CN105714258B - 一种双源溅射合金薄膜的装置及方法 - Google Patents

一种双源溅射合金薄膜的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双源溅射合金薄膜的装置及方法。装置其包括一腔体、设置在腔体内并用于固定衬底材料的基片、连通于腔体的导波管以及磁控阴极溅射装置，在所述导波管末端设置有等离子体引出部位，所述等离子引出部位连接作为第一溅射源的圆筒靶材，所述磁控阴极溅射装置包括作为第二溅射源的磁控阴极靶材，所述磁控阴极靶材通过磁控阴极连接石英窗，所述基片两侧设置有磁线圈。本发明中，ECR发散等离子体和磁控阴极等离子体相互独立设计，实现双源溅射。通过安装不同溅射靶材可以控制合金薄膜的组成元素，通过调节圆筒靶偏压和磁控管阴极的功率可以控制合金膜和掺杂膜的组成比例。

Description

一种双源溅射合金薄膜的装置及方法
技术领域
本发明涉及薄膜技术及应用领域，尤其涉及一种双源溅射合金薄膜的装置及方法。
背景技术
最初的ECR等离子源，是将微波以串联方式导入等离子源的。如图1所示，10为矩形波导管，11为石英窗，12为圆筒靶材，13为基片，14为基片架，设置在等离子源和微波导入用的矩形波导10之间的石英窗11上一旦形成导电性膜，微波会在石英窗11处被反射，导致等离子体不稳定，或者等离子体消失。因此，最初的ECR等离子体源未能实现导电性膜的连续成膜。为了解决上述问题，导入了两种方法。
（1）微波分割法
如图2所示，利用分配器21把向等离子体室导入微波用的导波管分成两支，使微波（BECR）分割成两股。被分割后的两股微波导入等离子体室时，两个导波管的位置相对，由混合器22混合，第一磁线圈23设置在导波管中。这种导波管的构造，使得微波回路呈环状。微波导入后，在环状导波管内合成，形成定在波。将环状导波管长度设定为微波的管内波长的1/2的整数倍，等离子体室中央部的电场强度设为0（第二磁线圈24设置在中央部两侧），可以使磁场强度达到最大。电磁感应现象中，由于感应电场的方向与磁场方向垂直，以电场强度为0的P点作为起点，微波再一次开始传递，并向等离子体室扩展形成等离子流26（两侧设置有圆筒靶材25），然后在基片架28上的基片27上形成薄膜。这种情况下，可以将导波管和等离子体室之间的真空隔离用的石英窗24设置在其对面的环状导波管的里面，使靶材不会直接面对石英窗24，并且使等离子体不会直接接触石英窗。这样，在形成导电膜时，石英窗24上不会生成导电膜，因而不会影响导电膜生成的连续性。以下将此方法称为微波分割法。
（2）靶材外置法
图1的条件下，在石英窗上会形成导电膜，是由于靶材被设置在直接面对石英窗的位置上。因此，不将靶材设置在等离子体室的旁边，而是设置在等离子体室外部，且使靶材面向基板方向，这样，由于靶材不会直接面对石英窗，不会在石英窗上形成导电膜，从而制备出连续的导电薄膜。如图3所示，以下将该方法称为靶材外置法，工作气体31进入到等离子体室33，微波通过石英窗32进入等离子体室33，磁线圈36设置在等离子体室33两侧，然后等离子体进入沉积室34，在基片35上沉积薄膜。该方法的特征是，溅射用的等离子体是在发散磁场作用下从ECR等离子体源流出，然后将其引导至靶材37的正上方，进行溅射的。
上述两种方法均是形成导电性膜的合适的方法，但是，无法通过设置多个靶材形成合金膜或者掺杂薄膜。虽然将图2和3所示的靶材可以分割成多个，各自接上独立电源，成膜初期可以很好的控制其形成合金膜。但是，由于分割后的靶材与对面的靶材相互面对，靶材上溅射出的原子的移动方向无法单独控制，使得靶材之间相互污染。因此，长期使用的情况下，无法控制合金膜和掺杂膜的组成。
综上所述，上述的微波分割法以及靶材外置法，在进行合金膜和掺杂膜的制备时，存在着随着长期使用，膜的组成的稳定性无法控制的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双源溅射合金薄膜的装置及方法，旨在解决现有的制备方式长时间使用导致膜的组成稳定性无法控制的问题。
本发明的技术方案如下：
一种ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其中，包括一腔体、设置在腔体内并用于固定衬底材料的基片、连通于腔体的导波管以及磁控阴极溅射装置，在所述导波管末端设置有等离子体引出部位，所述等离子引出部位连接作为第一溅射源的圆筒靶材，所述磁控阴极溅射装置包括作为第二溅射源的磁控阴极靶材，所述等离子体引出部位两侧设置有磁线圈。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其中，所述第一溅射源的照射方向与基片所成角度小于90度。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其中，所述第二溅射源的照射方向与第一溅射源的照射方向所成夹角为45度。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其中，所述磁控阴极靶材设置有多个。
