CN109811326A - 利用hipims方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，运用高功率脉冲磁控物理气相沉积方法制备高质量化合物薄膜，利用智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体密度与分布情况、等离子体能量以及各工艺气体的比例变化，自动调控腔体内工艺气体的加入量以及加入量的变化速度，结合HIPIMS技术溅射各类靶材，本发明方法发挥高功率磁控溅射的成膜特点，且通过引入智能监控加气系统，采用适当的工艺可制备性能优良的所需化学计量比的高质量化合物薄膜材料，解决现有的反应溅射镀膜中因靶材表面“毒化”而导致的溅射效率下降，靶材表面“毒化”打火，而成膜质量下降的问题。

Description

利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜 材料的方法

技术领域

本发明涉及一种PVD真空镀膜工艺，特别是涉及一种HIPIMS方法真空镀膜工艺，应用于镀膜工业技术领域和化合物薄膜质量控制技术领域。

背景技术

在近代工程的发展愈来愈多地需要用到各种化合物薄膜，例如光学工业中使用的TiO₂、SiO₂等；薄膜电子工业中使用的ITO透明导电膜；SiO₂、Si₃N₄和Al₂O₃等钝化膜、隔离膜、绝缘膜；建筑玻璃上使用的ZnO、SnO₂、SiO₂等介质膜。另一方面，许多化合物薄膜的推广应用又大大促进了科学技术的发展与产业和产品的更新换代。制备化合物薄膜可以用各种化学气相沉积或物理气相沉积方法。但目前从工业规模大生产的要求来看，物理气相沉积中的反应磁控溅射沉积技术具有明显的优势，因而被广泛应用。

现在的控制系统都采用微机控制系统，采用PLC可编程控制器控制设备,与上位机进行数据传递，这样的系统，不但可以对镀膜设备进行自动控制而使产品达到更高的要求，也能够对系统进行实时监控，在出现特殊情况时进行报警和检查故障。

PVD技术主要是通过通入Ar等惰性气体在电场磁场作用下溅射靶材，根据使用电源的种类不同又分为中频、直流、多弧法，HIPIMS法等，但是制备化合物薄膜材料时通常存在靶材“毒化”的情况，导致沉积速率下降，生产成本增加；同时靶材表面打火现象，致使化合物薄膜的偏离化学计量比的同时薄膜质量下降。

已公开的文献有硕士论文《反应溅射镀膜机的自动控制系统》。该文献中提及到的控制系统是通过PEM等离子体光谱检测靶材的特征光谱与标准谱线做对比，通过电脑控制镀膜工艺。虽然等离子体光谱的能够比较准确的反映靶材的溅射情况，但是其灵敏性严重依赖于靶材元素种类与反应气体的性质，即在实际生产中，当靶材溅射不活泼或者靶材不易“毒化”时，PEM光谱检测到的特征靶材光谱以及气体光谱几无变化，特征信号不敏感，此时电脑的自动控制精度就失去优势，而且单一通过PEM光谱检测特征谱线并不能保证所制备的化合物的所需化合计量比。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用HIPIMS技术结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，解决现有溅射镀膜方法(如直流，中频溅射等PVD方法)制备化合物薄膜材料中因反应气体过量导致的靶材“中毒”而影响薄膜沉积速率以及薄膜质量的问题，通过法拉第杯、残余气体分析仪、示波器设备检测等离子体电流密度及空间分布、等离子体能量和各工艺气体比例变化等敏感信号，反馈于电脑控制端，自动调控腔体内反应气体的流量，维持稳定的等离子体环境，本发明方法可适用于各类反应镀膜中，可以制备所需化学计量比的各类高质量的化合物薄膜材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用HIPIMS技术结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，利用HIPIMS方法溅射镀膜的同时，运用镀膜智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体的状况，实时自动调控工艺气体加入量及其单位时间内工艺气体的变化量，从而调控腔内的等离子体中各物质元素的比例及其浓度，其步骤如下：

a.靶材的预溅射工艺：

将腔体抽真空至所需真空度，通入惰性气体作为工作气体，调节至所需工作压力，利用HIPIMS方法，使用惰性气体粒子轰击所需靶材，对靶材提前预溅射，溅射掉靶材表面污染物，即“洗靶”，在“洗靶”过程中，监测等离子的密度与能量变化和靶材电压变化情况，确定靶材表面清洁状况，直至靶材对应的等离子体密度与能量达到制备化合物薄膜材料的要求，“洗靶”结束，并降温至不高于80℃以下破真空，完成靶材的预溅射工艺；本发明对靶材的预溅射为洗靶工艺，对于表面不清洁的靶材预先进行预溅射，溅射掉表面其他物质，优选此过程中借助监控系统中的法拉第杯与示波器可以确定靶材的表面状况，提高洗靶效果；

b.衬底材料清洗并干燥与预处理工艺：

利用清洁剂对衬底材料清洗3～20分钟，清洗衬底材料表面污渍并干燥，然后用离子源或高偏压轰击衬底材料表面，进行溅射清洁、活化和平坦化预处理；清洁剂采用能除去衬底材料表面污染物的去离子水、有机溶剂、无机溶剂中的任意一种或者任意几种的混合溶剂；进行溅射清洁、活化预处理时，优选衬底材料进行辉光清洁处理；

