CN114032519A - 电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统及提高流量和能量方法 - Google Patents
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Abstract
电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统及提高流量和能量方法，该系统包括双极脉冲磁控溅射电源、以及溅射靶，并且至少包括辅助阳极和外部磁场单元之一，其中，双极脉冲磁控溅射电源的脉冲输出端连接在溅射靶，当包括辅助阳极时，辅助阳极配置在溅射靶前方；当包括外部磁场单元时，外部磁场单元配置在辅助阳极内侧或外侧均可；采用双极脉冲磁控放电形式驱使负脉冲产生的离子飞离溅射靶表面附近区域；利用辅助阳极产生的电场优化沉积离子的扩散；利用外部磁场配置优化电子的传输，增强等离子体扩散的流动性，进而增加沉积离子流量。本发明经济、实用，能提高磁控溅射放电沉积速率，改善薄膜的性能。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射的设备和方法。
背景技术
磁控溅射自问世以来，关于它的研究逐年递升，深受国内外学者关注。该技术以其低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷等诸多优点广泛应用于薄膜制备领域，但传统的磁控溅射处理技术溅射金属大多以原子状态存在，金属离化率低(～1％)，导致其可控性较差，沉积薄膜的质量和性能较难优化。针对该问题，国外学者开发出了一种高功率脉冲磁控溅射技术，在放电过程中的峰值功率可超过普通磁控溅射2个数量级，达10kw/cm2，靶周围的电子密度可达1019/m3，同时溅射材料的离化率最高可达90％以上，使得该技术在溅射领域引起了极大关注，并在拓展各种应用。各种使用高功率脉冲磁控溅射制备的纯金属薄膜、氮化物陶瓷超硬薄膜、氧化物陶瓷薄膜、类金刚石薄膜等被大量的研究，形成了各自的基体-涂层-微观结构的作用体系。然而，尽管高功率脉冲磁控溅射在提高沉积粒子离化率有着显著优势，但较高的负电压会使溅射出来的靶材原子离化成离子后又被靶的负电压给吸引回来，造成高功率脉冲磁控溅射沉积速率明显低于传统的直流磁控溅射，这也成为技术本身在工业推广上的一个壁垒。并且，高功率脉冲磁控溅射放电中离子的能量以及处于1～5eV，导致在绝缘基体上应用仍不能满足人们的需求。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种经济、实用的电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统，能够有效地增强溅射放电，提高溅射效率、靶材粒子的离化比例、沉积离子的能量和流量。
本发明另一目的在于提供一种提高双极脉冲磁控溅射系统沉积离子能量和流量的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统，包括双极脉冲磁控溅射电源、以及溅射靶，并且至少包括辅助阳极和外部磁场单元之一，即，可以只包括辅助阳极或者只包括外部磁场单元，或者同时包括二者，其中，采用双极脉冲磁控放电形式驱使负脉冲产生的离子飞离溅射靶表面附近区域，利用辅助阳极产生的电场优化沉积离子的扩散，利用外部磁场配置优化电子的传输，增强等离子体扩散的流动性，进而增加沉积离子流量，综合使用双极脉冲磁控电源、辅助阳极以及外部磁场单元，提高等离子体流动性的同时，增加溅射、离化效率。
作为优选方式，所述辅助阳极可以采用不同形状、材质、尺寸的网栅、桶状、或者喇叭状导体电极。
作为优选方式，所述辅助阳极耐温在0～1000℃。
作为优选方式，所述辅助阳极与辅助电源连接为其供电。
作为优选方式，外部磁场部件可以采用电磁线圈或者永磁铁，在辅助阳极内部，外部磁场部件产生的磁场应基本垂直于靶表面。
作为优选方式，外部磁场部件耐温0～1000℃。
作为优选方式，外部磁场部件安装距离溅射靶-100～+200mm范围。
另一方面，本发明提供一种提高双极脉冲磁控溅射放电沉积离子流量和能量的方法，包括：步骤一：选择合适尺寸、形状、材料的辅助阳极，以及合适尺寸、性能的外部磁场部件，安装在阴极靶前；步骤二：完成对放电系统的预先抽真空；步骤三：将双极脉冲磁控溅射电源的正负脉冲输出端连接在阴极靶；步骤四：选用直流电源、或可控脉冲电源、或可控射频电源连接在辅助阳极，为辅助阳极提供电压；步骤五：引入工作气体，调节辅助阳极的电压波形、空间位置、甚至辅助阳极形状，调节外部磁场部件的位置、磁场强度等，实现沉积离子流量的最大化提升。
