CN114045466A - 圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 - Google Patents
圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114045466A CN114045466A CN202111219577.8A CN202111219577A CN114045466A CN 114045466 A CN114045466 A CN 114045466A CN 202111219577 A CN202111219577 A CN 202111219577A CN 114045466 A CN114045466 A CN 114045466A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- power supply
- power
- magnetron sputtering
- cluster
- crystal array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims description 9
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 70
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 86
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 79
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 79
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 46
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 63
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 50
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 50
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 43
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 28
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 17
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 16
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 12
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000168 high power impulse magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
- C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate
- C23C14/545—Controlling the film thickness or evaporation rate using measurement on deposited material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开了圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法，包括基板、外腔室、内腔室、电源模组；所述外腔室的顶部设有被溅射出的团簇束流的出口；所述基板安装在出口上；所述外腔室底部设有真空泵的抽气口；所述电源模组设置在外腔室的底部上；所述内腔室设置在电源模组上；所述内腔室的侧壁上设有气体的入口；所述内腔室顶部开口，内部包括靶材和磁控装置，所述靶材设置在磁控装置上；所述电源模组由高功率脉冲磁控溅射模块与一个直流脉冲电源串联后再与一个直流电源或者射频电源进行耦合组成；所述磁控装置是圆形整块自适应磁铁。本发明提高了溅射过程中靶材原子的离化率，提高了团簇的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于脉冲磁控溅射领域，尤其涉及一种圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法。
背景技术
现有的脉冲磁控溅射装置中，磁场的存在是必要的，由于目前使用的磁极技术大多是圆形和长条形永久磁铁，都是通过若干个强磁体材料组合而成。这就出现一个相当大的弊端：这些若干个强磁体材料的组装和拆卸，是相当耗费时间的，搭建一个完整的用于团簇源的磁控溅射装置需要2～3天的时间，这显然不符合高效率的要求。再者在实验过程中若需要调整磁极装置的磁场分布时，原先的磁极技术只能进行磁体材料的拆解再重组装，这就将耽误大量的实验时间。
现有电源技术(DC直流电源或者RF射频电源)的局限性导致被溅射出的靶材原子的离化率较低，使得产生的原子团簇束流中带正电的团簇比例较低，而带正电的靶材原子团簇正是我们所需要的，并且不完善的电源技术也制约了可供使用的带正电的原子团簇的生成。在传统直流磁控溅射的过程中靶材离子受磁场磁力线和靶上施加的负电压的作用，被束缚在靶材附近，大大降低了团簇束流出口位置溅射的靶材离子数量。然而在原子团簇的制造应用中，出口处的靶材原子离化率将显著影响团簇束流的性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置,以解决被溅射出的靶材原子的离化率较低，使得产生的原子团簇束流中带正电的团簇比例较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，包括基板、外腔室、内腔室、电源模组；
所述外腔室的顶部设有被溅射出的团簇束流的出口；
所述基板安装在出口上；
所述外腔室底部设有真空泵的抽气口；
所述电源模组设置在外腔室的底部上；
所述内腔室设置在电源模组上；
所述内腔室的侧壁上设有气体的入口；
