一種雙源濺射合金薄膜的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種雙源濺射合金薄膜的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]最初的ECR等離子源，是將微波以串聯(lián)方式導(dǎo)入等離子源的。如圖1所示，10為矩形波導(dǎo)管，11為石英窗，12為圓筒靶材，13為基片，14為基片架，設(shè)置在等離子源和微波導(dǎo)入用的矩形波導(dǎo)10之間的石英窗11上一旦形成導(dǎo)電性膜，微波會(huì)在石英窗11處被反射，導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定，或者等離子體消失。因此，最初的ECR等離子體源未能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性膜的連續(xù)成膜。為了解決上述問題，導(dǎo)入了兩種方法。
[0003](I)微波分割法
如圖2所示，利用分配器21把向等離子體室導(dǎo)入微波用的導(dǎo)波管分成兩支，使微波(Becr)分割成兩股。被分割后的兩股微波導(dǎo)入等離子體室時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)波管的位置相對(duì)，由混合器22混合，第一磁線圈23設(shè)置在導(dǎo)波管中。這種導(dǎo)波管的構(gòu)造，使得微波回路呈環(huán)狀。微波導(dǎo)入后，在環(huán)狀導(dǎo)波管內(nèi)合成，形成定在波。將環(huán)狀導(dǎo)波管長(zhǎng)度設(shè)定為微波的管內(nèi)波長(zhǎng)的1/2的整數(shù)倍，等離子體室中央部的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為0(第二磁線圈24設(shè)置在中央部?jī)蓚?cè))，可以使磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，由于感應(yīng)電場(chǎng)的方向與磁場(chǎng)方向垂直，以電場(chǎng)強(qiáng)度為O的P點(diǎn)作為起點(diǎn)，微波再一次開始傳遞，并向等離子體室擴(kuò)展形成等離子流26(兩側(cè)設(shè)置有圓筒靶材25)，然后在基片架28上的基片27上形成薄膜。這種情況下，可以將導(dǎo)波管和等離子體室之間的真空隔離用的石英窗24設(shè)置在其對(duì)面的環(huán)狀導(dǎo)波管的里面，使靶材不會(huì)直接面對(duì)石英窗24，并且使等離子體不會(huì)直接接觸石英窗。這樣，在形成導(dǎo)電膜時(shí)，石英窗24上不會(huì)生成導(dǎo)電膜，因而不會(huì)影響導(dǎo)電膜生成的連續(xù)性。以下將此方法稱為微波分割法。
[0004](2)靶材外置法
圖1的條件下，在石英窗上會(huì)形成導(dǎo)電膜，是由于靶材被設(shè)置在直接面對(duì)石英窗的位置上。因此，不將靶材設(shè)置在等離子體室的旁邊，而是設(shè)置在等離子體室外部，且使靶材面向基板方向，這樣，由于靶材不會(huì)直接面對(duì)石英窗，不會(huì)在石英窗上形成導(dǎo)電膜，從而制備出連續(xù)的導(dǎo)電薄膜。如圖3所示，以下將該方法稱為靶材外置法，工作氣體31進(jìn)入到等離子體室33，微波通過石英窗32進(jìn)入等離子體室33，磁線圈36設(shè)置在等離子體室33兩側(cè)，然后等離子體進(jìn)入沉積室34，在基片35上沉積薄膜。該方法的特征是，濺射用的等離子體是在發(fā)散磁場(chǎng)作用下從ECR等離子體源流出，然后將其引導(dǎo)至靶材37的正上方，進(jìn)行濺射的。
[0005]上述兩種方法均是形成導(dǎo)電性膜的合適的方法，但是，無法通過設(shè)置多個(gè)靶材形成合金膜或者摻雜薄膜。雖然將圖2和3所示的靶材可以分割成多個(gè)，各自接上獨(dú)立電源，成膜初期可以很好的控制其形成合金膜。但是，由于分割后的靶材與對(duì)面的靶材相互面對(duì)，靶材上濺射出的原子的移動(dòng)方向無法單獨(dú)控制，使得靶材之間相互污染。因此，長(zhǎng)期使用的情況下，無法控制合金膜和摻雜膜的組成。
[0006]綜上所述，上述的微波分割法以及靶材外置法，在進(jìn)行合金膜和摻雜膜的制備時(shí)，存在著隨著長(zhǎng)期使用，膜的組成的穩(wěn)定性無法控制的問題。
[0007]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種雙源濺射合金薄膜的裝置及方法，旨在解決現(xiàn)有的制備方式長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致膜的組成穩(wěn)定性無法控制的問題。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其中，包括一腔體、設(shè)置在腔體內(nèi)并用于固定襯底材料的基片、連通于腔體的導(dǎo)波管以及磁控陰極濺射裝置，在所述導(dǎo)波管末端設(shè)置有等離子體引出部位，所述等離子引出部位連接作為第一濺射源的圓筒靶材，所述磁控陰極濺射裝置包括作為第二濺射源的磁控陰極靶材，所述磁控陰極靶材通過磁控陰極連接石英窗，所述基片兩側(cè)設(shè)置有磁線圈。
[0010]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其中，所述第一濺射源的照射方向與基片所成角度小于90度。
[0011]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其中，所述第二濺射源的照射方向與第一濺射源的照射方向所成夾角為45度。
[0012]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其中，所述磁控陰極靶材設(shè)置有多個(gè)。
[0013]一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其中，包括步驟:
A、將襯底材料固定在基板上，先將腔體抽真空，然后通入氬氣；
B、通過施加30?50A的磁線圈電流和150?800W的微波，使腔體中的初始電子在磁場(chǎng)和微波的耦合作用下離化氣體，產(chǎn)生ECR等離子體;將ECR等離子體引出至腔體中，形成發(fā)散式的ECR等離子體源；
C、在沉積薄膜時(shí)開啟圓筒靶材和磁控陰極靶材，將靶材原子濺射到ECR等離子體源中，靶材原子飛行到襯底表面發(fā)生鍵合，實(shí)現(xiàn)合金薄膜的生長(zhǎng)。
[0014]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其中，圓筒靶材的濺射功率在0-1.5 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0015]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其中，磁控陰極靶材的濺射功率在0-0.75 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0016]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其中，在所述步驟C中，通過回轉(zhuǎn)基板降低所生成的合金膜的成分不均勻性。
[0017]所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其中，基板回轉(zhuǎn)速率為0-10 rpmο
[0018]有益效果:本發(fā)明中，ECR發(fā)散等離子體和磁控陰極等離子體相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙源濺射。通過安裝不同濺射靶材可以控制合金薄膜的組成元素，通過調(diào)節(jié)圓筒靶偏壓和磁控管陰極的功率可以控制合金膜和摻雜膜的組成比例。
【附圖說明】
[0019]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種雙源濺射合金薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中另一種雙源濺射合金薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中又一種雙源濺射合金薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明一種雙源濺射合金薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明提供一種雙源濺射合金薄膜的裝置及方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]請(qǐng)參閱圖4，圖4為本發(fā)明一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其包括一腔體、設(shè)置在腔體內(nèi)并用于固定襯底材料的基片4、連通于腔體的導(dǎo)波管以及磁控陰極濺射裝置，在所述導(dǎo)波管末端設(shè)置有等離子體引出部位，所述等離子引出部位連接作為第一濺射源的圓筒靶材1，所述磁控陰極濺射裝置包括作為第二濺射源的磁控陰極靶材5(即磁控管陰極靶材)，所述磁控陰極靶材5通過磁控陰極6連接石英窗7，所述基片4兩側(cè)設(shè)置有磁線圈2。
[0025]在等離子體引出部位設(shè)置圓筒靶材1，作為第一濺射源，通過靶材電源在其表面施加偏壓，實(shí)現(xiàn)ECR等離子體濺射;在工作腔體一側(cè)安裝磁控陰極靶材5作為第二濺射源，通過靶材電源在其表面施加偏壓，實(shí)現(xiàn)磁控陰極等離子體濺射。
[0026]本發(fā)明的方法將ECR等離子體源和磁控濺射源彼此獨(dú)立地設(shè)置在成膜室(即腔體)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)雙源濺射。同時(shí)將磁控陰極靶與ECR等離子體源完全隔離，避免了磁控陰極材5濺射與圓筒靶材I間濺射的相互干涉。
[0027]所述第一濺射源的照射方向與基片所成角度小于90度，實(shí)現(xiàn)離子照射。
[0028]本發(fā)明的裝置，微波在磁線圈2和波導(dǎo)設(shè)計(jì)作用下傳播方向轉(zhuǎn)向90度，如圖4所示，石英窗7置于波導(dǎo)轉(zhuǎn)向處，圓筒靶材I和磁控陰極靶材5彼此獨(dú)立地設(shè)置在成膜室內(nèi)。
[0029]所述第二濺射源的照射方向與第一濺射源的照射方向所成夾角為45度，磁控陰極6與ECR等離子體源的石英窗7完全隔離。
[0030]上述磁控陰極靶材5可使用直流或者射頻電源；所述磁控陰極靶材5可設(shè)置有多個(gè)。
[0031]本發(fā)明還提供一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其包括步驟:
A、將襯底材料固定在基板上，先將腔體抽真空，然后通入氬氣；
具體來說，將襯底材料固定在基板4上，當(dāng)腔體真空度當(dāng)腔體內(nèi)真空度抽到3X10夂6X 10—5Pa后，通入氬氣，使腔內(nèi)的氣壓升高到2 X 10—2?6 X 10—2Pa ;。
[0032]B、通過施加30?50A的磁線圈電流和150?800W的微波，使腔體中的初始電子在磁場(chǎng)和微波的耦合作用下離化氣體，產(chǎn)生ECR等離子體;將ECR等離子體引出至腔體中，形成發(fā)散式的ECR等離子體源；
C、在沉積薄膜時(shí)開啟圓筒靶材和磁控陰極靶材，將靶材原子濺射到ECR等離子體源中，靶材原子飛行到襯底表面發(fā)生鍵合，實(shí)現(xiàn)合金薄膜的生長(zhǎng)。
[0033]在沉積薄膜時(shí)開啟圓筒靶材和磁控陰極靶材電源，將兩種以上靶材原子濺射到等離子體中，靶材原子飛行到襯底表面發(fā)生鍵合，實(shí)現(xiàn)合金薄膜的生長(zhǎng)。其中，通過調(diào)節(jié)圓筒靶材偏壓和磁控陰極的功率控制合金膜和摻雜膜的組成。
[0034]圓筒靶材的濺射功率在0-1.5 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0035]磁控陰極靶材的濺射功率在0-0.75 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果采用射頻電源，可在0-
0.5 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在所述步驟C中，通過回轉(zhuǎn)基板降低所生成的合金膜的成分不均勻性。例如，基板回轉(zhuǎn)速率為0-10 rpm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，如選擇5rpm。
[0036]本發(fā)明中，由ECR等離子體，用于對(duì)基板進(jìn)行離子照射和圓筒靶材的濺射。另一方面，磁控陰極與ECR等離子體源被各自獨(dú)立設(shè)置在與ECR等離子體完全隔離的位置。因此，成膜時(shí)磁控陰極靶材和圓筒靶材不會(huì)產(chǎn)生干涉。并且，由于該方式的磁控陰極與ECR等離子體源的石英窗完全隔離，因此，從磁控陰極濺射出的原子不會(huì)附著在石英窗上。因而，通過調(diào)節(jié)磁控陰極的功率可以控制合金膜和摻雜膜的組成，使長(zhǎng)時(shí)間濺射成為可能。ECR等離子體源的氣壓為10—2Pa標(biāo)準(zhǔn)氣壓。這種低氣壓的條件下，采用二極管濺射源生成等離子體是比較困難的。但是，如果將磁控管陰極濺射源作為ECR等離子源和獨(dú)立濺射源使用的話，即使在ΙΟ"2 Pa的氣壓下，也可以生成等離子體，該方法可以容易地生成合金膜和摻雜膜。
[0037]實(shí)施例1:
圓筒革E材:碳；
微波功率:500 W；
圓筒靶材偏壓:直流電壓-500 V；
氣體:氬氣；
氣壓:4X10—2 Pa；
磁控陰極靶材:鉑金；
磁控陰極負(fù)荷:直流電壓300 V-600 V;
基板:娃(100)。
[0038]通過本實(shí)施例確認(rèn)了以下事實(shí)，即不論ECR等離子體源是否生成等離子體，都可以獨(dú)立地控制磁控陰極濺射源的等離子生成。通過控制磁控陰極的施加電壓，在硅基板上生成了碳與鉑金的合金膜。可以實(shí)現(xiàn)膜的組成與磁控陰極電壓的線性控制，其中鉑金組分可以控制在在O?25%范圍內(nèi)。
[0039]實(shí)施例2:
圓筒革E材:碳；
微波功率:200 W；
圓筒靶材偏壓:直流電壓+300 V；
氣體:氬氣；
氣壓:4X10—2 Pa；
磁控陰極靶材:鈀-釕合金(Pd-Ru);
磁控陰極負(fù)荷:直流電壓300 V-600 V;
基板:娃(100)。
[0040]通過本實(shí)施例確認(rèn)了以下事實(shí)。即通過控制磁控陰極的施加電壓，在硅基板上生成了鈀-釕二元摻雜的碳基合金薄膜。薄膜整體微觀組成為碳-鈀-釕三元非晶結(jié)構(gòu)，透射電鏡觀察局部可見納米尺度有序晶粒，納米晶粒分布均勻。通過調(diào)節(jié)磁控陰極濺射電壓，其中鈀原子含量可以控制在在ck113/。，=!了原子含量可以控制在在ο~ιο%范圍內(nèi)。