作为优选方式，所述辅助阳极可采用不同形状、材质、尺寸的网栅、桶状、或者喇叭状导体电极。
作为优选方式，所述辅助阳极耐温在0～1000℃为宜。
作为优选方式，所述辅助阳极应与辅助电源连接为其供电。
作为优选方式，外部磁场部件可以采用电磁线圈或者永磁铁，在辅助阳极内部，外部磁场部件产生的磁场应垂直于靶表面。
作为优选方式，外部磁场部件耐温0～1000℃，选用电磁线圈时，线圈可以通过电流范围为0～500A。
作为优选方式，外部磁场部件安装距离溅射靶-100～+200mm范围。
作为优选方式，所述辅助阳极供电电源可采取直流电源、脉冲直流电源、或者射频电源，以在辅助阳极上施加不同电压信号，优化离子扩散、增强沉积离子流量。
与现有技术相比，本发明采取电磁场耦合的方式，在溅射靶前方配置辅助阳极与外部磁场部件，在放电过程中辅助阳极产生电场推动离子朝向靶中心区域运动，利用磁场部件产生的磁场增强等离子体扩散的流动性。通过控制等离子体中的电荷粒子的运动、扩散以及碰撞反应，实现增加气体原子以及溅射产生靶材原子的离化比例，进而提高溅射产率，增加沉积离子的流量和能量。该操作方法经济、实用，提高磁控溅射放电沉积速率，改善薄膜的性能。
附图说明
图1是电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统的一种实施方式。
图2是在设置磁控参数为-520V负脉冲靶电压，+80V正脉冲靶电压，50μs负脉冲持续时间，200μs正脉冲持续时间，0.8Pa的氩气，钛靶放电时，通过调节线圈电流(即调节磁场强度)，负脉冲峰值靶电流的变化曲线。
图3是在设置磁控参数为-520V负脉冲靶电压，+80V正脉冲靶电压，50μs负脉冲持续时间，200μs正脉冲持续时间，0.8Pa的氩气，钛靶放电时，通过调节线圈电流(即调节磁场强度)，正脉冲峰值靶电流的变化曲线。
图4是在设置磁控参数为-520V负脉冲靶电压，+80V正脉冲靶电压，50μs负脉冲持续时间，200μs正脉冲持续时间，0.8Pa的氩气，钛靶放电时，通过调节线圈电流(即调节磁场强度)，距离靶中心65mm位置处电子密度的变化曲线。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统及提高流量和能量方法的实施方式。
在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
图1电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统的一种实施方式，这里选取电磁线圈作为外部磁场配件，包含：进气口1；真空室2；工件3；工件架4；出气口5；辅助阳极6；电磁线圈7；磁控溅射靶8；双极脉冲磁控溅射电源9；辅助阳极供电电源10；电磁线圈供电电源11。所选用的辅助阳极供电电源10及电磁线圈供电电源11均为直流电压源。
在该实施方案中，辅助阳极供电电源10及电磁线圈供电电源11均为直流电压源。所选的电源仅作为示例，实际应用中，辅助阳极电源10及电磁线圈电源11可选取可控脉冲电源、可控射频电源等。
在该实施方案中，首先在辅助阳极6上施加直流电压，该电压可产生电场排斥离子朝向靶中心上方扩散，这一过程可以提高沉积离子的能量和流量；其次，利用电磁线圈7在辅助阳极6内部产生垂直于靶表面的磁场，增强等离子体从靶表面朝向下游扩散的流动性，达到增强沉积离子的能量及流量的目的。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中所述辅助阳极可采用不同形状、材质、适当尺寸的网栅、桶状、喇叭状等导体。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中所述辅助阳极耐温在0～1000℃为宜，可通过电流范围为0～100A为宜。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中所述辅助阳极应安装在溅射靶前方1～100mm范围为宜。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中电磁线圈耐温0～1000℃为宜，可通过电流范围为0～500A为宜。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中电磁线圈可缠绕在辅助阳极外侧进行安装。
