CN86204865U - 多用对向靶溅射仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及溅射技术领域。其具有两对对向靶，磁场和靶面垂直，并且同电场一起，起到约束等离子体的作用，液氮盒可有效地控制溅射时基板的温度，可连续旋转基板架和带状基板用基板架可保证溅射出的薄膜均匀性更好，故此设备能够实现高速、低温，几乎无偏析的溅射，可以制备多种材料的薄膜，外延单晶薄膜。对于生产和科研提供了快速、方便的良好设备和手段。

Description

本实用新型涉及溅射技术领域

本实用新型做出以前，日本从七十年代中期首次利用对向靶溅射薄膜以来，国外杂志和有关会议报导了用这种溅射方式制备某些薄膜的研究报告。

Masahiko    Naoe    etal，Sep    1980    Vol    Mag－16    No    5    p646T.IEEE对此溅射做了一些介绍。但是这些装置设计并不完善，结构也较简单，功能单一，因而使其使用受到限制。

本实用新型的目的在于克服上述溅射装置的缺点，研制出多功能的对向靶溅射仪。

本实用新型的要点是：两对大小相同的靶相对面地放置，磁场和靶面垂直，并且同电场一起，起到约束等离子体的作用，正是这种结构上的特点，使此设备能够实现高速、低温，几乎无成份偏析的溅射。两对大小相同但材质可以不同的靶相对面地放置是本实用新型所独有的。

附图1是：        真空室的装配示意图（正视图）

附图2是：        真空室的装配示意图（俯视图）

附图3是：        等离子体约束磁场位形图。

附图5是：        用来冷却基板的液氮盒。

附图6是：        旋转软盘基板的基板架。

附图4是：        双孔对向靶罩示意图。

本实用新型的原理是这样的，当氩离子轰击靶，从靶面上飞出的二次电子就会在靶的垂直方向被施加在靶上的负电压加速，又由于该方向上加有约束磁场，电子还会在磁力线的作用下，进行洛仑兹运动，但由于两靶上加有较高的负电压，这样强的电场作用，使电子几乎是沿直线运动到对面靶的负压区，被负电压作用而减速，然后再向相反方向运动，同时由于约束磁场的作用，二次电子会被有效地封闭在两个靶面（电极）之间，形成柱状等离子体区，电子被两个电极来回反射，这就加长了它的运行路径，增加了它同氩气分子碰撞的机会，提高了两靶间气体的离化程度，增加了溅射用氩离子密度，因而达到了高的沉积速率。从上面的叙述中也可看出，在对向靶溅射方式中，二次电子被约束，受到的静电反射作用为主，而一般的磁控溅射，二次电子主要在磁力线作用下进行洛仑兹运动。速度为E×B／B²，形成大圆周运动，这就会达到基片放置的位置，而对基片产生轰击作用，使基板温度升高，影响膜的生长，而对向靶溅射避免了这种情况，因而使基板温度大大降低。同时，一般的磁控溅射方式中的磁力线是和靶面平行的。因此磁控溅射用于铁磁性靶材时，就会形成磁力线在靶材内短路，这样就和普通的二极溅射方式一样了，达不到高速率的溅射和基片的低温化。而对向靶溅射对强铁磁性靶材同样能够实现低温、高速，几乎无成份偏析的溅射。

对向靶溅射方式，从设计结构和原理上，比较好地解决了基板温升高的问题，在以往的各种溅射方式中，基板放置在高能等离子体区域内，因而在成膜粒子落在基板上的同时，还会受到高能粒子的轰击，使基板温度升高，它同溅射功率及其稳定性密切相关，因此造成基板温度失控，薄膜的生长同温度有关，且有时比较敏感，因而不能生长出满意的薄膜介质，自然物理性能就不能得到控制。在对向靶溅射方式中，把基板的放置区和等离子区两者分开，即通过施加在靶面上的电场，磁场的作用，把等离子体约束在两个平行靶之间的区域内，基板放置在靶径以外的空间中，这样就避免了高能粒子对基板的轰击影响，使基板保持较低的温度，从而为真正对基板温度进行控制提供了可能。由于原理上已指明对向靶溅射具有上述优越的性能，因此基板温度可以控制的多用对向靶溅射仪，在实践中已成功地制备了多种材料的薄膜并实现了良好地控制从靶面打出粒子的量值。从而满足了外延单晶薄膜的生长、已用该装置做出了Fe的单晶外延薄膜，结晶状态完整、良好，这不仅在以往的溅射方式中未曾见过，用对向靶外延Fe单晶薄膜在国际尚属首次开发的成果。这对于进行单晶薄膜的研究，提供了快速、方便的良好实验装置手段。

