CN104846343A - 一种溅射用辉光放电发生方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溅射用辉光放电发生方法与装置，属于光电功能材料制造方法及装置领域。基于传统设备使用方法，在工作气体气路安装辅助气路，阀门控制辅助气路的流量，实现生长室内氩气压强的快速转变，简化并加快辉光放电发生过程，达到节省气源（氩气）、提高效率、提高实验操作精度等目的。有益效果是对于工作气体用量快速方便的控制可以有效地减少原材料的消耗，降低制造成本；辅助气路操作简单、便于控制，简化了辉光放电发生过程的操作工艺。

Description

一种溅射用辉光放电发生方法与装置

技术领域

本发明属于光电功能材料制造方法及装置领域。

背景技术

溅射是物理气相沉积（PVD）薄膜制备技术的一种，是利用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时，发生表面原子或分子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子或分子获得动能而从表面逸出，并淀积在衬底材料上的过程。

辉光放电是溅射的基础，形成辉光放电的关键是击穿电压（起辉电压）。巴邢（Paschen）定律表明：在气体成分和电极材料一定的条件下，击穿电压只与气体压强和电极距离的乘积有关。为了减少气体对于薄膜的污染，也为了降低溅射粒子在飞行过程中的能量损失，在溅射过程中，一般都要求较低气压工作。在电极距离小的电极结构中，经常需要瞬时增加气体压强，以启动放电。

溅射设备操作方法简单，适用面广，价格低，使用方便，是材料领域，尤其是半导体材料生成、合成领域最常用的一种设备。当前在溅射中一般选用氩气作为工作气体，利用氩气的辉光放电形式进行工作。

溅射设备常规使用方法如下：其气路简图见图1，

（1）打开系统应急开关，打开水冷装置电源，系统通电；

（2）打开氮气气路开关1’及氮气气路流量控制器2’，充氮气升高生长室3’内压强，到常压；

（3）打开生长室门4’，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门4’；

（4）设定生长温度，打开机械泵抽真空至1×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5×10^-4Torr，打开升温装置电源开关，升温；

（5）待真空抽至5×10^-6Torr，打开氩气气路开关5’及氩气气路流量控制器6’，充氩气进入生长室3’，保持生长室3’氩气压强1×10^-3Torr量级；

（6）设定材料生长速度、生长时间、材料（特性）值、溅射功率等；

（7）设定生长室3’内材料生长所需气体压强条件；

（8）升高氩气在生长室3’压强至1×10^-2Torr量级以上，系统溅射装置开始工作；

（9）待辉光放电开始，降低氩气流量至生长所需压强条件10^-3Torr量级；

（10）打开生长所需其它气体，如氧气，开关7’及氧气气路流量控制器8’，开始材料生长。

这一过程中，为使辉光放电发生，氩气在生长室内的压强要从较低压强条件下（10^-3Torr量级），升至10^-2Torr量级以上；辉光放电发生后，又要从10^-2Torr量级以上调整回材料生长所需压强条件（10^-3Torr量级），工艺操作复杂，调整过程增加了材料生长过程时间，消耗了能源与源材料。

如果可以实现工作气体（一般为氩气）在生长室内压强的迅速增加，使工作气体快速达到辉光放电发生所需压强条件（10^-2Torr量级以上），辉光放电快速发生，并且能够在辉光放电发生之后工作气体（氩气）在生长室内的分压迅速降低到薄膜生长所需分压条件，就能够达到节约原材料，减少工作气体（氩气）用量，减少薄膜生长过程中的污染，提高薄膜生长效率与成膜质量，实现更低成本、更高质量薄膜的生长与器件制备。

发明内容

本发明提供一种溅射用辉光放电发生方法与装置，以解决工作气体控制过程复杂，调整过程增加了材料生长过程时间，消耗了能源与源材料的问题。

本发明采取的技术方案是：一种溅射用辉光放电发生装置，结构是：包括生长室和生长室门，氮气气路开关和氮气气路流量控制器在与生长室连接的氮气管路上，氩气气路开关和氩气气路流量控制器在与生长室连接的氩气管路上，其它气体开关及该气体气路流量控制器在与生长室连接的该气体管路上，氩气辅气路与氩气管路并联、且两个并联处位于氩气气路开关和氩气气路流量控制器两侧，在该氩气辅气路上有氩气辅气路开关，针状开关。

包括下列步骤：

（1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关及氮气气路流量控制器，充氮气升高生长室内压强，到常压；

（3）打开生长室门，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门；

（4）设定生长温度，打开机械泵抽真空至1×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5×10^-4Torr，打开升温装置电源开关，升温；