c.衬底材料表面打底工艺：

根据衬底基材的材质与所镀化合物薄膜材料的种类，采用经过步骤b预处理后的衬底材料，在材料表面的基材表面溅射需要的金属薄膜或非金属薄膜，以及化学成分渐变的梯度化合物复合层，形成过渡层结构，进行衬底材料表面打底；经过预处理后的衬底材料依据衬底的材质与所镀薄膜的种类与性质在衬底材料表面相应的过渡层薄膜材料，过渡层部分包括与衬底性质相近的薄膜材料以及渐变的符合目标化合物薄膜的部分，为后续进行化合物薄膜提供表界面条件；

d.化合物薄膜的制备工艺：

在步骤c完成打底工艺后的衬底材料的过渡层结构表面上，在所需的工艺条件下，利用HIPIMS方法和经过步骤a预溅射工艺的靶材，进行溅射成膜；在化合物薄膜的制备过程中，利用镀膜智能监控加气系统实时监控腔体内等离子体密度及分布、等离子体能量变化、靶材电压的变化情况，经控制电脑分析反馈后，实时调控通入腔体内的反应气体的流量与流速，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的化学计量比的化合物薄膜材料。本发明采用HIPIMS方法溅射镀膜的同时运用智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体的密度及分布和能量状况，实时自动调控工艺气体加入量及其单位时间内工艺气体的变化量，从而达到调控真空腔内的等离子体中各物质元素的比例及其浓度分布与等离子体密度的效果，消除反应溅射镀膜中存在的因靶材表面“毒化”而导致沉积速率、成膜质量下降的问题。

本发明运用HIPIMS方法整合镀膜监控加气系统自动制备化合物薄膜，利用HIPIMS方法，惰性气体粒子轰击各类靶材，同时，通过智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体密度及空间分布、能量的变化以及靶材电压以及溅射情况实时自动调控腔体内工艺气体的加入量以及气体加入量的变化速度，维持腔体内等离子体的环境的稳定，进而控制靶材的正常溅射状态与溅射速率，使靶材粒子与反应气体在衬底上反应，从而制备高质量的符合化学计量比，优化物理气相沉积方法，制备高质量的化合物薄膜。

作为本发明优选的技术方案，在步骤a中，腔体抽真空至适当真空度＜10^-3Pa时，通入惰性气体，调节至所需工作压力，开启HIPIMS电源清洗靶材，根据法拉第杯观测等离子体的能量，确定靶材表面状况，直至等离子体能量达到实验要求，洗靶结束，并降温至80℃以下破真空。

作为本发明优选的技术方案，在步骤b中，对衬底材料进行清洗时，采用超声波清洗方法进行增强处理在各类溶剂中清洗3～20分钟，然后用氮气枪吹干，然后将清洗干燥后的衬底材料放于真空室中，用离子源或者高偏压轰击衬底材料表面，对衬底材料的表面进行清洁与活化。

作为本发明优选的技术方案，在步骤b中，在进行溅射清洁、活化预处理时，控制偏压为100～1000V，腔体内压力为0.1～2.0Pa，轰击时间为5～30min。

作为本发明优选的技术方案，在步骤b中，在进行平坦化预处理时，控制偏压不低于600V，利用HIPIMS电源产生的靶材正离子对衬底材料进行刻蚀处理，满足结合力要求极高的薄膜材料的制备要求。

作为本发明优选的技术方案，在步骤c中，过渡层结构为N种薄膜材料复合层，N为不小于2的自然数，形成具有金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，或者形成具有非金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，进行衬底材料表面打底。

作为本发明优选的技术方案，在步骤c中，打底过程用时3～25min，或者控制偏压选用范围为不大于800V。

作为本发明优选的技术方案，在步骤d中，镀膜智能监控加气系统主要包括控制电脑、若干个法拉第杯、RGA残余气体分析仪、示波器，各信号采集部件通过腔体上预留的盲孔分别与腔体相连接，并通过卡箍密封固定于腔体上，各法拉第杯分别采集腔体内溅射过程中各对应检测位置的等离子体密度，并得出空间密度分布信息，同时检测各位置等离子体能量的变化情况，法拉第探针通过挂杆固定于腔体内，各探针分别检测与靶材表面法线同一平面的近邻挂具各处等离子体的各项数据，同时检测该挂具相邻各挂具相应各点的数据，使采集的位置点构成空间立体图形形式，经电脑处理后，得到腔体内各处等离子体密度、能量以及等离子体密度的空间分布，RGA残余气体分析仪主要监控腔体内工艺气体的比例变化，监控腔体内反应气体的比例变化情况，HIPIMS电源通过接线柱与靶材相连，示波器与电源相连，并实时采集靶材的电压和电流变化曲线数据，将上述采集的信息反馈给控制电脑，当超过设定的数值变化值时，电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使腔体内等离子体的状况维持于动态平衡状态中，维持对靶材的溅射工艺条件，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定，直至完成化合物薄膜的制备工艺过程。