同时同以往的传统溅射装置相比，对向靶溅射放置基板的空间大，使用效率高，这是因为：

在以往的溅射装置中，基板只能放置在和靶面相对，与靶面占有的面积相近的有效区域内，为了多放入基片，不得不把靶和真空室做得很大。而对向靶溅射中两平行靶面围成的等离子体区域外均可放置基板。

溅射仪的真空室为圆柱形，这样能更有效地利用了空间，同时，在靶径以外的等半径圆周上溅射效果是等效的，薄膜的组成成份是一致的，在不同半径圆周上放置基片，薄膜的组成成份和生长状态可以得到自然调节。另外在相同的溅射条件下一次可装入多种不同材料的基板，进行比较研究，这也是以往溅射装置做不到的。

多用对向靶溅射仪操作过程如下：

（1）关闭阀（1）接通角阀（2），用机械泵（6）抽气，稍后打开阀（3）和阀（4）。

（2）烘烤带通电，对真空室各部位烘烤。（烘烤带缠绕在真空室壁（8）上。

（3）当真空达10^－3时，扩散泵（5）通水，接通扩散泵（5）电源进行抽气，此时关闭阀（2）。（4）真空达10^－5时，烘烤带断电，自然冷却到室温，向冷阱中加液氮（视对真空度要求而定），同时对真空室通水冷却，真空度增高。

（5）打开针阀，通入氩气到需要量，在反应溅射情况下，由另一个针阀通入所需的高纯气体。（针阀接在真空室壁（8）上图中未画出）。

（6）打开直流电源，一边调整加在对向靶上的负高压，一边观察放电状态，根据需要使放电状态稳定在所要求的功率值，进行予溅射。

（7）打开基片档板，开始溅射。

（8）溅射结束后，将负高压调至零状，切断电源，关闭针阀。

（9）关闭阀门（4），切断扩散泵电源。当扩散泵温度降至接近室温，关闭阀（3）和机械泵，并断水冷。

附图1是真空室的装配示意图（正视图）。在真空室（1）的上下面绝缘地装有两个柱形空室（2）（3），两空室中装有用条形永磁铁（4）围成的圆筒状磁场（即等离子体约束磁场），磁场的方向是竖直的附图3是圆筒状磁场的示意图，两空室（2）（3）的相对面由螺钉固定两对靶（5）（16）（17）（18），靶的直径40mm，相距100mm。（6）（7）是一对双孔靶罩，靶罩起诱发起弧作用。示意图见附图4（1）（2）（3）（4）是可以转动的靶盖，（5）（16）（17）（18）是靶，四个靶可分别选用不同材料，这样就既可以使两对对向靶同时溅射来制备多元合金膜或双层膜，这个设计简便易行，大大扩充了本实用新型的功能。溅射进行时空室（2）（3）中，通有冷却水，靶上接有负高压，（8）（9）是两个负高压接口。真空室上盖（10）可以打开，（11）（12）是开启结构。（13）是一个带状基板用基板架，重物（14）起拉平基板（15）的作用，这样可消除由于基板应力造成的溅射出的薄膜均匀性不好，提高薄膜的附着力。（19）是由机械转轴（20）带动的档板，在溅射前可用它来对基片进行反溅射，来达到对基板的“清洗”作用。

基片的温度在一个较大的范围内可控，用钽片，钼丝制成的加热器可对基片加温，同时又用通水或液氮来对基板进行冷却，这样就可以制各出晶态（单晶或多晶），非晶态的薄膜来，其中冷却基板的液氮盒见附图5，（15）为基板。

附图6是为溅射3吋和5吋软盘片而设计的基板架，在溅射过程中，软盘片处于不停的转动之中，这样可使溅射出的薄膜均匀性更好，图中（1）放置3吋或5吋软盘片的圆形夹具，（2）锥形直齿轮，（20）由直流电机带动的机械转轴。

附图2也是真空室的装配示意图（俯视图），接口（1）（2）（3）（4）（5）分别用做测量真空度，通入冷却基板的液体或气体，基片加射频负偏置电压，加热基片、或加装四极质谱仪，俄歇谱仪等测量和研究而用。

D处管道接抽真空系统，抽空系统由其空机械泵，油扩散泵和液氮冷阱组成，1小时内可使真空进入10^－6用液氮后可达2×10^－7，（6）表示的是一个针阀、该针阀上方仍有一只相同针阀，一个通入氩气，另一个在做反应溅射时通入进行反应的气体。

Claims (1)

1、一种由真空室、直流电源和射频电源组成的溅射装置，其特征在于

a.两对大小相同，但材质可以不同的靶和一对双孔靶罩，四只靶两两固定在真空室中的两个柱形空室的相对面上，一对双孔靶罩，用来掩盖或露出四只靶。

b.由直流电机和锥形直齿轮带动的连续旋转基板架和放置3吋或5吋软盘片的圆形夹具。

c.冷却基板的液氮盒。

d.带状基板用基板架，它放置在真空室中，靶径以外的空间中。

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