CN107723674A - 一种离子源辅助高功率脉冲磁控溅射沉积装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括：真空腔室；设置在真空腔室内由偏压电源供电的用于承载和转动工件的工件转架；与真空腔室连接的真空泵；设置在真空腔室内璧安装的离子源枪、与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪、分布设置在第一磁控溅射靶枪两侧相向设置并与第一磁控溅射靶枪的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪；其中，离子源枪与第一磁控溅射靶枪在真空腔室内壁相向设置。通过在真空腔室内相向设置离子源枪与第一磁控溅射靶枪，由高功率脉冲磁控溅射电源连接的第一磁控溅射靶枪提供较高的离化金属离子，线性离子源提供较高的离化气体离子，两者共同作用提高了系统的离化率。

Description

一种离子源辅助高功率脉冲磁控溅射沉积装置
技术领域
本发明涉及物理气相沉积技术领域，特别是涉及一种离子源辅助高功率脉冲磁控溅射沉积装置。
背景技术
磁控溅射是物理气相沉积一种，在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速溅射的过程。但是，传统磁控溅射的金属离化率一般低于10％，溅射粒子大多以原子状态存在。由于控制和影响入射粒子荷能状态和空间分布的手段主要是电、磁场，因此，提高等离子体离化率，使中性不可控粒子转变为带电离子，将有利于精确控制成膜过程，从而获得高品质致密薄膜。高功率脉冲磁控溅射技术可以弥补这一缺点。
1999年，瑞典V.Kouznetsov等人提出高功率脉冲磁控溅射技术，利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高的溅射材料离化率。它的峰值功率是普通磁控溅射的100倍，约为1000～3000W/cm2，等离子体密度可大于1018m-3数量级，溅射材料离化率最高可达90％以上。但是，由于靶电位较低，金属在离化之后被大量的吸回，导致薄膜沉积速率大大降低，约为普通磁控溅射的20％～30％。
发明内容
本发明的目的是提供了一种离子源辅助高功率脉冲磁控溅射沉积装置，提高沉积速率的同时获得致密薄膜。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括：
真空腔室；
设置在所述真空腔室内由偏压电源供电的用于承载和转动工件的工件转架；
与所述真空腔室连接的真空泵；
设置在所述真空腔室内璧安装的离子源枪、与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪、分布设置在所述第一磁控溅射靶枪两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪；
其中，所述离子源枪与所述第一磁控溅射靶枪在所述真空腔室内壁相向设置。
其中，所述第二磁控溅射靶枪与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角为80°～100°。
其中，所述离子源枪的离子源为热丝离子源。
其中，所述热丝离子源为钨丝离子源。
其中，所述离子源为线形离子源。
其中，所述线形离子源为矩形阳极层线形离子源。
其中，与所述第二磁控溅射靶枪连接的电源为直流磁控溅射电源、脉冲磁控溅射电源或中频磁控溅射电源。
其中，所述偏压电源为直流电源或直流脉冲偏压电源。
其中，所述第一磁控溅射靶枪的数量为多个，多个与所述高功率脉冲磁控溅射电源连接的所述第一磁控溅射靶枪为线性排列的圆盘型靶枪，所述第二磁控溅射靶枪为矩形平面磁控靶枪。
其中，所述圆盘型靶枪为靶面直径80mm～90mm，纯度大于等于99.995％的Cr圆盘型靶枪。
本发明实施例所提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明实施例提供离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，通过在真空腔室内相向设置离子源枪与第一磁控溅射靶枪，由高功率脉冲磁控溅射电源连接的第一磁控溅射靶枪提供较高的离化金属离子，线性离子源提供较高的离化气体离子，两者共同作用提高了系统的离化率。同时，通过分布设置在所述第一磁控溅射靶枪两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪，使得高功率脉冲磁控溅射与普通磁控溅射相结合，发挥二者的优势，在提高沉积速率的同时，获得致密薄膜。此外，第一磁控溅射靶枪与离子源枪位置相向配置，使得高速沉积化合物薄膜成为可能，这种位置分布设计，使得溅射过程与反应过程相分离，第一磁控溅射靶枪可以在金属模式下高速沉积，沉积薄膜经过离子源枪时，离化的气体离子在生长金属薄膜表面与金属原子发生化学反应，形成化合物薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置的结构示意图。