作为本发明优选的技术方案，在步骤d中，控制偏压不大于500V。

作为本发明优选的技术方案，在步骤d中，HIPIMS电源的使用方式为Unipolar双极模式、Bipolar单极模式、DC、MF和偏压中的任意一种使用模式或者任意几种的复合使用模式。HIPIMS电源的使用方式包括但不限于Unipolar单极与Bipolar双极模式的分别使用或者同时使用；同时能包括Bipolar或Unipolar与DC、MF、偏压中任意一种或几种的组合使用，满足多样化的需要。

在步骤d中，打底后的衬底材料表面，通入惰性气体，调节至所需的工作气压，根据衬底与薄膜性能施加负偏压，工作气体经离子源离化或经HIPIMS电源的高电压离化，形成正离子，在电磁场作用下轰击靶材，溅射出相应的靶材粒子，反应气体同样被离化，靶材粒子与反应气体粒子在衬底材料表面上不断形核生长，实现薄膜的沉积生长，在薄膜的整个制备过程中利用法拉第杯与RGA设备实时监控腔体内等离子体体能量与密度分布的变化、各工艺气体的比例占比的变化以及靶电压的变化情况，智能分析反馈后实时调控通入腔体内的反应气体的流量，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的符合化学计量比的高质量的化合物薄膜材料。在薄膜的整个制备过程中利用法拉第杯、RGA残余气体分析仪与示波器设备实时监控腔体内等离子体密度与能量、各气体的比例情况、靶电压的变化情况，及时分析反馈后实时智能调控通入腔体内的反应气体的流量以及流量的变化率，维持镀膜条件的稳定，消除潜在的靶材“毒化”现象。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法对衬底材料首先经过表面的刻蚀处理或轰击清洗处理，目的是去除表面吸附物和氧化层，在表面形成悬挂键，使得到达表面的沉积原子和离子易于与基板材料形成牢固结合，从而提高镀膜对基体的附着强度；

2.本发明方法因HIPIMS方法与智能监控加气系统的整合，该方法成膜质量较传统的PVD方法制备的化合物薄膜质量大幅提升，消除原有的反应溅射镀膜中靶材“中毒”沉积速率下降、靶材表面“打火”、薄膜表面不均匀以及不满足所需化学计量比等问题；

3.本发明方法生产工艺一经确定，无特殊情况无须人工干预，保证产品生产工艺的稳定性，产品可重复生产，提高不同批次产品性能的一致性；

4.本发明方法所溅射气体与HIPIMS电源的使用方式是可选择的，可以解决HIPIMS方法镀膜沉积速率较慢的问题；针对HIPIMS方法沉积速率慢的问题可以采用DC+HIPIMS或MF+HIPIMS或DC+MF+HIPIMS复合方法的一种或几种方法的组合利用；溅射气体不限于使用常见的Ar、Kr、Xe等惰性气体，也可以是几种惰性气体的原子团簇，满足工艺多样化需要。

附图说明

图1为本发明各实施例利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法中所涉及的镀膜过程中的迟滞曲线。

图2为本发明各实施例利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法工艺采用的腔体结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，参见图1和图2，一种利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备AlN化合物薄膜材料的方法，利用HIPIMS方法溅射镀膜的同时，运用镀膜智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体的状况，实时自动调控工艺气体加入量及其单位时间内工艺气体的变化量，从而调控腔内的等离子体中各物质元素的比例及其浓度，其步骤如下：

a.Al靶材的预溅射工艺：

将腔体抽真空至10^-3Pa以下真空度，通入惰性气体作为工作气体，调节至所需工作压力，利用HIPIMS方法，开启HIPIMS电源，使用惰性气体粒子轰击Al靶材，对Al靶材提前预溅射，溅射掉靶材表面污染物，进行洗靶，在洗靶过程中，监测等离子的密度分布与能量变化情况和靶材电压变化，通过示波器的电压电流波形获得靶材电压数据，确定靶材表面清洁状况，直至靶材对应的等离子体密度与能量达到制备化合物薄膜材料的要求，洗靶结束，并降温至不高于80℃以下破真空，完成靶材的预溅射工艺；

b.衬底材料清洗并干燥与预处理工艺：

完成预溅射洗靶并破真空后，采用去离子水、乙醇和丙酮作为清洁剂，利用清洁剂对Si基板衬底材料进行清洗，去除衬底材料表面污渍，并采用超声波清洗方法进行增强清洁处理，立即计时，设定清洗20分钟后进行干燥；然后将衬底材料装入腔体内，执行自动镀膜程序，抽真空至高真空环境，采用辉光清洗衬底材料，并立即计时，设定辉光清洗时间结束后，自动开始下一设定工艺流程，然后用离子源或高偏压轰击衬底材料表面，进行溅射清洁、活化和平坦化预处理；自动抽真空至腔体压力到6×10^-3Pa以下，设定气体流量值，系统自动将设定的气体流量通入至腔体内，使腔体内压力为0.1-1.5Pa，达到工艺要求，施加所设定的偏压为100-500V对衬底材料进行轰击清洗，利用HIPIMS电源产生的靶材正离子对衬底材料进行刻蚀处理，轰击清洗时间为10min～30min；