所述内腔室顶部开口，内部包括靶材和磁控装置，所述靶材设置在磁控装置上；
所述电源模组包括高功率脉冲磁控溅射模块、直流脉冲电源、直流电源、射频电源；
所述高功率脉冲磁控溅射模块与一个直流脉冲电源串联后再与一个直流电源或者射频电源进行耦合；
所述磁控装置是整块圆形自适应磁铁。
进一步的，所述磁控装置是直径3英寸的整块圆形自适应磁铁。
进一步的，所述磁控装置是直径8英寸的整块圆形自适应磁铁。
进一步的，所述磁控装置是直径12英寸的整块圆形自适应磁铁。
进一步的，所述靶材是矩形或旋转柱靶。
进一步的，所述靶材是金属或非金属靶。
一种圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、在外腔室内应用了一个移动的用于检测团簇沉积速率的晶阵，晶阵属于电源模组的阳极，位于磁控装置的上方；
步骤2、在磁控溅射产生团簇束流的过程中，晶阵在同一高度沿着磁控装置的短边方向从位置A缓慢移动到位置B，该运动轨迹在磁控装置表面的投影经过其几何中心，到达位置B后调整高度至位置C，紧接着在同一高度沿着自适应磁铁的短边方向移动到位置D，之后依照此规律缓慢的来回摆动式向上移动，从而测试装置中团簇束流源的性能表现。
本发明的圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法，具有以下优点：
1、本发明采用电源模组，使用了高功率脉冲磁控溅射模块与一个直流脉冲电源串联后再与一个直流电源或者射频电源进行耦合的结构，控制了气体与金属离子的比例，提高了溅射过程中靶材原子的离化率，整体提高了原子团簇的产量，间接地提高了团簇的生产效率。
2、本发明采用的磁控装置是圆形自适应磁铁，本发明的圆形自适应磁铁是专属定制的整块圆形磁铁，其磁场强度分布可以通过外部强电磁场自定义设计，这就节省了大量的时间，同时也解放了大量的人力。
附图说明
图1为本发明的圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置结构示意图；
图2为本发明的电源模组结构示意图；
图3为本发明的第一实施例自适应磁铁表面的磁感应强度分布图；
图4为本发明的第一实施例自适应磁铁上方的磁感应强度的剖面图；
图5为本发明的第一实施例自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的三维图形示意图；
图6为本发明的检测团簇沉积速率的晶阵示意图；
图7为本发明的第一实施例靶材为铜，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图8为本发明的第一实施例靶材为铜，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图9为本发明的第一实施例靶材为铝，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图10为本发明的第一实施例靶材为铝，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图11为本发明的第一实施例靶材为银，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图12为本发明的第一实施例靶材为银，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图13为本发明的第一实施例靶材为硅，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图14为本发明的第一实施例靶材为硅，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图15为本发明的第一实施例靶材为铁，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图16为本发明的第一实施例靶材为铁，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图17为本发明的第二实施例自适应磁铁表面的磁感应强度分布图；
图18为本发明的第二实施例自适应磁铁上方的磁感应强度的剖面图；
图19为本发明的第二实施例自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的三维图形示意图；
图20为本发明的第二实施例靶材为铜，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图21为本发明的第二实施例靶材为铜，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图22为本发明的第二实施例靶材为铝，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图23为本发明的第二实施例靶材为铝，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图24为本发明的第二实施例靶材为银，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图25为本发明的第二实施例靶材为银，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图26为本发明的第二实施例靶材为硅，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图27为本发明的第二实施例靶材为硅，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图28为本发明的第二实施例靶材为铁，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图29为本发明的第二实施例靶材为铁，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图30为本发明的第三实施例自适应磁铁表面的磁感应强度分布图；
图31为本发明的第三实施例自适应磁铁上方的磁感应强度的剖面图；
图32为本发明的第三实施例自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的三维图形示意图；