在一种具体实施方式中，所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括：
真空腔室1；
设置在所述真空腔室1内由偏压电源供电的用于承载和转动工件的工件转架2；
与所述真空腔室1连接的真空泵3；
设置在所述真空腔室1内璧安装的离子源枪4、与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5、分布设置在所述第一磁控溅射靶枪5两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪5的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪6；
其中，所述离子源枪4与所述第一磁控溅射靶枪5在所述真空腔室1内壁相向设置。
本发明实施例提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，通过在真空腔室1内相向设置离子源枪4与第一磁控溅射靶枪5，由于高功率脉冲磁控溅射电源连接的第一磁控溅射靶枪5能够提供较高的离化金属离子，线性离子源提供较高的离化气体离子，两者共同作用提高了系统的离化率。同时，通过分布设置在所述第一磁控溅射靶枪5两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪5的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪6，使得高功率脉冲磁控溅射与普通磁控溅射相结合，发挥二者的优势，在提高沉积速率的同时，获得致密薄膜。此外，第一磁控溅射靶枪5与离子源枪4位置相向配置，使得高速沉积化合物薄膜成为可能，这种位置分布设计，使得溅射过程与反应过程相分离，第一磁控溅射靶枪5可以在金属模式下高速沉积，沉积薄膜经过离子源枪4时，离化的气体离子在生长金属薄膜表面与金属原子发生化学反应，形成化合物薄膜。
本发明对于所述第二磁控溅射靶枪6与所述第一磁控溅射靶枪5的连线的夹角不做具体限定，所述第二磁控溅射靶枪6与所述第一磁控溅射靶枪5的连线的夹角一般为80°～100°。优选的，所述第二磁控溅射靶枪6与所述第一磁控溅射靶枪5的连线的夹角为90°，形成了以第一磁控溅射靶枪5为直角顶点的直角三角形，使得高速沉积化合物薄膜成为可能，提高了沉积效率和质量。
为了进一步在满足气体离化率的同时，降低沉积装置的制造成本，所述离子源枪4的离子源为热丝离子源。
而对于热丝离子源的离子产生类型不做限定，所述热丝离子源为钨丝离子源，或者是其它材质的离子源。
所述离子源除了可以为热丝离子源，还可以是其它形式的离子源，本发明对于离子源的形状和结构不做限定，在一实施例中，所述离子源一般为线形离子源。
优选的，所述离子源为矩形阳极层线形离子源，矩形阳极层线形离子源具有结构简单不易损坏的优点。
阳极层离子源中电子在电磁场的作用下，形成环形的霍尔电流,从而增加了电子与中性气体分子或原子的碰撞几率，提高了气体的离化率。在阳极表面附近区域由于电子和中性气体碰撞电离形成了等离子体。其中，离子在阳极和阴极电势差以及交叉电磁场所形成的霍尔电流的共同加速下从离子源下游引出。由于离子的产生和加速发生在阳极附近的一个狭小的区域(在一条环形长方形或圆形窄缝中施加强磁场，在阳极作用下使工作气体离子化并射向工件)，所以把这种离子源叫做阳极层。阳极层离子源结构比较简单，不需要电子发射器和栅极，所以很好地适合于工业应用。在阳极层离子源中离子的加速是在电子本底中进行的,不存在空间电荷限制，因而可获得很大的离子流。从离子源引出的离子具有离子束发散角大、离子束流密度高等特点，因而使其更利于刻蚀、预清洗和离子束辅助镀膜等的需要，在薄膜沉积中有利于提高沉积速率。
本发明中的第二磁控溅射靶枪6为普通的磁控溅射靶枪，与高功率脉冲的第一磁控溅射靶枪5组合工作，而对于第二磁控溅射靶枪6的控制电源不做限定，与所述第二磁控溅射靶枪6连接的电源可以为直流磁控溅射电源，即连续稳定电流工作的直流磁控电源，也可以是脉冲磁控溅射电源，还可以是中频磁控溅射电源。