一种ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其中，包括步骤：
A、将衬底材料固定在基板上，先将腔体抽真空，然后通入氩气；
B、通过施加30~50A的磁线圈电流和150~800W的微波，使腔体中的初始电子在磁场和微波的耦合作用下离化气体，产生ECR等离子体；将ECR等离子体引出至腔体中，形成发散式的ECR等离子体源；
C、在沉积薄膜时开启圆筒靶材和磁控阴极靶材，将靶材原子溅射到ECR等离子体源中，靶材原子飞行到衬底表面发生键合，实现合金薄膜的生长。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其中，圆筒靶材的溅射功率在0-1.5 kW范围内调节。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其中，磁控阴极靶材的溅射功率在0-0.75 kW范围内调节。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其中，在所述步骤C中，通过回转基板降低所生成的合金膜的成分不均匀性。
所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其中，基板回转速率为0-10 rpm。
有益效果：本发明中，ECR发散等离子体和磁控阴极等离子体相互独立设计，实现双源溅射。通过安装不同溅射靶材可以控制合金薄膜的组成元素，通过调节圆筒靶偏压和磁控管阴极的功率可以控制合金膜和掺杂膜的组成比例。
附图说明
图1为现有技术中一种双源溅射合金薄膜的装置的结构示意图。
图2为现有技术中另一种双源溅射合金薄膜的装置的结构示意图。
图3为现有技术中又一种双源溅射合金薄膜的装置的结构示意图。
图4为本发明一种双源溅射合金薄膜的装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种双源溅射合金薄膜的装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图4，图4为本发明一种ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其包括一腔体、设置在腔体内并用于固定衬底材料的基片、连通于腔体的导波管以及磁控阴极溅射装置，在所述导波管末端设置有等离子体引出部位，所述等离子引出部位连接作为第一溅射源的圆筒靶材，所述磁控阴极溅射装置包括作为第二溅射源的磁控阴极靶材7(即磁控管阴极靶材)，所述等离子体引出部位两侧设置有磁线圈。
在等离子体引出部位设置圆筒靶材，作为第一溅射源，通过靶材电源在其表面施加偏压，实现ECR等离子体溅射；在工作腔体一侧安装磁控阴极靶材7作为第二溅射源，通过靶材电源在其表面施加偏压，实现磁控阴极等离子体溅射。
本发明的方法将ECR等离子体源和磁控溅射源彼此独立地设置在成膜室（即腔体）内，从而实现双源溅射。同时将磁控阴极靶与ECR等离子体源完全隔离，避免了磁控阴极材7溅射与圆筒靶材间溅射的相互干涉。
所述第一溅射源的照射方向与基片所成角度小于90度，实现离子照射。
本发明的装置，微波在磁线圈2和波导设计作用下传播方向转向90度，如图4所示，石英窗4置于波导转向处，圆筒靶材和磁控阴极靶材7彼此独立地设置在成膜室内。
所述第二溅射源的照射方向与第一溅射源的照射方向所成夹角为45度，磁控阴极5、6与ECR等离子体源的石英窗4完全隔离。
上述磁控阴极靶材7可使用直流或者射频电源；所述磁控阴极靶材7可设置有多个。
本发明还提供一种ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的方法，其包括步骤：
A、将衬底材料固定在基板上，先将腔体抽真空，然后通入氩气；
具体来说，将衬底材料固定在基板上，当腔体真空度当腔体内真空度抽到3×10-5~6×10-5Pa 后，通入氩气，使腔内的气压升高到2×10-2~6×10-2Pa ；。
B、通过施加30~50A的磁线圈电流和150~800W的微波，使腔体中的初始电子在磁场和微波的耦合作用下离化气体，产生ECR等离子体；将ECR等离子体引出至腔体中，形成发散式的ECR等离子体源；
C、在沉积薄膜时开启圆筒靶材和磁控阴极靶材，将靶材原子溅射到ECR等离子体源中，靶材原子飞行到衬底表面发生键合，实现合金薄膜的生长。
在沉积薄膜时开启圆筒靶材和磁控阴极靶材电源，将两种以上靶材原子溅射到等离子体中，靶材原子飞行到衬底表面发生键合，实现合金薄膜的生长。其中，通过调节圆筒靶材偏压和磁控阴极的功率控制合金膜和掺杂膜的组成。
圆筒靶材的溅射功率在0-1.5 kW范围内调节。
磁控阴极靶材的溅射功率在0-0.75 kW范围内调节。如果采用射频电源，可在0-0.5 kW范围内调节。在所述步骤C中，通过回转基板降低所生成的合金膜的成分不均匀性。例如，基板回转速率为0-10 rpm范围内调节，如选择5rpm。