图33为本发明的第三实施例靶材为铜，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图34为本发明的第三实施例靶材为铜，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图35为本发明的第三实施例靶材为铝，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图36为本发明的第三实施例靶材为铝，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图37为本发明的第三实施例靶材为银，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图38为本发明的第三实施例靶材为银，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图39为本发明的第三实施例靶材为硅，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图40为本发明的第三实施例靶材为硅，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图41为本发明的第三实施例靶材为铁，采用直流电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图42为本发明的第三实施例靶材为铁，采用射频电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率示意图；
图中标记说明：1、基板；2、出口；3、靶材；4、磁控装置；5、电源模组；6、真空泵的抽气口；7、入口；8、外腔室；9、晶阵。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明包括基板1、外腔室8、内腔室、电源模组5；
所述外腔室8的顶部设有被溅射出的团簇束流的出口2；
所述基板1安装在出口2上；
所述外腔室8底部设有真空泵的抽气口6；
所述电源模组5设置在外腔室8的底部上；
所述内腔室设置在电源模组5上；
所述内腔室的侧壁上设有工作气体(氩气)的入口7；
所述内腔室顶部开口，内部包括靶材3和磁控装置4，所述靶材3设置在磁控装置4上；
所述靶材是矩形或旋转柱靶。
所述靶材是金属或非金属靶。
所述磁控装置4是整块圆形自适应磁铁，有一定的厚度。圆形自适应磁铁是由大量的微型磁块在一定温度和电磁场环境下压制而成。其特别的地方在于该自适应磁铁是一个整体，其磁场强度分布更加的均匀以及其磁场分布在后期是可以通过外部电磁场予以自定义设计，具有可扩展性。
在装置电源启动前需将腔室抽为真空状态，在溅射过程中形成了大量的等离子体，具体粒子的运动状态如图1中所描述。
电源模组5的设计，包括电源模块的耦合方案以及电源参数的设计。电源模组5设计的依据是：所需要的电源波形。好的电源波形下可以更高效的获取所需要的团簇束流。在不同的靶材条件下，所谓的好的电源波形是不一样的，所以电源模组中各参数的设计也是不一样的，所以只需进行合理的设计即可。电源模块设计的重点是将不同种类的电源(包括Hipims、RF等等)组合在一起的耦合方案，该耦合方案下可以生成别的电源组合方案达不到的“好的电源波形”。如图2所示，Hipims表示高功率脉冲磁控溅射(High Power ImpulseMagnetron Sputtering)模块；PulseDC(Pulse Direct Current)表示直流脉冲电源；DC(Direct Current)表示直流电源；RF(Radio Freqency)表示射频电源。Hipims模块与一个PulseDC电源串联后再与一个DC电源或者RF电源进行耦合，经过电源参数的制定，最后得到磁控溅射装置所需的电源模组。
为了测试所设计的脉冲磁控溅射装置的性能，我们在图1所示装置的外腔室内应用了一个可以移动的用于检测团簇沉积速率的晶阵9，示意图如图6所示。图中晶阵9属于电源模组的阳极，位于自适应磁铁的上方。在磁控溅射产生团簇束流的过程中，晶阵9在同一高度沿着自适应磁铁的径向从位置A缓慢移动到位置B(即该运动轨迹在自适应磁铁表面的投影为其直径)，到达位置B后调整高度至位置C，紧接着在同一高度沿着自适应磁铁的径向再次移动到位置D，之后依照此规律缓慢的来回摆动式向上移动，图6中给出了移动轨迹的示意。
磁控装置4的第一实施例：
磁控装置4是3英寸圆形自适应磁铁。这个尺寸大小适用于小型的团簇束流生产设备。现给出自适应磁铁制作完成后的磁场属性，该自适应磁铁表面的磁感应强度B(T)分布如图3所示，其上方的磁感应强度B(T)的剖面图如图4所示。图4中，横坐标r(mm)为自适应磁铁的径向示意，位置0(mm)为圆形磁铁的圆心；纵坐标z(mm)表示距离自适应磁铁的高度；可以看出自适应磁铁表面圆心位置的磁感应强度B最大，可以达到0.75T，随着同心圆半径和高度的增大，磁感应强度B呈减小的趋势，最小低至0.02T左右。图5给出了自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的部分三维图形。
现通过采用不同靶材以及电源模组的不同组合方法来研究该脉冲磁控溅射装置作为团簇束流源的性能表现：
1、靶材为铜(Cu)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图7所示。图中纵坐标为沉积速率Deposition rate(nm/min)，每个子图的横坐标H为晶阵距离靶材的高度，整个组合图的横坐标P(kw)为电源模块的功率。图中点表示每个固定高度下的团簇束流平均沉积速率，区域为沉积速率的上下浮动区域。
2、靶材为铜(Cu)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图8所示。
3、靶材为铝(Al)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图9所示。
4、靶材为铝(Al)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图10所示。
5、靶材为银(Ag)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图11所示。
6、靶材为银(Ag)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图12所示。