本发明所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中电磁线圈安装应距离溅射靶-100～+200mm范围为宜，所述-100～+200mm范围是以靶表面为参考，外部磁场部件可从溅射靶前方0～200mm位置开始安装，即0～+200mm范围，也可从溅射靶后方0～100mm位置开始安装，即0～-100mm范围。
下面说明本发明提高沉积离子流量和能量方法的实施方式：
步骤一：选择合适尺寸、形状、材料的辅助阳极，以及合适尺寸、性能的外部磁场部件，安装在阴极靶前。
步骤二：完成对放电系统的预先抽真空。
步骤三：将双极脉冲磁控溅射电源的正负脉冲输出端连接在阴极靶。
步骤四：选用直流电源、或可控脉冲电源、或可控射频电源连接在辅助阳极，为辅助阳极提供电压。
步骤五：引入工作气体，调节辅助阳极的电压波形、空间位置、甚至辅助阳极形状，调节外部磁场部件的位置、磁场强度等，实现沉积离子流量的最大化提升。
本发明所述的步骤一中，辅助阳极可采用不同形状、材质、适当尺寸的网栅、桶等导体。
本发明所述的步骤一中，辅助阳极耐温在0～1000℃为宜，可通过电流范围为0～100A为宜。
本发明所述的步骤一中，辅助阳极应安装在溅射靶前方1～100mm范围为宜。
本发明所述的步骤一中，电磁线圈耐温0～1000℃为宜，可通过电流范围为0～500A为宜。
本发明所述的步骤一中，电磁线圈可缠绕在辅助阳极外侧进行安装。
本发明所述的步骤一中，电磁线圈安装应距离溅射靶-100～+200mm范围为宜，所述-100～+200mm范围是以靶表面为参考，外部磁场部件可从溅射靶前方0～200mm位置开始安装，即0～+200mm范围，也可从溅射靶后方0～100mm位置开始安装，即0～-100mm范围。
图2是选择桶状辅助阳极和电磁线圈安置在溅射靶前，辅助阳极和电磁线圈均连接在直流电源上，通过调整线圈电流，记录负脉冲峰值靶电流的数值。其中，辅助阳极材料为不锈钢材质，尺寸为内径60mm，外径64mm，长度50mm，距离溅射靶表面15mm进行安装。电磁线圈为高温导线制成，共10层，每层30匝，共计300匝。阴极靶为直径50mm，厚度为5mm的钛靶。磁控参数设置为：负脉冲持续时间50μs、靶电压-520V，正脉冲持续时间200μs、靶电压+80V。工作气体为氩气，气压为0.8Pa。辅助阳极电压被设置为+80V。
图3是选择桶状辅助阳极和电磁线圈安置在溅射靶前，辅助阳极和电磁线圈均连接在直流电源上，通过调整线圈电流，记录正脉冲峰值靶电流的数值。其中，辅助阳极材料为不锈钢材质，尺寸为内径60mm，外径64mm，长度50mm，距离溅射靶表面15mm进行安装。电磁线圈为高温导线制成，共10层，每层30匝，共计300匝。阴极靶为直径50mm，厚度为5mm的钛靶。磁控参数设置为：负脉冲持续时间50μs、靶电压-520V，正脉冲持续时间200μs、靶电压+80V。工作气体为氩气，气压为0.8Pa。辅助阳极电压被设置为+80V。
采用图1的装置及图2、图3的放电配置，研究电磁场耦合增强沉积离子流量和能量的方法，具体步骤为：
步骤一：选择材料为不锈钢材质，尺寸为内径60mm、外径64mm、长度50mm，的辅助阳极6；选择高温导线制成，共10层，每层30匝，共计300匝的电磁线圈7；以及直径50mm，厚度为5mm的钛靶8。调节辅助阳极、电磁线圈距离靶表面15mm位置进行安装。气体通过分子泵排气孔2排出。
步骤二：完成对系统的预抽真空，使得真空室内的真空度达到10-4Pa级别；向真空室内通入氩气，控制气压为0.8Pa。
步骤三：启动双极脉冲磁控溅射电源9进行辉光。调节负脉冲输出电压值为-520V，正脉冲电压辅助位+80V。调节辅助辅助阳极供电电源10的输出电压为+80V，随后依次调节线圈电流为0～3.0A，间隔0.2A，应用朗缪尔探针记录距离靶表面65mm位置处的电子密度。
图4是选择桶状辅助阳极和电磁线圈安置在溅射靶前，辅助阳极和电磁线圈均连接在直流电源上，通过调整线圈电流，记录距离靶表面65mm位置处的电子密度。其中，辅助阳极材料为不锈钢材质，尺寸为内径60mm，外径64mm，长度50mm，距离溅射靶表面15mm进行安装。电磁线圈为高温导线制成，共10层，每层30匝，共计300匝。阴极靶为直径50mm，厚度为5mm的钛靶。磁控参数设置为：负脉冲持续时间50μs、靶电压-520V，正脉冲持续时间200μs、靶电压+80V。工作气体为氩气，气压为0.8Pa。辅助阳极电压被设置为+80V。