c.衬底材料表面打底工艺：

按照在规定的时间和步长内，自动通入所设定的镀膜腔内的气体流量，调节至所设定气压值，使气压值范围为0.1Pa～1.5Pa，施加不大于250V偏压，利用HIPIMS方法在Si基板上制备相应的过渡层部分，包含金属层和相应的化学计量比渐变的化合物层，Ti/Al/Al_xN/AlN结构，得到结合力优秀的膜层；使用高功率电源利用惰性气体溅射Al靶材，该过程结束的瞬间，电脑自动控制制备渐变化合物层薄膜过程，在设定的用时与加气速率下通入相应的反应气体N₂流量；根据衬底基材的材质与所镀化合物薄膜材料的种类，采用经过步骤b预处理后的衬底材料，在材料表面的基材表面溅射具有金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，进行衬底材料表面打底，打底过程用时25min，得到具有所需的结构成分的打底层；经过预处理后的Si基板衬底材料依据衬底的材质与所镀AlN薄膜材质，在衬底材料表面相应的Ti/Al/Al_xN/AlN过渡层薄膜材料，过渡层部分包括与Si基板衬底性质相近的薄膜材料以及渐变的符合AlN目标化合物薄膜的部分，为后续进行AlN化合物薄膜提供表界面条件；衬底材料表面打底工艺将经步骤b预处理后的衬底材料依据衬底的材质与所镀薄膜的种类与性质在衬底材料表面相应的过渡层薄膜材料，过渡层部分包括与衬底性质相近的薄膜材料部分以及渐变的符合目标化合物薄膜的部分；

d.化合物薄膜的制备工艺：

在步骤c完成打底工艺后的衬底材料的过渡层结构表面上，在所需的工艺条件下，利用HIPIMS方法和经过步骤a预溅射工艺的靶材，进行溅射成膜；在化合物薄膜的制备过程中，利用镀膜智能监控加气系统实时监控腔体内等离子体密度及分布、等离子体能量变化、靶材电压的变化情况，经控制电脑分析反馈后，实时调控通入腔体内的反应气体的流量与流速，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的化学计量比的化合物薄膜材料。

如图2所示，在进行化合物薄膜的制备工艺过程中，镀膜智能监控加气系统主要包括控制电脑、若干个法拉第杯4、RGA残余气体分析仪3、示波器，各信号采集部件通过腔体上预留的盲孔1分别与腔体6相连接，并通过卡箍密封固定于腔体上，各法拉第杯4分别采集溅射过程中腔体内各对应检测位置的等离子体密度，并得出空间密度分布信息，同时检测各位置等离子体能量的变化情况，法拉第探针通过挂杆固定于腔体6内，各探针分别检测与靶材5表面法线同一平面的近邻挂具61各处等离子体的各项数据，同时检测该挂具相邻各挂具相应各点的数据，使采集的位置点构成空间立体图形形式，经电脑处理后，得到腔体内各处等离子体密度、能量以及等离子体密度的空间分布，RGA残余气体分析仪3主要监控腔体内工艺气体的比例变化情况，HIPIMS电源通过接线柱51与靶材5相连，示波器与电源相连，并实时采集靶材5的电压和电流变化曲线数据，将上述采集的信息反馈给控制电脑，当超过设定的数值变化值时，电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使腔体内等离子体的状况维持于动态平衡状态中，维持对靶材5的溅射工艺条件，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定，直至完成化合物薄膜的制备工艺过程。图1是HIPIMS方法整合镀膜监控加气系统自动调控化合物薄膜化学计量比的方法中所涉及的镀膜过程中的迟滞曲线，A、D点为金属溅射状态点，B点为靶材“毒化”临界点，C点为靶材完全“毒化”点，E点为靶材溅射快速回复临界点。

图1中纵坐标为靶电压或溅射速率，横坐标为反应气体流量，在镀AlN，SiO₂薄膜过程，靶材电压经历单质模式溅射电压到化合物模式溅射电压的变化，单质态对应A—D段，B点是靶材的即将毒化点，即单质模式向化合物模式的转化点，在溅射镀膜中尽量控制靶材的状况，使其始终处于D-B状态。在制备目标化合物AlN阶段控制偏压不大于500V，电脑按照设定调节HIPIMS的占空比3～12.5％，功率1KW～10KW，室温25～450℃的真空腔体内镀膜，此阶段智能监控加气系统将发挥重要作用，通过将系统检测到的各项数据：等离子体的密度及密度空间分布、能量变化、靶材电压的变化、腔体内工艺气体的比例以及靶材电压，电流的波形变化情况，实时反馈给控制电脑，电脑对上述信号进行实时处理，实时判断靶材5表面的溅射状况，当靶材5表面处于即将“毒化”或表面“毒化”的瞬间，即对应图1中B点及以下附近位置，靶材5的溅射速率迅速下降，此时腔体内等离子体的密度、能量、工艺气体比例以及靶电压都会有明显的变化，此时控制电脑将启动修正机制，自动调整通入的反应气体流量与速率，使靶材5迅速回复至B点以上，即使腔体内等离子体的状况维持于D-B动态平衡状态中，保证靶材的正常溅射，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定；镀膜结束后电脑将自动保持整个镀膜过程中的各种工艺数据以及监控系统数据至Excel表格中。