7、靶材为硅(Si)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图13所示。
8、靶材为硅(Si)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图14所示。
9、靶材为铁(Fe)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图15所示。
10、靶材为铁(Fe)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图16所示。
磁控装置4的第二实施例：
磁控装置4是8英寸圆形自适应磁铁有一定的厚度。圆形自适应磁铁是由大量的微型磁块在一定温度和电磁场环境下压制而成。其特别的地方在于该自适应磁铁是一个整体，其磁场强度分布更加的均匀以及其磁场分布在后期是可以通过外部电磁场予以自定义设计，具有可扩展性。8英寸这个尺寸大小适用于中型的团簇束流生产设备。现给出自适应磁铁制作完成后的磁场属性，该自适应磁铁表面的磁感应强度B(T)分布如图17所示，其上方的磁感应强度B(T)的剖面图如图18所示。图18中，横坐标r(mm)为自适应磁铁的径向示意，位置0(mm)为圆形磁铁的圆心；纵坐标z(mm)表示距离自适应磁铁的高度；可以看出自适应磁铁表面圆心位置的磁感应强度B最大，可以达到0.75T，随着同心圆半径和高度的增大，磁感应强度B呈减小的趋势，最小低至0.02T左右。图19给出了自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的部分三维图形。
现通过采用不同靶材以及电源模组的不同组合方法来研究该脉冲磁控溅射装置作为团簇束流源的性能表现：
1、靶材为铜(Cu)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图20所示。图中纵坐标为沉积速率Deposition rate(nm/min)，每个子图的横坐标H为晶阵距离靶材的高度，整个组合图的横坐标P(kw)为电源模块的功率。图中点表示每个固定高度下的团簇束流平均沉积速率，区域为沉积速率的上下浮动区域。
2、靶材为铜(Cu)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图21所示。
3、靶材为铝(Al)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图22所示。
4、靶材为铝(Al)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图23所示。
5、靶材为银(Ag)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图24所示。
6、靶材为银(Ag)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图25所示。
7、靶材为硅(Si)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图26所示。
8、靶材为硅(Si)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图27所示。
9、靶材为铁(Fe)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图28所示。
10、靶材为铁(Fe)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵9测量原子团簇的沉积速率，如图29所示。
磁控装置4的第三实施例：
磁控装置4是12英寸圆形自适应磁铁。
圆形自适应磁铁是由大量的微型磁块在一定温度和电磁场环境下压制而成。其特别的地方在于该自适应磁铁是一个整体，其磁场强度分布更加的均匀以及其磁场分布在后期是可以通过外部电磁场予以自定义设计，具有可扩展性。12英寸这个尺寸大小适用于大型的团簇束流生产设备。现给出高性能自适应磁铁制作完成后的磁场属性，该自适应磁铁表面的磁感应强度B(T)分布如图30所示，其上方的磁感应强度B(T)的剖面图如图31所示。图31中，横坐标r(mm)为自适应磁铁的径向示意，位置0(mm)为圆形磁铁的圆心；纵坐标z(mm)表示距离自适应磁铁的高度；图中用不同颜色来表示相对不同的磁感应强度B，颜色越亮相对磁感应强度越大，颜色越暗相对磁感应强度越弱。可以看出自适应磁铁表面圆心位置的磁感应强度B最大，可以达到0.34T，随着同心圆半径和高度的增大，磁感应强度B呈减小的趋势，最小低至0.06T左右。图32给出了自适应磁铁上方磁感应强度随高度变化的部分三维图形。
为了测试所设计的脉冲磁控溅射装置的性能，我们在图1所示装置的真空腔室内应用了一个可以移动的用于检测团簇沉积速率的晶阵，示意图如图6所示。图中蓝色块状物体为晶阵属于电源模组的阳极，位于自适应磁铁的上方。在磁控溅射产生团簇束流的过程中，晶阵在同一高度沿着自适应磁铁的径向从位置A缓慢移动到位置B(即该运动轨迹在自适应磁铁表面的投影为其直径)，到达位置B后调整高度至位置C，紧接着在同一高度沿着自适应磁铁的径向再次移动到位置D，之后依照此规律缓慢的来回摆动式向上移动，图6中给出了移动轨迹的示意。现通过采用不同靶材以及电源模组的不同组合方法来研究该脉冲磁控溅射装置作为团簇束流源的性能表现：
1、靶材为铜(Cu)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图33所示。图中纵坐标为沉积速率Deposition rate(nm/min)，每个子图的横坐标H为晶阵距离靶材的高度，整个组合图的横坐标P(kw)为电源模块的功率。图中红点表示每个固定高度下的团簇束流平均沉积速率，蓝色区域为沉积速率的上下浮动区域。
2、靶材为铜(Cu)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图34所示。
3、靶材为铝(Al)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图35所示。
4、靶材为铝(Al)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图36所示。
5、靶材为银(Ag)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图37所示。