本发明中，由ECR等离子体，用于对基板进行离子照射和圆筒靶材的溅射。另一方面，磁控阴极与ECR等离子体源被各自独立设置在与ECR等离子体完全隔离的位置。因此，成膜时磁控阴极靶材和圆筒靶材不会产生干涉。并且，由于该方式的磁控阴极与ECR等离子体源的石英窗完全隔离，因此，从磁控阴极溅射出的原子不会附着在石英窗上。因而，通过调节磁控阴极的功率可以控制合金膜和掺杂膜的组成，使长时间溅射成为可能。ECR等离子体源的气压为10-2Pa标准气压。这种低气压的条件下，采用二极管溅射源生成等离子体是比较困难的。但是，如果将磁控管阴极溅射源作为ECR等离子源和独立溅射源使用的话，即使在10-2 Pa的气压下，也可以生成等离子体，该方法可以容易地生成合金膜和掺杂膜。
实施例1：
圆筒靶材：碳；
微波功率：500 W；
圆筒靶材偏压：直流电压-500 V；
气体：氩气；
气压：4×10-2 Pa；
磁控阴极靶材：铂金；
磁控阴极负荷：直流电压300 V-600 V;
基板：硅（100）。
通过本实施例确认了以下事实，即不论ECR等离子体源是否生成等离子体，都可以独立地控制磁控阴极溅射源的等离子生成。通过控制磁控阴极的施加电压，在硅基板上生成了碳与铂金的合金膜。可以实现膜的组成与磁控阴极电压的线性控制，其中铂金组分可以控制在在0~25%范围内。
实施例2：
圆筒靶材：碳；
微波功率：200 W；
圆筒靶材偏压：直流电压+300 V；
气体：氩气；
气压：4×10-2 Pa；
磁控阴极靶材：钯-钌合金（Pd-Ru）；
磁控阴极负荷：直流电压300 V-600 V;
基板：硅（100）。
通过本实施例确认了以下事实。即通过控制磁控阴极的施加电压，在硅基板上生成了钯-钌二元掺杂的碳基合金薄膜。薄膜整体微观组成为碳-钯-钌三元非晶结构，透射电镜观察局部可见纳米尺度有序晶粒，纳米晶粒分布均匀。通过调节磁控阴极溅射电压，其中钯原子含量可以控制在在0~10%，钌原子含量可以控制在在0~10%范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
1）本发明是利用ECR等离子体和磁控阴极等离子体相互独立设计，实现双源溅射。通过安装不同溅射靶材可以控制合金薄膜的组成元素，通过调节圆筒靶偏压和磁控管阴极的功率可以控制合金膜和掺杂膜的组成比例。
2）本发明利用磁线圈和波导设计将微波传播方向转向90度，避免了因为圆筒靶溅射而引起的石英窗污染，从而使ECR等离子体源可以长期稳定工作而不需要清洗石英窗。
3）本发明将磁控阴极靶与ECR等离子体源完全隔离，从而避免二者发生干涉，将磁控阴极靶与ECR等离子体引出方向成45度角安装，避免了磁控阴极靶溅射的原子污染圆筒靶。
4）本发明中，磁控阴极即使在10-2 Pa的气压下也可以生成等离子体，因此可以在较高工作气压下生成合金膜和掺杂膜，有利于快速沉积。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其特征在于，包括一腔体、设置在腔体内并用于固定衬底材料的基片、连通于腔体的导波管以及磁控阴极溅射装置，在所述导波管末端设置有等离子体引出部位，所述等离子引出部位连接作为第一溅射源的圆筒靶材，所述磁控阴极溅射装置包括作为第二溅射源的磁控阴极靶材，所述等离子引出部位两侧设置有磁线圈;
作为第二溅射源的磁控阴极靶材安装在腔体一侧；
所述第二溅射源的照射方向与第一溅射源的照射方向所成夹角为45度;
所述磁控阴极靶材安装在真空腔体一侧的凸起内。
2.根据权利要求1所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其特征在于，所述第一溅射源的照射方向与基片所成角度小于90度。
3.根据权利要求1所述的ECR等离子体-磁控阴极双源溅射合金薄膜的装置，其特征在于，所述磁控阴极靶材设置有多个。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的装置制备合金薄膜的方法，其特征在于，包括步骤：
A、将衬底材料固定在基板上，先将腔体抽真空，然后通入氩气；
B、通过施加30~50A的磁线圈电流和150~800W的微波，使腔体中的初始电子在磁场和微波的耦合作用下离化气体，产生ECR等离子体，将ECR等离子体引出至腔体中，形成发散式的ECR等离子体源；
C、在沉积薄膜时开启圆筒靶材和磁控阴极靶材，将靶材原子溅射到ECR等离子体源中，靶材原子飞行到衬底表面发生键合，实现合金薄膜的生长。
5.根据权利要求4所述的制备合金薄膜的方法，其特征在于，圆筒靶材的溅射功率在0-1.5 kW范围内调节。
6.根据权利要求4所述的制备合金薄膜的方法，其特征在于，磁控阴极靶材的溅射功率在0-0.75 kW范围内调节。
7.根据权利要求4所述的制备合金薄膜的方法，其特征在于，在所述步骤C中，通过回转基板降低所生成的合金膜的成分不均匀性。
8.根据权利要求7所述的制备合金薄膜的方法，其特征在于，基板回转速率为0-10rpm。
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