在化合物薄膜的制备工艺步骤中通入惰性气体，调节至所需的工作气压，根据衬底与薄膜性能施加负偏压，工作气体经HIPIMS电源的高电压离化，形成正离子，在电磁场作用下轰击靶材，溅射出相应的靶材粒子，反应气体同样被离化，靶材粒子与反应气体粒子在衬底材料表面上不断形核生长，实现薄膜的沉积生长，在薄膜的整个制备过程中利用法拉第杯与RGA，示波器设备实时监控腔体内等离子体的密度与能量、靶电压的变化情况，智能分析反馈后实时调控通入腔体内的反应气体的流量，维持镀膜过程中等离子体各条件的稳定，从而得到所需的符合化学计量比的高质量的化合物薄膜材料。

在沉积AlN薄膜时，HIPIMS电源的使用方式为Unipolar双极模式、Bipolar单极模式、DC、MF和偏压中的任意一种使用模式或者任意几种的复合使用模式。本实施例能根据需要选择HIPIMS方法的Bipolar双极与Unipolar单极模式的一种或者与DC、MF几种方法复合的模式，采用DC+Bipolar、DC+Unipolar、MF+Unipolar、Bipolar以及DC+MF+HIPIMS，节能制备高质量的符合化学计量比的AlN薄膜材料，提高本实施例制备的AlN薄膜材料的质量。

本实施例制备AlN薄膜材料时提前将所有工艺条件输入至控制电脑，重复生产时可直接调取工艺，所设定的工艺条件包括但不限于镀膜所需的腔体的真空压力值，偏压，转架的转动频率，离子源、靶材的功率，等离子体密度与能量值，靶材电压变化率，镀膜过程中整体以及各阶段的用时，气体流量，每分钟加入气体的流量值，如辉光清洗，打底，制备化合物薄膜各阶段的各种工艺条件的设定，且镀膜过程中工艺操作人员有权修改所设定的工艺参数，但是需验证相应的操作权限，以此满足工艺的多样化需要。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1和图2，一种利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备SiO₂化合物薄膜材料的方法，利用HIPIMS方法溅射镀膜的同时，运用镀膜智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体的状况，实时自动调控工艺气体加入量及其单位时间内工艺气体的变化量，从而调控腔内的等离子体中各物质元素的比例及其浓度，其步骤如下：

a.Si靶材的预溅射工艺：

将腔体抽真空至10^-3Pa以下真空度，通入惰性气体作为工作气体，调节至所需工作压力，利用HIPIMS方法，使用惰性气体粒子轰击Si靶材，对靶材提前预溅射，溅射掉靶材表面污染物，进行洗靶，在洗靶过程中，监测等离子的密度与能量变化情况和靶材电压，确定靶材表面清洁状况，直至靶材对应的等离子体密度与能量达到制备化合物薄膜材料的要求，洗靶结束，并降温至不高于80℃以下破真空，完成靶材的预溅射工艺；

b.衬底材料清洗并干燥与预处理工艺：

完成Si靶材的预溅射洗靶并破真空后，采用去离子水、丙酮和乙醇作为清洁剂，利用清洁剂对Si基板衬底材料进行清洗，去除衬底材料表面污渍，并采用超声波清洗方法进行增强清洁处理，立即计时，设定清洗20分钟后进行干燥；然后将衬底材料装入腔体内，执行自动镀膜程序，抽真空至高真空环境，采用辉光清洗衬底材料，并立即计时，设定辉光清洗时间结束后，自动开始下一设定工艺流程，然后用离子源或高偏压轰击衬底材料表面，进行溅射清洁、活化和平坦化预处理；自动抽真空至腔体压力到7×10^-3Pa以下，设定气体流量值，系统自动将设定的气体流量通入至腔体内，使腔体内压力为0.1-1.5Pa，达到工艺要求，施加所设定的偏压为100-500V对衬底材料进行轰击清洗，利用HIPIMS电源产生的靶材正离子对衬底材料进行刻蚀处理，轰击清洗时间为10min～30min；

c.衬底材料表面打底工艺：

按照在规定的时间和步长内，自动通入所设定的镀膜腔内的气体流量，调节至所设定气压值，使气压值范围为0.1Pa～1.0Pa，施加不大于320V偏压，利用HIPIMS方法在Si基板上制备相应的过渡层部分，包含金属层和相应的化学计量比渐变的化合物层，Si/SiOx/SiO₂结构，得到结合力优秀的膜层；再使用高功率电源利用惰性气体溅射Si靶材，该过程结束的瞬间，电脑自动控制制备渐变化合物层薄膜过程，在设定的用时与加气速率下通入相应的反应气体O₂流量；根据衬底基材的材质与所镀化合物薄膜材料的种类，采用经过步骤b预处理后的衬底材料，在材料表面的基材表面溅射具有非金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，进行衬底材料表面打底，打底过程用时25min，得到具有所需的打底层；经过预处理后的Si基板衬底材料依据衬底的材质与所镀SiO₂薄膜材质，在衬底材料表面相应的Si/SiOx/SiO₂过渡层薄膜材料，过渡层部分包括与Si基板衬底性质相近的薄膜材料以及渐变的符合SiO₂目标化合物薄膜的部分，为后续进行SiO₂化合物薄膜提供表界面条件；

d.化合物薄膜的制备工艺：

在步骤c完成打底工艺后的衬底材料的过渡层结构表面上，在所需的工艺条件下，利用HIPIMS方法和经过步骤a预溅射工艺的靶材，进行溅射成膜；在化合物薄膜的制备过程中，利用镀膜智能监控加气系统实时监控腔体内等离子体密度及分布、等离子体能量变化、靶材电压的变化情况，经控制电脑分析反馈后，实时调控通入腔体内的反应气体的流量与流速，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的化学计量比的化合物薄膜材料。如图2所示，在进行化合物薄膜的制备工艺过程中，镀膜智能监控加气系统主要包括控制电脑、若干个法拉第杯4、RGA残余气体分析仪3、示波器，各信号采集部件通过腔体上预留的盲孔1分别与腔体6相连接，并通过卡箍密封固定于腔体上，各法拉第杯4分别采集腔体内溅射过程中各对应检测位置的等离子体密度，并得出空间密度分布信息，同时检测各位置等离子体能量的变化情况，法拉第探针通过挂杆固定于腔体6内，各探针分别检测与靶材5表面法线同一平面的近邻挂具61各处等离子体的各项数据，同时检测该挂具相邻各挂具相应各点的数据，使采集的位置点构成空间立体图形形式，经电脑处理后，得到腔体内各处等离子体密度、能量以及等离子体密度的空间分布，RGA残余气体分析仪3主要监控腔体内工艺气体的比例变化，监控腔体内反应气体的比例变化情况，HIPIMS电源通过接线柱51与靶材5相连，示波器与电源相连，并实时采集靶材5的电压和电流变化曲线数据，将上述采集的信息反馈给控制电脑，当超过设定的数值变化值时，电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使腔体内等离子体的状况维持于动态平衡状态中，维持对靶材5的溅射工艺条件，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定，直至完成化合物薄膜的制备工艺过程。在制备目标化合物SiO₂阶段控制偏压不大于500V，电脑按照设定调节HIPIMS的占空比3～25.5％，功率1KW～10KW，室温25～300℃的真空腔体内镀膜，此阶段智能监控加气系统将发挥重要作用，通过将系统检测到的各项数据：等离子体的密度及密度空间分布、能量变化、靶材电压的变化率、腔体内工艺气体的比例以及靶材电压，电流的波形变化情况，实时反馈给控制电脑，电脑对上述信号进行实时处理，实时判断靶材5表面的溅射状况，当靶材5表面处于即将“毒化”或表面“毒化”的瞬间，即对应图1中B点及以下附近位置，靶材5的溅射速率迅速下降，此时腔体内等离子体的密度、能量、工艺气体比例以及靶电压都会有明显的变化，此时控制电脑将启动修正机制，自动调整通入的反应气体O₂流量与速率，使靶材5迅速回复至B点以上，即使腔体内等离子体的状况维持于D-B动态平衡状态中，保证靶材的正常溅射，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定；镀膜结束后电脑将自动保持整个镀膜过程中的各种工艺数据以及监控系统数据至Excel表格中。

在步骤c打底后的衬底材料表面，通入惰性气体，调节至所需的工作气压，根据衬底与薄膜性能施加负偏压，工作气体经HIPIMS电源的高电压离化，形成正离子，在电磁场作用下轰击靶材，溅射出相应的靶材粒子，反应气体同样被离化，靶材粒子与反应气体粒子在衬底材料表面上不断形核生长，实现薄膜的沉积生长，在薄膜的整个制备过程中利用法拉第杯与RGA设备实时监控腔体内等离子体的密度与能量、靶电压的变化情况，智能分析反馈后实时调控通入腔体内的反应气体的流量，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的符合化学计量比的高质量的化合物薄膜材料。

步骤d中的智能监控加气系统包括若干法拉第杯4、RGA残余气体分析仪3、示波器、控制电脑。各信号采集部件通过腔体6上预留的盲孔1与腔体6相连接，并通过卡箍密封固定于腔体6上，法拉第杯4采集腔体内靶材与气体的等离子体密度与空间分布、等离子体能量变化情况，RGA残余气体分析仪3主要监控腔体内工艺气体的比例变化，示波器与靶材电源连接，置于腔体外部，利用探针实时抓取靶材5的电压，电流变化，该系统的工作过程为：以上部件将各项信息实时反馈给控制电脑，控制电脑对信号进行处理，实时与实验模型对比，判断靶材实时所处的溅射状态，当等离子体的密度及空间分布、能量、工艺气体比例和电压出现较大变化时，电脑立刻启动修正机制，即靶材溅射过程处于图1中的B点以下状态的瞬间，即靶材在即将毒化时间点，电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使靶材状况迅速回复至图1中D-B阶段，使靶材溅射恢复正常无“毒化”状态。

在沉积SiO₂薄膜时，HIPIMS电源的使用方式为Unipolar双极模式、Bipolar单极模式、DC、MF和偏压中的任意一种使用模式或者任意几种的复合使用模式。本实施例能根据需要选择HIPIMS方法的Bipolar双极与Unipolar单极模式的一种或者与DC、MF几种方法复合的模式，采用DC+Bipolar、DC+Unipolar、MF+Unipolar、MF+Bipolar以及DC+MF+HIPIMS，节能制备高质量的符合化学计量比的SiO₂薄膜材料，提高本实施例制备的SiO₂薄膜材料的质量。

本实施例制备SiO₂薄膜材料时提前将所有工艺条件输入至控制电脑，重复生产时可直接调取工艺，所设定的工艺条件包括但不限于镀膜所需的腔体的真空压力值，偏压，转架的转动频率，离子源、靶材的功率，等离子体密度与能量值，靶材电压变化率，镀膜过程中整体以及各阶段的用时，气体流量，每分钟加入气体的流量值，如辉光清洗，打底，制备化合物薄膜各阶段的各种工艺条件的设定，且镀膜过程中工艺技术人员有权修改所设定的工艺参数，但是需验证相应的操作权限，以此满足工艺的多样化需要。

实施例三

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1和图2，对结合力要求极高的薄膜材料，在步骤b中，在进行平坦化预处理时，控制偏压不低于600V，利用HIPIMS电源产生的靶材正离子对衬底材料进行刻蚀处理，强化衬底材料和打底层的结合牢度，提高薄膜器件的整体质量和使用寿命。

本实施例运用高功率脉冲磁控HIPIMS物理气相沉积技术制备高质量化合物薄膜，利用智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体密度与分布情况、等离子体能量以及各工艺气体的比例变化，自动调控腔体内工艺气体的加入量以及加入量的变化速度，结合HIPIMS方法溅射各类靶材，制备高质量的化合物薄膜的物理气相沉积方法，的上述方法发挥高功率磁控溅射的成膜的特点，并且通过引入智能监控加气系统，采用适当的工艺可以制备性能优良的所需化学计量比的高质量化合物薄膜材料，解决现有的反应溅射镀膜中因靶材表面“毒化”而导致的溅射效率下降，靶材表面“毒化”打火，而成膜质量下降的问题。

实施例四

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在进行靶材的预溅射工艺中，靶材的预溅射所需的真空度低于实际生产的真空度，“洗靶”的工艺条件接近实际生产的工艺条件，工作压力，电源的功率与占空比，避免靶材表面达不到实际生产需求；“洗靶”中通过法拉第杯、示波器监控部件抓取等离子体的密度分布与能量变化，判断靶材表面清洁情况。

在本实施例中，在进行溅射清洁、活化及的平坦化预处理时，利用超声波清洗衬底材料清洗3～20分钟，此过程中清洗溶剂包括去离子水、无机溶剂以及有机溶剂，有机、无机溶剂的种类根据样品的性质选取；清洗后用氮气枪吹干；将清洗干燥后的衬底材料放于真空室中，用离化原子团簇轰击衬底材料表面，对衬底材料的表面进行溅射清洁、活化和平坦化预处理，为后续生长打底层提供基材表面。

在本实施例中，HIPIMS电源通过接线柱与靶材相连，示波器与电源相连，并实时抓取靶材的电压，电流变化曲线，以上部件将信息反馈给控制电脑，超过设定的数值变化，靶材的溅射处于图1中的B点以下的瞬间电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使靶材状况迅速回复至图1中D-B阶段。在薄膜制备的过程中通过法拉第杯、RGA残余气体分析仪等系统实时检测腔体内等离子体密度分布与等离子体能量以及各工艺气体比例的状况，及时反馈，实时动态调整反应气体的加入量，避免靶材表面的“毒化”现象，维持靶材的正常溅射速率，获得高质量的化合物薄膜。

在上述实施例中，智能控制气体流量系统工作模式如下：

系统通过法拉第杯实时检测到单位时间内腔体的等离子体密度与能量的变化曲线，同时RGA检测腔体内气体的比例，示波器实时检测靶材电压的变化情况，以上信号实时反馈于控制电脑，电脑对比标准工艺的等离子体的能量与密度分布，腔体内各气体比例的大小，示波器的工作波形，自动确认靶材溅射的所处图1中的位置，实时动态调整气体流量与流速，使得腔体内等离子体的浓度与等离子体的能量，各气体的比例大小无限接近一常数值，示波器的电压电流波形几无变化，即气体流量处于动态平衡态，维持腔体内靶材溅射处于毒化的临界点B点附近，在即将毒化的瞬间电脑即启动自动调控加气过程，减小相应的气体流量，使靶材的溅射状态迅速恢复至D－B阶段，整个过程由电脑精确控制完成，用时在10s内，因为能及时避免靶材的“毒化”现象，薄膜的沉积速率与成膜质量大幅提升；这样通过设定不同的参照点“B”，可以制备任意所需化学计量比的化合物薄膜材料。