由于在薄膜沉积过程中，工件与第一磁控溅射靶枪5、第二磁控溅射靶枪6的相对位置不变，可能会形成工件薄膜的沉积不均匀，沉积质量不好，因此在沉积过程中，需要工件与溅射靶枪进行相对运动，由于真空腔室1一般是固定的，因此一般为控制工件转架2进行转动，本发明对于控制方式不做具体限定。
本发明中对于第一磁控溅射靶枪5的数量不做限定，一般为控制沉积精度，第一磁控溅射靶枪5的数量为多个，在一个实施例中，多个与所述高功率脉冲磁控溅射电源连接的所述第一磁控溅射靶枪5为线性排列的圆盘型靶枪，相应的这些圆盘型磁控溅射靶枪成线性排布，相邻之间的间距相等，本发明对于相邻的圆盘型磁控溅射靶枪的间距不做具体限定。
而在另一个实施例中，所述第二磁控溅射靶枪6为矩形平面磁控靶枪。
而对于圆盘型靶枪的尺寸、材质，本发明不做具体限定，需要根据真空腔室1的尺寸、薄膜沉积速度以及薄膜沉积厚度和薄膜类型进行形影相应的设计，所述圆盘型靶枪为靶面直径80mm～90mm，纯度大于等于99.995％的Cr圆盘型靶枪。
实施例1：
一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括由偏压电源供电的工件转架2、与真空泵3相联的真空腔室1、真空腔室1内璧安装的靶枪，所述靶枪包括磁控溅射靶枪与离子源枪4，其中与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5与线形离子源相向配置；其余两套第二磁控溅射靶枪6相向配置；与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5与其余磁控溅射靶枪呈九十度分布。所述与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的磁控溅射靶枪，为呈线形排列的小圆盘型靶枪，每个小圆盘型靶枪分别与独立的高功率脉冲磁控溅射电源相连接，所述其余两套第二磁控溅射靶枪6，与其相连接的电源为直流磁控溅射电源，所述离子源为矩形阳极层线形离子源，所述偏压电源为直流电源或直流脉冲偏压电源。
实施例2：
一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括由偏压电源供电的工件转架2、与真空泵3相联的真空腔室1、真空腔室1内璧安装的各种靶枪，所述靶枪包括磁控溅射靶枪与离子源枪4，其中与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5与线形离子源相向配置；其余两套第二磁控溅射靶枪6相向配置；与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5与其余第二磁控溅射靶枪6呈九十度分布。与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5为矩形平面靶枪，其余的两套第二磁控溅射靶枪6，与其相连接的电源为直流磁控溅射电源，所述离子源是热丝离子源，通常为钨丝，偏压电源为直流电源或直流脉冲偏压电源。
实施例3：
一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，包括由偏压电源供电的工件转架2、与真空泵3相联的真空腔室1、真空腔室1内璧安装的各种靶枪，所述靶枪包括磁控溅射靶枪与离子源枪4，其中与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5与线形离子源相向配置；其余两套第二磁控溅射靶枪6相向配置；与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的磁控溅射靶枪与其余磁控溅射靶枪呈九十度分布。与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪5为矩形平面靶枪，所述其余两套第二磁控溅射靶枪6，与其相连接的电源为直流磁控溅射电源，所述离子源为矩形阳极层线形离子源，偏压电源为直流电源或直流脉冲偏压电源。
采用本发明的一个实施例提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置进行快速沉积制备致密CrN纳米薄膜，其处理过程及结合层沉积工艺参数如下：
(1)待镀工件经过碱液脱脂、纯水漂洗、脱水和热风(120℃)烘干，去除工件上的锈迹、油渍等污迹；
(2)把经过工序(1)处理的待镀工件放入真空腔室内；
(3)真空腔室抽真空，并同时加热真空腔室。保持加热温度在500℃，当真空腔室的真空度优于5×10-4Pa后，调节真空腔室温度并稳定在450℃；
(4)真空腔室通入氩气，开启偏压电源，设置偏压值为-1500V，对待镀工件进行等离子体辉光清洗45分钟，其中偏压电源可以为直流电源或者直流脉冲电源，优选为直流脉冲电源；