（5）待真空抽至5×10^-6Torr，打开氩气气路开关及氩气气路流量控制器，充氩气进入生长室，保持生长室氩气压强1×10^-3Torr量级；

（6）依据实验方案来进行材料参数的设定，如生长速度，生长时间，材料特性值、溅射功率；

（7）设定生长室内材料生长所需气体压强条件，包括氩气、氧气在生长室内的具体分压；

（8）打开射频装置开关，打开氩气辅气路开关，针状开关已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，关掉氩气辅气路开关，等待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件10^-3Torr量级；

（10）打开生长所需其它气体开关及该气体气路流量控制器，开始材料生长。

本发明基于传统设备使用方法，在工作气体气路（氩气）安装辅助气路，阀门控制辅助气路的流量，实现生长室内氩气压强的快速转变，简化并加快辉光放电发生过程，达到节省气源（氩气）、提高效率、提高实验操作精度等目的。

本发明装置的使用实现了工作气体（氩气）流量的快速控制。在不调整生长所需设定的气体流量条件下，通过打开工作气体辅气路，瞬间加大气体流量，产生辉光放电；辉光放电发生后关闭辅助气路，工作气体重新回到溅射生长工作所需要的设定气体流量值，开始溅射工作。此发明在不改变溅射设备性能的条件下，改变了传统辉光放电发生模式，简化了操作工艺过程，降低了源材料与能源消耗，减少了薄膜生长过程中的污染，提高了工作效率与成膜质量。

有益效果是对于工作气体用量快速方便的控制可以有效地减少原材料的消耗，降低制造成本；辅助气路操作简单、便于控制，简化了辉光放电发生过程的操作工艺。

附图说明

图1是传统溅射设备气路示意图；

图2是本发明氩气气路示意图。

具体实施方式

一种溅射用辉光放电发生装置，结构是：包括生长室3和生长室门4，氮气气路开关1和氮气气路流量控制器2在与生长室3连接的氮气管路11上，氩气气路开关5和氩气气路流量控制器6在与生长室3连接的氩气管路12上，其它气体开关7及该气体气路流量控制器8在与生长室3连接的该气体管路13上，氩气辅气路14与氩气管路12并联、且两个并联处位于氩气气路开关5和氩气气路流量控制器6两侧，在该氩气辅气路14上有氩气辅气路开关9，针状开关10。

实施例1

采取直流磁控溅射铝（Al）靶材

 （1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关1及氮气气路流量控制器2，充氮气升高生长室3内压强，到常压；

（3）打开生长室门4，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门4；

（4）设定生长温度100℃，打开机械泵抽真空至1.0×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5.0×10^-4 Torr，打开升温装置电源开关，升温至100℃；

（5）待真空抽至5.0×10^-6Torr，打开氩气气路开关5及氩气气路流量控制器6，充氩气进入生长室3，保持生长室3氩气压强1×10^-3Torr量级；

 （6）依据实验方案设定材料生长速度1埃/秒、生长时间1800s、材料为铝（Al）靶材、溅射功率110W；

（7）设定生长室3内材料生长所需气体压强条件8.0×10^-3Torr，氩气、氧气在生长室3内的具体分压4.5×10^-3Torr、氧气3.0×10^-3Torr；

（8）待以上工作完成之后，打开辉光放电电源开关，打开氩气辅气路开关9，针状开关10已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，关掉氩气辅气路开关9，待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件3.0×10^-3 Torr；

（10）打开生长所需氧气气路开关7及氧气气路流量控制器8，待生长室3压强稳定在8.0×10^-3Torr，开始材料生长。

实施例2

采取直流磁控溅射铝（Al）靶材

 （1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关1及氮气气路流量控制器2，充氮气升高生长室3内压强，到常压；

（3）打开生长室门4，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门4；

（4）设定生长温度150℃，打开机械泵抽真空至1.0×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5.0×10^-4 Torr，打开升温装置电源开关，升温至150℃；

（5）待真空抽至5.0×10^-6Torr，打开氩气气路开关5及氩气气路流量控制器6，充氩气进入生长室3，保持生长室3氩气压强1×10^-3Torr量级，至分子泵转速稳定在低速状态；

（6）依据实验方案设定材料生长速度1埃/秒、生长时间1800s、材料为铝（Al）靶材、溅射功率125W；

（7）设定生长室3内材料生长所需气体压强条件8.0×10^-3Torr，氩气、氧气在生长室3内的具体分压4.5×10^-3Torr、氧气3.0×10^-3Torr；