本发明上述实施例利用HIPIMS方法溅射各类靶材并结合智能监控加气系统，利用智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体密度及空间分布、等离子体能量、各工艺气体的比例变化与靶材电压变化情况，自动调控腔体内气体的加入量以及气体加入量的变化速度，从而制备高质量的化合物薄膜的物理气相沉积方法，该方法发挥高功率磁控溅射的成膜质量高的优势，并且通过引入智能监控加气系统，通过监控RGA残余气体分析仪以及法拉第杯的数据及时智能调控维持溅射环境，解决现有的反应溅射镀膜方法中因靶材“毒化”而导致的溅射效率下降，化合物薄膜的质量下降的问题，采用适当的工艺可以制备性能优良的高质量薄膜材料。本发明上述实施例薄膜制备的过程中通过法拉第杯、RGA残余气体分析仪与示波器实时检测腔体内等离子体，靶材以及气体的整体状况，及时反馈调整工艺。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于，利用HIPIMS方法溅射镀膜的同时，运用镀膜智能监控加气系统检测真空腔体内等离子体的状况，实时自动调控工艺气体加入量及其单位时间内工艺气体的变化量，从而调控腔内的等离子体中各物质元素的比例及其浓度，其步骤如下：

a.靶材的预溅射工艺：

将腔体抽真空至所需真空度，通入惰性气体作为工作气体，调节至适宜工作压力，利用HIPIMS方法，使用惰性气体粒子轰击所需靶材，对靶材提前预溅射，溅射掉靶材表面污染物，进行洗靶，在洗靶过程中，监测等离子的密度与能量变化情况和靶材电压，确定靶材表面清洁状况，直至靶材对应的等离子体密度与能量达到制备化合物薄膜材料的要求，洗靶结束，并降温至不高于80℃以下破真空，完成靶材的预溅射工艺；

b.衬底材料清洗并干燥与预处理工艺：

利用清洁剂对衬底材料清洗3～20分钟，清洗衬底材料表面污渍并干燥，然后用离子源或高偏压轰击衬底材料表面，进行溅射清洁、活化和平坦化预处理；所述清洁剂采用能除去衬底材料表面污染物的去离子水、有机溶剂、无机溶剂中的任意一种或者任意几种的混合溶剂；

c.衬底材料表面打底工艺：

根据衬底基材的材质与所镀化合物薄膜材料的种类，采用经过所述步骤b预处理后的衬底材料，在材料表面的基材表面溅射需要的金属薄膜或非金属薄膜，以及化学成分渐变的梯度化合物复合层，形成过渡层结构，进行衬底材料表面打底；

d.化合物薄膜的制备工艺：

在所述步骤c完成打底工艺后的衬底材料的过渡层结构表面上，在所需的工艺条件下，利用HIPIMS方法和经过所述步骤a预溅射工艺的靶材，进行溅射成膜；在化合物薄膜的制备过程中，利用镀膜智能监控加气系统实时监控腔体内等离子体密度及分布、等离子体能量变化、靶材电压的变化情况，经控制电脑分析反馈后，实时调控通入腔体内的反应气体的流量与流速，维持镀膜条件的稳定，从而得到所需的化学计量比的化合物薄膜材料。

2.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤b中，对衬底材料进行清洗时，采用超声波清洗方法进行增强处理。

3.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤b中，在进行溅射清洁、活化预处理时，控制偏压为100～1000V，腔体内压力为0.1～2.0Pa，轰击时间为5～30min。

4.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤b中，在进行平坦化预处理时，控制偏压不低于600V，利用HIPIMS电源产生的靶材正离子对衬底材料进行刻蚀处理。

5.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤c中，所述过渡层结构为N种薄膜材料复合层，N为不小于2的自然数，形成具有金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，或者形成具有非金属薄膜-化学成分渐变的梯度化合物复合层形式的过渡层结构，进行衬底材料表面打底。

6.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤c中，打底过程用时3～25min，或者控制偏压选用范围为不大于800V。

7.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤d中，镀膜智能监控加气系统主要包括控制电脑、若干个法拉第杯(4)、RGA残余气体分析仪(3)、示波器，各信号采集部件通过腔体上预留的盲孔(1)分别与腔体(6)相连接，并通过卡箍密封固定于腔体上，各法拉第杯(4)分别采集腔体内溅射过程中各对应检测位置的等离子体密度，并得出空间密度分布信息，同时检测各位置等离子体能量的变化情况，法拉第探针通过挂杆固定于腔体(6)内，各探针分别检测与靶材(5)表面法线同一平面的近邻挂具(61)各处等离子体的各项数据，同时检测该挂具相邻各挂具相应各点的数据，使采集的位置点构成空间立体图形形式，经电脑处理后，得到腔体内各处等离子体密度、能量以及等离子体密度的空间分布，RGA残余气体分析仪(3)主要监控腔体内工艺气体的比例变化，监控腔体内反应气体的比例变化情况，HIPIMS电源通过接线柱(51)与靶材(5)相连，示波器与电源相连，并实时采集靶材(5)的电压和电流变化曲线数据，将上述采集的信息反馈给控制电脑，当超过设定的数值变化值时，电脑将自动调控反应气体的加入量与加入速率，使腔体内等离子体的状况维持于动态平衡状态中，维持对靶材(5)的溅射工艺条件，维持反应溅射过程中等离子体环境的稳定，直至完成化合物薄膜的制备工艺过程。

8.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤d中，控制偏压不大于500V。

9.根据权利要求1所述利用HIPIMS方法结合镀膜智能监控加气系统制备化合物薄膜材料的方法，其特征在于：在所述步骤d中，HIPIMS电源的使用方式为Unipolar双极模式、Bipolar单极模式、DC、MF和偏压中的任意一种使用模式或者任意几种的复合使用模式。