(5)结合层采用磁控溅射方法制备：首先，采用磁控溅射方法沉积一层Cr金属结合层，该结合层厚度为0.1微米；沉积过程中偏压电源设置为-120V，偏压电源可以为直流电源或者直流脉冲电源；
(6)与单个小圆盘靶枪(靶面直径80毫米，靶材为金属Cr，纯度99.995％)相连接的高功率脉冲磁控溅射电源工作电压650V，工作电流3.5A，占空比5％，频率500Hz；
(7)其他矩形平面磁控溅射靶枪，安装靶材为金属Cr，纯度99.995％功率密度6W/cm2；
(8)热丝离子源采用钨丝，施加交流电源(电压20～30V，电流40～45A)，并在钨丝和真空腔壁之间加载直流放电电压(-120V，真空腔壁接地，钨丝上为恒定负偏压)；
(9)工件转架施加直流脉冲偏压-100V，占空比70％；镀膜温度450℃，镀膜过程中真空度保持在0.7Pa，沉积时间60分钟；
(10)沉积结束后，待降至室温取出镀件。
采用本装置制备的CrN薄膜，与采用传统直流磁控溅射制备的薄膜相比，更致密、缺陷少，并能够打破薄膜的柱状晶生长。
综上所述，本发明实施例提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，通过在真空腔室内相向设置离子源枪与第一磁控溅射靶枪，由高功率脉冲磁控溅射电源连接的第一磁控溅射靶枪提供较高的离化金属离子，线性离子源提供较高的离化气体离子，两者共同作用提高了系统的离化率。同时，通过分布设置在所述第一磁控溅射靶枪两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪，使得高功率脉冲磁控溅射与普通磁控溅射相结合，发挥二者的优势，在提高沉积速率的同时，获得致密薄膜。此外，第一磁控溅射靶枪与离子源枪位置相向配置，使得高速沉积化合物薄膜成为可能，这种位置分布设计，使得溅射过程与反应过程相分离，第一磁控溅射靶枪可以在金属模式下高速沉积，沉积薄膜经过离子源枪时，离化的气体离子在生长金属薄膜表面与金属原子发生化学反应，形成化合物薄膜。
以上对本发明所提供的离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，包括：
真空腔室；
设置在所述真空腔室内由偏压电源供电的用于承载和转动工件的工件转架；
与所述真空腔室连接的真空泵；
设置在所述真空腔室内璧安装的离子源枪、与高功率脉冲磁控溅射电源相连接的第一磁控溅射靶枪、分布设置在所述第一磁控溅射靶枪两侧相向设置并与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角成预定角度的第二磁控溅射靶枪；
其中，所述离子源枪与所述第一磁控溅射靶枪在所述真空腔室内壁相向设置。
2.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述第二磁控溅射靶枪与所述第一磁控溅射靶枪的连线的夹角为80°～100°。
3.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述离子源枪的离子源为热丝离子源。
4.如权利要求3所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述热丝离子源为钨丝离子源。
5.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述离子源为线形离子源。
6.如权利要求5所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述线形离子源为矩形阳极层线形离子源。
7.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，与所述第二磁控溅射靶枪连接的电源为直流磁控溅射电源、脉冲磁控溅射电源或中频磁控溅射电源。
8.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述偏压电源为直流电源或直流脉冲偏压电源。
9.如权利要求1所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述第一磁控溅射靶枪的数量为多个，多个与所述高功率脉冲磁控溅射电源连接的所述第一磁控溅射靶枪为线性排列的圆盘型靶枪，所述第二磁控溅射靶枪为矩形平面磁控靶枪。
10.如权利要求9所述离子源辅助高功率脉冲复合磁控溅射沉积装置，其特征在于，所述圆盘型靶枪为靶面直径80mm～90mm，纯度大于等于99.995％的Cr圆盘型靶枪。
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