（8）待以上工作完成之后，打开辉光放电电源开关，打开氩气辅气路开关9，针状开关10已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，关掉氩气辅气路开关9，待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件（3.0×10^-3 Torr）；

（10）打开生长所需氧气气路开关7及氧气气路流量控制器8，待生长室压强稳定在8.0×10^-3Torr，开始材料生长。

实施例3

采用射频磁控溅射氧化锌（ZnO）陶瓷靶材

 （1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关1及氮气气路流量控制器2，充氮气升高生长室3内压强，到常压；

（3）打开生长室门4，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门4；

（4）设定生长温度120℃，打开机械泵抽真空至1.0×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5.0×10^-4Torr，打开升温装置电源开关，升温至120℃；

（5）待真空抽至5.0×10^-6Torr，打开氩气气路开关5及氩气气路流量控制器6，充氩气进入生长室3，保持生长室3氩气压强1×10^-3Torr量级；

（6）依据实验方案设定材料生长速度1埃/秒、生长时间1800s、材料为氧化锌（ZnO）靶材、溅射功率100W；

（7）设定生长室3内材料生长所需气体压强条件8.5×10^-3Torr，氩气在生长室3内的具体分压3.5×10^-3Torr、氧气2×10^-3Torr；

（8）待以上工作完成之后，打开辉光放电电源开关，迅速打开氩气辅气路开关9，针状开关10已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，迅速关掉氩气辅气路开关9，待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件（3.5×10^-3Torr）；

（10）打开生长所需氧气气路开关7及氧气气路流量控制器8，待生长室压强稳定在8.5×10^-3Torr，开始材料生长。

实施例4

采用射频磁控溅射氧化锌（ZnO）陶瓷靶材

（1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关1及氮气气路流量控制器2，充氮气升高生长室3内压强，到常压；

（3）打开生长室门4，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门4；

（4）设定生长温度100℃，打开机械泵抽真空至1.0×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5.0×10^-4Torr，打开升温装置电源开关，升温至100℃；

（5）待真空抽至5.0×10^-6Torr，打开氩气气路开关5及氩气气路流量控制器6，充氩气进入生长室3，保持生长室3氩气压强1×10^-3Torr量级；

（6）依据实验方案设定材料生长速度1埃/秒、生长时间1800s、材料为氧化锌（ZnO）靶材、溅射功率120W；

（7）设定生长室3内材料生长所需气体压强条件8.5×10^-3Torr，氩气在生长室3内的具体分压3.5×10^-3Torr、氧气2×10^-3Torr；

（8）待以上工作完成之后，打开辉光放电电源开关，打开氩气辅气路开关9，针状开关10已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，关掉氩气辅气路开关9，待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件（3.5×10^-3Torr）；

（10）打开生长所需氧气气路开关7及氧气气路流量控制器8，待生长室压强稳定在8.5×10^-3Torr，开始材料生长。

Claims (2)

1.一种溅射用辉光放电发生装置，包括生长室和生长室门，氮气气路开关和氮气气路流量控制器在与生长室连接的氮气管路上，氩气气路开关和氩气气路流量控制器在与生长室连接的氩气管路上，其它气体开关及该气体气路流量控制器在与生长室连接的该气体管路上，其特征在于：氩气辅气路与氩气管路并联、且两个并联处位于氩气气路开关和氩气气路流量控制器两侧，在该氩气辅气路上有氩气辅气路开关，针状开关。

2.一种溅射用辉光放电发生方法：包括下列步骤：

（1）打开总电源开关，系统通电，打开水冷装置电源；

（2）打开氮气气路开关及氮气气路流量控制器，充氮气升高生长室内压强，到常压；

（3）打开生长室门，取出托盘，放置样品后，关闭生长室门；

（4）设定生长温度，打开机械泵抽真空至1×10^-3Torr，打开分子泵抽真空至5×10^-4Torr，打开升温装置电源开关，升温；

（5）待真空抽至5×10^-6Torr，打开氩气气路开关及氩气气路流量控制器，充氩气进入生长室，保持生长室氩气压强1×10^-3Torr量级；

（6）依据实验方案来进行材料参数的设定，如生长速度，生长时间，材料特性值、溅射功率；

（7）设定生长室内材料生长所需气体压强条件，包括氩气、氧气在生长室内的具体分压；

（8）打开射频装置开关，打开氩气辅气路开关，针状开关已开且保持在常开状态；

（9）待气体发生辉光放电后，关掉氩气辅气路开关，等待生长室内氩气分压稳定在设定压强条件10^-3Torr量级；

（10）打开生长所需其它气体开关及该气体气路流量控制器，开始材料生长。