6、靶材为银(Ag)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图38所示。
7、靶材为硅(Si)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图39所示。
8、靶材为硅(Si)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图40所示。
9、靶材为铁(Fe)，采用直流(DC)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图41所示。
10靶材为铁(Fe)，采用射频(RF)电源耦合的方式时，通过晶阵测量原子团簇的沉积速率，如图42所示。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，包括基板(1)、外腔室(8)、内腔室、电源模组(5)；
所述外腔室(8)的顶部设有被溅射出的团簇束流的出口(2)；
所述基板(1)安装在出口(2)上；
所述外腔室(8)底部设有真空泵的抽气口(6)；
所述电源模组(5)设置在外腔室(8)的底部上；
所述内腔室设置在电源模组(5)上；
所述内腔室的侧壁上设有气体的入口(7)；
所述内腔室顶部开口，内部包括靶材(3)和磁控装置(4)，所述靶材(3)设置在磁控装置(4)上；
所述电源模组(5)包括高功率脉冲磁控溅射模块、直流脉冲电源、直流电源、射频电源；
所述高功率脉冲磁控溅射模块与一个直流脉冲电源串联后再与一个直流电源或者射频电源进行耦合；
所述磁控装置(4)是整块圆形自适应磁铁。
2.根据权利要求1所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控装置(4)是直径3英寸的整块圆形自适应磁铁。
3.根据权利要求1所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控装置(4)是直径8英寸的整块圆形自适应磁铁。
4.根据权利要求1所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控装置(4)是直径12英寸的整块圆形自适应磁铁。
5.根据权利要求1所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，所述靶材(3)是矩形或旋转柱靶。
6.根据权利要求1所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置，其特征在于，所述靶材(3)是金属或非金属靶。
7.根据权利要求1-6任一项所述的圆形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在外腔室(8)内应用了一个移动的用于检测团簇沉积速率的晶阵(9)，晶阵(9)属于电源模组的阳极，位于磁控装置(4)的上方；
步骤2、在磁控溅射产生团簇束流的过程中，晶阵(9)在同一高度沿着磁控装置(4)的短边方向从位置A缓慢移动到位置B，该运动轨迹在磁控装置(4)表面的投影经过其几何中心，到达位置B后调整高度至位置C，紧接着在同一高度沿着自适应磁铁的短边方向移动到位置D，之后依照此规律缓慢的来回摆动式向上移动，从而测试装置中团簇束流源的性能表现。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111219577.8A CN114045466A (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111219577.8A CN114045466A (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114045466A true CN114045466A (zh) | 2022-02-15 |
Family
ID=80205580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111219577.8A Pending CN114045466A (zh) | 2021-10-20 | 2021-10-20 | 圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114045466A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040089535A1 (en) * | 2002-08-16 | 2004-05-13 | The Regents Of The University Of California. | Process and apparatus for pulsed dc magnetron reactive sputtering of thin film coatings on large substrates using smaller sputter cathodes |
| CN102409303A (zh) * | 2010-09-25 | 2012-04-11 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 一种靶材功率加载方法、靶材电源及半导体处理设备 |
| CN103233203A (zh) * | 2013-03-18 | 2013-08-07 | 内蒙古大学 | 一种铁磁性增强的BiFeO3薄膜的制备方法 |
| US20180209035A1 (en) * | 2017-01-25 | 2018-07-26 | Applied Materials, Inc. | Extension of pvd chamber with multiple reaction gases, high bias power, and high power impulse source for deposition, implantation, and treatment |
| CN109402555A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-03-01 | 昆山益固纳米科技有限公司 | 一种运用离化原子团簇结合hipims技术制备高质量薄膜的方法 |