本示例方案的优点：
与现有技术相比，本发明采取电磁场耦合的方式，在溅射靶前方配置辅助阳极与电磁线圈，在放电过程中辅助阳极产生电场推动离子朝向靶中心区域运动，利用电磁线圈产生的磁场增强等离子体扩散的流动性。通过控制等离子体中的电荷粒子的运动、扩散以及碰撞反应，实现增加气体原子以及溅射产生靶材原子的离化比例，进而提高溅射产率，增加沉积离子的流量和能量。该操作方法经济、实用，提高磁控溅射放电沉积速率，改善薄膜的性能。
以上对本发明的电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统及提高流量和能量方法的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。请注意，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施方式的特征进行修改和组合，因此，本发明并不限于上述各实施方式。
Claims (10)
1.一种电磁场耦合双极脉冲磁控溅射系统，包括双极脉冲磁控溅射电源、以及溅射靶，并且至少包括辅助阳极和外部磁场单元之一，即，可以只包括辅助阳极或者只包括外部磁场单元，或者同时包括二者，其中，双极脉冲磁控溅射电源的脉冲输出端连接在溅射靶，当包括辅助阳极时，辅助阳极配置在溅射靶前方；当包括外部磁场单元时，外部磁场单元配置在辅助阳极内侧或外侧均可；采用双极脉冲磁控放电形式驱使负脉冲产生的离子飞离溅射靶表面附近区域；利用辅助阳极产生的电场优化沉积离子的扩散；利用外部磁场配置优化电子的传输，增强等离子体扩散的流动性，进而增加沉积离子流量，从而综合选择使用双极脉冲磁控电源、辅助阳极以及外部磁场单元，提高等离子体流动性的同时，增加溅射、离化效率。
2.根据权利要求1所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，所述辅助阳极可以采用不同形状、材质、尺寸的网栅、桶状、或者喇叭状导体电极。
3.根据权利要求1所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，所述辅助阳极与辅助电源连接为其供电。
4.根据权利要求1所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，外部磁场部件可以采用电磁线圈或者永磁铁，在辅助阳极内部，外部磁场部件产生的磁场应基本垂直于靶表面。
5.根据权利要求1所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，外部磁场部件安装距离溅射靶-100～+200mm范围。
6.一种提高双极脉冲磁控溅射放电沉积离子流量和能量的方法，包括：
步骤一：选择合适尺寸、形状、材料的辅助阳极，以及合适尺寸、性能的外部磁场部件，安装在阴极靶前；
步骤二：完成对放电系统的预先抽真空；
步骤三：将双极脉冲磁控溅射电源的正负脉冲输出端连接在阴极靶；
步骤四：选用直流电源、或可控脉冲电源、或可控射频电源连接在辅助阳极，为辅助阳极提供电压；
步骤五：引入工作气体，调节辅助阳极的电压波形、空间位置、甚至辅助阳极形状，调节外部磁场部件的位置、磁场强度等，实现沉积离子流量的最大化提升。
7.根据权利要求6所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，所述辅助阳极可采用不同形状、材质、尺寸的网栅、桶状、或者喇叭状导体电极。
8.根据权利要求6所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，所述辅助阳极应与辅助电源连接为其供电。
9.根据权利要求6所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，外部磁场部件可以采用电磁线圈或者永磁铁，在辅助阳极内部，外部磁场部件产生的磁场应垂直于靶表面。
10.根据权利要求6所述的双极脉冲磁控溅射系统，其中，外部磁场部件安装距离溅射靶-100～+200mm范围。
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- 2021-10-29 CN CN202111274790.9A patent/CN114032519A/zh active Pending
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