体或反应气体送入靶室内。一般用Ar气作溅射气体;用O₂、N₂、H₂或CH₄作反应气体。靶室内安装有转动工作台 （8），制膜时工作台作匀速转动，使靶上溅射出的物质能均匀地沉积在基片（10）上。工作台与基片之间有对基片加热的加温板（9）。基片前方设有档板（11），制膜时将档板移开。

本发明在靶室中可安装2～4个溅射离子源（12）。具体实施中考虑到适用及减少成本，最佳方案是安装3个溅射离子源（12）。最好采用聚焦离子源，以提高离子源密度和成膜速率。其技术指标为：聚焦束斑φ30mm;能量0.5～2Kev;束流＞150mA;束流强度25mA/cm²。溅射离子源以基片为中心最好均布于基片周围。在各溅射离子源沿束流射出的前方相应设有一组转动靶（13）。图2中表示出转动靶横截面为矩形，4块靶片（a）（b）（c）（d）分别固定在转动靶的外侧面上。可以用金属、半导体、绝缘体或有机材料做靶材，例如：Y、Bi、La、Pb、Si、Ge、Al₂O₃PbTiO₃、BaTiO₃、聚乙烯、聚四氟乙烯。

靶室中对着基片设有一个用于辐射基片的无灯丝阴极的辐照离子源（6），它可以采用高频离子源，也可以采用微波离子源。图3（A）为高频离子源结构剖面图。图3（A）中源体（14）的上端是带电极（17）的放电管（19）。源体外设有磁场线圈（15）。磁场线圈下方是高频振荡线圈（16）。反应气体顺箭头方向进入源体内被离化。形成的离子束经源体下端多孔的屏蔽板（18）和引出极（19）引出。源体、放电管和屏蔽板均可用石英玻璃板做成。引出极一般用溅射系数较小的高溶点材料，如钼做成。较好的方法是如图3（B）所示，在屏蔽板（18）的下方直接溅射上一层金属，如铝或不锈钢作为束流引出极（19），解决了两块多孔板在加工和安装时要求保证同心度的困难，这样就可以获得较好的束流引出效果。引出极可做得较薄，减少了引出极材料的溅射污染。高频离子源的技术指标为：束径φ30mm;能量0.3～2.5Kev;束流5～10mA;束流强度0.5mA/cm²。高频离子源可以使用反应气体，也可以使用溅射气体。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.2～4个溅射离子源与每组有4种材料的靶配合，可以制作出周期厚度内有4层，每层的成份完全不重复的结构可调多层膜。如果在一种靶片中再嵌进其它成份的材料，还可制作成份更为复杂的薄膜。

2.各种溅射离子源的参数可以独立控制，因而能精确控制生成薄膜的各成份比例。

3.所用辐照离子源由于无灯丝阴极，能长期在反应气体中工作（200～300）小时，并可减少灯丝材料带来的杂离子污染，因而从整体上提高了装置的使用寿命和效果。直接在多孔的屏蔽板下面溅射一层金属构成高频离子源的引出极，避免了加工和安装时要保证两块多孔板上圆孔同心度的困难，从而能有效地引出束流，由于引出板可做得较薄，还减少了污染。

4.用反应气体离子束辐照基片，成膜时可使反应气体参与溅射反应提高化学反应几率，提高膜的性能，特别是从辐照离子源引入被离化的反应气体，其效果好于从通道直接将反应气体通至基片附近。

Claims (4)

1、用离子束反应溅射成膜的装置，包括有靶室(1)，与靶室相连接的真空系统(2)、供气系统(4)、(5)和冷阱(3)，靶室中装有转动工作台(8)，工作台与基片(10)之间有加温板(9)，基片前方设有档板(11)，其特征是在靶室内设有2～4个溅射离子源(12)，以基片为中心分布于基片周围，每个溅射离子源沿束流射出的前方相应有一组转动靶(13)；对着基片设有一个无灯丝阳极的辐射离子源(6)。

2、如权利要求1的成膜装置，其特征是所说的转动靶（13）横截面为矩形，外侧面上分别固定有4块靶片（a）（b）（c）（d），靶片的材料可用金属、半导体、绝缘体或有机材料。

3、如权利要求1的成膜装置，其特征是无灯丝阳极离子源为高频离子源，源体（14）上端是带电极（17）的放电管（19），源体外设有磁场线圈（15），磁场线圈下方是高频振荡线圈（16），源体下端有屏蔽板（18）和束流引出极（19）。

4、如权利要求3的成膜装置，其特征是束流引出极（19）直接用金属溅射在屏蔽板（18）的下方。

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