[0041]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果:
I)本發(fā)明是利用ECR等離子體和磁控陰極等離子體相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙源濺射。通過安裝不同濺射靶材可以控制合金薄膜的組成元素，通過調(diào)節(jié)圓筒靶偏壓和磁控管陰極的功率可以控制合金膜和摻雜膜的組成比例。
[0042]2)本發(fā)明利用磁線圈和波導(dǎo)設(shè)計(jì)將微波傳播方向轉(zhuǎn)向90度，避免了因?yàn)閳A筒靶濺射而引起的石英窗污染，從而使ECR等離子體源可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作而不需要清洗石英窗。
[0043]3)本發(fā)明將磁控陰極靶與ECR等離子體源完全隔離，從而避免二者發(fā)生干涉，將磁控陰極靶與ECR等離子體引出方向成45度角安裝，避免了磁控陰極靶濺射的原子污染圓筒靶。
[0044]4)本發(fā)明中，磁控陰極即使在10—2 Pa的氣壓下也可以生成等離子體，因此可以在較高工作氣壓下生成合金膜和摻雜膜，有利于快速沉積。
[0045]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其特征在于，包括一腔體、設(shè)置在腔體內(nèi)并用于固定襯底材料的基片、連通于腔體的導(dǎo)波管以及磁控陰極濺射裝置，在所述導(dǎo)波管末端設(shè)置有等離子體引出部位，所述等離子引出部位連接作為第一濺射源的圓筒靶材，所述磁控陰極濺射裝置包括作為第二濺射源的磁控陰極靶材，所述磁控陰極靶材通過磁控陰極連接石英窗，所述基片兩側(cè)設(shè)置有磁線圈。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其特征在于，所述第一濺射源的照射方向與基片所成角度小于90度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其特征在于，所述第二濺射源的照射方向與第一濺射源的照射方向所成夾角為45度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的裝置，其特征在于，所述磁控陰極靶材設(shè)置有多個(gè)。5.一種ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其特征在于，包括步驟: A、將襯底材料固定在基板上，先將腔體抽真空，然后通入氬氣； B、通過施加30?50A的磁線圈電流和150?800W的微波，使腔體中的初始電子在磁場(chǎng)和微波的耦合作用下離化氣體，產(chǎn)生ECR等離子體，將ECR等離子體引出至腔體中，形成發(fā)散式的ECR等離子體源； C、在沉積薄膜時(shí)開啟圓筒靶材和磁控陰極靶材，將靶材原子濺射到ECR等離子體源中，靶材原子飛行到襯底表面發(fā)生鍵合，實(shí)現(xiàn)合金薄膜的生長(zhǎng)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其特征在于，圓筒靶材的濺射功率在0-1.5 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其特征在于，磁控陰極靶材的濺射功率在0-0.75 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其特征在于，在所述步驟C中，通過回轉(zhuǎn)基板降低所生成的合金膜的成分不均勻性。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ECR等離子體-磁控陰極雙源濺射合金薄膜的方法，其特征在于，基板回轉(zhuǎn)速率為0-10 rpm。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種雙源濺射合金薄膜的裝置及方法。裝置其包括一腔體、設(shè)置在腔體內(nèi)并用于固定襯底材料的基片、連通于腔體的導(dǎo)波管以及磁控陰極濺射裝置，在所述導(dǎo)波管末端設(shè)置有等離子體引出部位，所述等離子引出部位連接作為第一濺射源的圓筒靶材，所述磁控陰極濺射裝置包括作為第二濺射源的磁控陰極靶材，所述磁控陰極靶材通過磁控陰極連接石英窗，所述基片兩側(cè)設(shè)置有磁線圈。本發(fā)明中，ECR發(fā)散等離子體和磁控陰極等離子體相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙源濺射。通過安裝不同濺射靶材可以控制合金薄膜的組成元素，通過調(diào)節(jié)圓筒靶偏壓和磁控管陰極的功率可以控制合金膜和摻雜膜的組成比例。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/46
【公開號(hào)】CN105714258
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610103435
【發(fā)明人】刁東風(fēng), 王超
【申請(qǐng)人】深圳大學(xué)