| CN109698112A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-30 | 南京大学 | 筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法 |
-
2021
- 2021-10-20 CN CN202111219577.8A patent/CN114045466A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040089535A1 (en) * | 2002-08-16 | 2004-05-13 | The Regents Of The University Of California. | Process and apparatus for pulsed dc magnetron reactive sputtering of thin film coatings on large substrates using smaller sputter cathodes |
| CN102409303A (zh) * | 2010-09-25 | 2012-04-11 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 一种靶材功率加载方法、靶材电源及半导体处理设备 |
| CN103233203A (zh) * | 2013-03-18 | 2013-08-07 | 内蒙古大学 | 一种铁磁性增强的BiFeO3薄膜的制备方法 |
| US20180209035A1 (en) * | 2017-01-25 | 2018-07-26 | Applied Materials, Inc. | Extension of pvd chamber with multiple reaction gases, high bias power, and high power impulse source for deposition, implantation, and treatment |
| CN109402555A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-03-01 | 昆山益固纳米科技有限公司 | 一种运用离化原子团簇结合hipims技术制备高质量薄膜的方法 |
| CN109698112A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-30 | 南京大学 | 筒状阴极非平衡磁控等离子体气体聚集团簇源及其使用方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 田修波: "高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究", 《真空》, vol. 47, no. 3, pages 44 - 46 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6344114B1 (en) | Magnetron sputtering cathode with magnet disposed between two yoke plates | |
| US6682637B2 (en) | Magnetron sputter source | |
| US20110220494A1 (en) | Methods and apparatus for magnetron metallization for semiconductor fabrication | |
| JP5461264B2 (ja) | マグネトロンスパッタリング装置、及び、スパッタリング方法 | |
| US8377269B2 (en) | Sputtering apparatus | |
| US6432285B1 (en) | Planar magnetron sputtering apparatus | |
| CN103374705A (zh) | 一种磁控溅射装置 | |
| CN202643828U (zh) | 一种磁控溅射阴极移动靶 | |
| KR20140133513A (ko) | 스퍼터 장치 | |
| CN114045466A (zh) | 圆形用于团簇束流源的高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 | |
| CN112831762B (zh) | 一种Halbach永磁体结构的磁控溅射靶枪 | |
| US20120118732A1 (en) | Film formation apparatus | |
| CN114000116A (zh) | 矩形用于团簇束流源高功率脉冲磁控溅射装置及测试方法 | |
| JP2010248576A (ja) | マグネトロンスパッタリング装置 | |
| CN1245534C (zh) | 无磁屏蔽型铁磁性靶材溅射阴极及其溅射方法 | |
| CN116169002A (zh) | 一种磁场增强耦合等离子体加工装置及方法 | |
| CN109154076B (zh) | 成膜方法和溅射装置 | |
| WO2022237524A1 (zh) | 半导体腔室及半导体设备 | |
| US20090242396A1 (en) | Adjustable magnet pack for semiconductor wafer processing | |
| US20150014158A1 (en) | Magnetic field generation apparatus and sputtering apparatus | |
| CN111411337B (zh) | 一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统 | |
| CN212051629U (zh) | 一种微波等离子溅射光学镀膜机 | |
| CN1033100C (zh) | 对称磁体磁控溅射源 | |
| CN110965036B (zh) | 稀土永磁体表面真空镀膜设备 | |
| CN104342621A (zh) | 磁场调节装置及等离子体加工设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |