等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括真空室、非平衡磁控濺射陰極、樣品架和等離子體發(fā)生器，樣品架和非平衡磁控濺射陰極都設(shè)置在真空室內(nèi)，且非平衡磁控濺射陰極位于樣品架的上方；等離子體發(fā)生器與真空室連通；等離子體發(fā)生器用于對(duì)注入其內(nèi)的氣體進(jìn)行等離子體化，并將氣體的等離子體輸送至真空室內(nèi)；非平衡磁控濺射陰極用于對(duì)氣體的等離子體進(jìn)一步電離，并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到樣品架上的襯底上。通過(guò)本發(fā)明，可以使單位時(shí)間內(nèi)轟擊到樣品架上襯底表面的等離子密度增大，由此可以提高薄膜質(zhì)量；另外可以提高薄膜的致密度并降低沉積薄膜的成本。
【專利說(shuō)明】
等離子體増強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于氮化物、碳化物及氧化物薄膜/涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]濺射是一種工藝通過(guò)環(huán)繞在陰極靶表面工作氣體低氣壓輝光放電的方式產(chǎn)生沉積到襯底上所需要的離子或原子物質(zhì)。來(lái)自于陰極靶表面的離子通過(guò)陰極靶表面的電磁場(chǎng)正交的電子阱后，被加速轟擊到被偏置的襯底表面，從而形成致密薄膜/涂層。
[0003]磁控濺射的本質(zhì)是通過(guò)增加磁場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)輝光放電的強(qiáng)度，增加的磁場(chǎng)強(qiáng)度直接導(dǎo)致磁力線捕獲的電子增加行程，增加與其它原子碰撞的機(jī)會(huì)，增強(qiáng)等離子體的離化率。這是磁控濺射技術(shù)的沉積速率高于其它濺射技術(shù)沉積速率的根本。由于磁控陰極的磁場(chǎng)強(qiáng)度受到限制，磁控濺射沉積薄膜的速率及質(zhì)量已達(dá)到瓶頸。在一定條件下，提高工作氣壓雖然可以增加輝光放電的強(qiáng)度，但也直接導(dǎo)致薄膜致密度的降低。過(guò)去的實(shí)踐表明，降低工作氣壓有助于提高薄膜的質(zhì)量。近年來(lái)，非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)取得了極大的進(jìn)展，然而，目前的非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)獲得的沉積薄膜仍然存在質(zhì)量較低的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)及方法，以解決目前沉積薄膜質(zhì)量較低的問(wèn)題。
[0005]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)，包括真空室、非平衡磁控濺射陰極、樣品架和等離子體發(fā)生器，所述樣品架和所述非平衡磁控濺射陰極都設(shè)置在所述真空室內(nèi)上，所述非平衡磁控濺射陰極位于所述樣品架上方;所述等離子體發(fā)生器與所述真空室連通；
[0006]所述等離子體發(fā)生器用于對(duì)注入其內(nèi)的氣體進(jìn)行等離子體化，并將所述氣體的等離子體輸送至所述真空室內(nèi)；
[0007]所述非平衡磁控濺射陰極用于對(duì)所述氣體的等離子體進(jìn)一步電離并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到固定在所述樣品架上的襯底上。
[0008]在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸用于帶動(dòng)所述樣品架旋轉(zhuǎn)。
[0009]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸與直流脈沖電源連接，以使所述直流脈沖電源通過(guò)所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸向所述樣品架提供負(fù)向偏置電壓，從而使所述襯底處于負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下。
[0010]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括溫控系統(tǒng)，用于對(duì)所述真空室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。
[0011 ]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述真空室與真空栗連通。
[0012]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述真空室還通過(guò)冷卻管與冷卻機(jī)連通。
[0013]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二方面，還提供一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射方法，包括:等離子體發(fā)生器對(duì)注入其內(nèi)的工作氣體進(jìn)行等離子體化，并將工作氣體的等離子體輸送至真空室內(nèi)；
[0014]所述等離子體發(fā)生器對(duì)注入其內(nèi)的反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，并將反應(yīng)氣體的等離子體輸送至所述真空室內(nèi)；
[0015]非平衡磁控濺射陰極對(duì)所述真空室內(nèi)的等離子體進(jìn)一步電離并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到固定在樣品架上的襯底上。
[0016]在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括:控制初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)所述樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在所述樣品架上的襯底旋轉(zhuǎn)；
[0017]控制所述真空室內(nèi)的溫度在200°C至500°C的范圍內(nèi)；以及
[0018]控制直流脈沖電源向樣品架提供負(fù)向偏置電壓。
[0019]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述等離子體發(fā)生器的功率保持在30W至100W的范圍內(nèi)，所述工作氣體的等離子體被輸送至所述真空室內(nèi)后，所述真空室內(nèi)的氣壓在0.0IPa至0.05Pa范圍內(nèi)。
[0020]在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)所述樣品架以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn);所述負(fù)向偏置電壓在50V至150V范圍內(nèi)。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]1、本發(fā)明通過(guò)在沉積薄膜過(guò)程中，首先采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以使非平衡磁控濺射陰極表面的等離子體密度顯著增大，從而使得單位時(shí)間內(nèi)轟擊到樣品架上襯底表面的等離子密度增大，由此可以提高薄膜質(zhì)量;經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在沉積薄膜過(guò)程中真空室內(nèi)的氣壓越高，沉積獲得的薄膜的致密度越低，本發(fā)明由于輸入到真空室的工作氣體和反應(yīng)氣體均為等離子體，因此在沉積薄膜過(guò)程中真空室內(nèi)氣壓較低，從而可以提高薄膜的致密度;另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雖然非平衡磁控濺射陰極也能對(duì)氣體進(jìn)行等離子體化，但是受到工藝和材料的限制，非平衡磁控濺射陰極的等離子體化能力較低(通常在向真空室內(nèi)通入氣體后60%以上的氣體都不能被等離子體化)；本發(fā)明通過(guò)采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以降低工作氣體和反應(yīng)氣體的使用量，從而可以降低沉積薄膜的成本；
[0023]2、本發(fā)明通過(guò)在薄膜沉積過(guò)程中由初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)樣品架上襯底旋轉(zhuǎn)，可以保證襯底上沉積的等離子體的均勻度；
[0024]3、本發(fā)明通過(guò)向樣品架提供負(fù)向偏置電壓，可以使樣品架上襯底處于負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下，從而可以主動(dòng)吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進(jìn)一步提高薄膜致密度；
[0025]4、本發(fā)明通過(guò)在薄膜沉積過(guò)程中對(duì)真空室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，可以對(duì)薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；
[0026]5、本發(fā)明通過(guò)在薄膜沉積過(guò)程中對(duì)真空室抽至真空狀態(tài)，可以避免真空室內(nèi)殘余空氣對(duì)薄膜沉積的影響，從而可以提高薄膜沉積的質(zhì)量；
[0027]6、本發(fā)明通過(guò)使真空室與冷卻機(jī)連通，可以在真空室內(nèi)溫度較高時(shí)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，從而可以保證真空室內(nèi)的溫度在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)；
[0028]7、本發(fā)明通過(guò)控制真空室內(nèi)的溫度保持在2000C至500°C的范圍內(nèi)，可以提高薄膜微觀結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，使得薄膜微觀結(jié)構(gòu)無(wú)空隙；
[0029]8、本發(fā)明通過(guò)在沉積開(kāi)始后，將等離子體發(fā)生器的功率保持在30W至100W的范圍內(nèi)，可以在滿足薄膜沉積需求的前提下，降低等離子體發(fā)生器的能耗;通過(guò)在工作氣體的等離子體輸送至真空室內(nèi)后，使真空室內(nèi)的氣壓在0.0lPa至0.05Pa范圍內(nèi)，可以在不造成工作氣體浪費(fèi)的同時(shí)保證薄膜沉積過(guò)程中具有足夠的工作氣體，并且可以避免過(guò)多的該種等離子體輸送至真空室內(nèi)后，導(dǎo)致薄膜沉積過(guò)程中真空室內(nèi)的氣壓較高，從而進(jìn)一步可以提高薄膜的致密度；
[0030]9、本發(fā)明通過(guò)使襯底在薄膜沉積過(guò)程中以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可以使等離子體均勻沉積在襯底上，從而提高薄膜的均勻度;通過(guò)使提供給樣品架的負(fù)向偏置電壓在50V至150V范圍內(nèi)，可以在滿足薄膜沉積需求的前提下，降低直流脈沖電源的能耗。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1是本發(fā)明等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例剖視圖；
[0032]圖2是圖1中等離子體發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例剖視圖；
[0033]圖3是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的一個(gè)實(shí)施例示意圖；
[0034]圖4是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的另一個(gè)實(shí)施例示意圖；
[0035]圖5是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的另一個(gè)實(shí)施例示意圖；
[0036]圖6是本發(fā)明等離子體增強(qiáng)磁控濺射方法的一個(gè)實(shí)施例流程圖；
[0037]圖7是表示等離子體發(fā)生器功率對(duì)直流脈沖電源偏置功率影響的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實(shí)施例的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0039]在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。
[0040]參見(jiàn)圖1，為本發(fā)明等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。該等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)可以包括真空室100、非平衡磁控濺射陰極101、樣品架103和等離子體發(fā)生器105，其中，非平衡磁控濺射陰極101和樣品架103都可以設(shè)置在真空室100內(nèi)，且非平衡磁控濺射陰極101位于樣品架103上方;等離子體發(fā)生器105與真空室100連通且與射頻電源106連接。等離子體發(fā)生器105可以用于對(duì)注入其內(nèi)的氣體進(jìn)行等離子體化，并將該氣體的等離子體輸送至真空室100內(nèi)；非平衡磁控濺射陰極101可以用于對(duì)該氣體的等離子體進(jìn)一步電離并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到固定在樣品架103上的襯底上。
[0041]本實(shí)施例中，以本發(fā)明存在兩個(gè)等離子體發(fā)生器，其中一個(gè)等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體進(jìn)行等離子體化，另一個(gè)等離子體發(fā)生器對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化為例。在沉積薄膜過(guò)程中，可以首先打開(kāi)射頻電源106，以使兩個(gè)等離子體發(fā)生器105都開(kāi)始工作，然后向其中一個(gè)等離子體發(fā)生器105中注入工作氣體，向另一個(gè)等離子體發(fā)生器105中注入反應(yīng)氣體。此時(shí)，兩個(gè)等離子體發(fā)生器105可以分別對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化。由于兩個(gè)等離子體發(fā)生器105分別與真空室100連通，因此等離子體化后的兩種等離子體可以被輸送到真空室100中。此后，非平衡磁控濺射陰極101可以對(duì)真空室100內(nèi)的等離子體進(jìn)一步離化，并濺射靶材產(chǎn)生氣源沉積到固定在樣品架103上的襯底上，當(dāng)沉積完成后，襯底與沉積在襯底上的等離子體構(gòu)成需要的薄膜。需要注意的是:當(dāng)沉積薄膜需要兩種以上反應(yīng)氣體時(shí)，可以對(duì)應(yīng)增設(shè)等離子體發(fā)生器。
[0042]本發(fā)明通過(guò)在沉積薄膜過(guò)程中，首先采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以使非平衡磁控濺射陰極表面的等離子體密度顯著增大，從而使得單位時(shí)間內(nèi)轟擊到樣品架上襯底表面的等離子密度增大，由此可以提高薄膜質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在沉積薄膜過(guò)程中真空室內(nèi)的氣壓越高，沉積獲得的薄膜的致密度越低，本發(fā)明由于輸入到真空室的工作氣體和反應(yīng)氣體均為等離子體，因此在沉積薄膜過(guò)程中真空室內(nèi)氣壓較低，從而可以提高薄膜的致密度。另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雖然非平衡磁控濺射陰極也能對(duì)氣體進(jìn)行等離子體化，但是受到工藝和材料的限制，非平衡磁控濺射陰極的等離子體化能力較低(通常在向真空室內(nèi)通入氣體后60%以上的氣體都不能被等離子體化)。本發(fā)明通過(guò)采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以降低工作氣體和反應(yīng)氣體的使用量，降低沉積薄膜的成本。
[0043]圖1中等離子體發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖可以如圖2所示，該等離子體發(fā)生器可以包括設(shè)置在等離子體發(fā)生器腔內(nèi)的水冷管117、進(jìn)氣管111、金屬管電極112、陶瓷管113、線圈電極114、等離子體陶瓷集氣管118和導(dǎo)氣管104，其中水冷管117的入水口 109可以與冷卻機(jī)(圖中未示出)的出水口連通，其出水口 108可以與冷卻機(jī)(圖中未示出)的入水口連通;進(jìn)氣管111伸入等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)并通過(guò)法蘭115固定在等離子體發(fā)生器腔體上。另外，進(jìn)氣管111套裝在金屬管電極112內(nèi)，金屬管電極112套裝在陶瓷管113內(nèi)，且在陶瓷管113出口端的外側(cè)套裝有線圈電極114，該金屬管電極112和線圈電極114都與射頻電源106連接。陶瓷管113出口端通過(guò)等離子體陶瓷集氣管118與伸入真空室100中的導(dǎo)氣管104連通。等離子體發(fā)生器105開(kāi)始工作時(shí)，可以首先打開(kāi)射頻電源106，此時(shí)金屬管電極112和線圈電極114通電，然后通過(guò)進(jìn)氣管111向等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)注入對(duì)應(yīng)的氣體，氣體在金屬管電極112、陶瓷管113和線圈電極114的作用下進(jìn)行等離子體化，并在等離子體化后依次通過(guò)等離子體陶瓷集氣管118、導(dǎo)氣管104輸送到真空室100內(nèi)。在沉積結(jié)束后，可以打開(kāi)冷卻機(jī)，以使冷卻機(jī)通過(guò)水冷管117對(duì)等離子體發(fā)生器進(jìn)行冷卻處理。
[0044]圖1中該非平衡磁控濺射陰極101可以等間距分布在真空室100內(nèi)壁并處于同一水平面上，且非平衡磁控濺射陰極101具有非平衡磁場(chǎng)。其中，當(dāng)真空室100為圓柱狀時(shí)，如圖3所示，在真空室100的內(nèi)壁上分布有處于同一水平面的四個(gè)非平衡磁控濺射陰極101，每?jī)蓚€(gè)相鄰非平衡磁控濺射陰極101之間間隔90°;如圖4所示，在真空室100的內(nèi)壁上分布有處于同一水平面的三個(gè)非平衡磁控濺射陰極101，每?jī)蓚€(gè)相鄰非平衡磁控濺射陰極101之間間隔120°;如圖5所示，在真空室100的內(nèi)壁上分布有處于同一水平面的兩個(gè)非平衡磁控濺射陰極101，這兩個(gè)相鄰非平衡磁控濺射陰極101之間間隔180°。本發(fā)明通過(guò)在真空室內(nèi)壁上設(shè)置多個(gè)非平衡磁控濺射陰極，可以提高非平衡磁控濺射陰極的濺射功率，從而使得單位時(shí)間內(nèi)轟擊到樣品架上襯底表面的等離子密度增大，由此可以進(jìn)一步提高薄膜質(zhì)量。本發(fā)明通過(guò)將多個(gè)非平衡磁控濺射陰極等間距設(shè)置在真空室100內(nèi)壁并使其處于同一水平面上，可以保證沉積薄膜的均勻度。
[0045]參見(jiàn)圖1，該等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)還可以包括初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸116、脈沖直流電源(圖中未示出)和溫控系統(tǒng)(圖中未示出)，其中初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸116可以用于帶動(dòng)樣品架103旋轉(zhuǎn)并與直流脈沖電源連接，初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸116和樣品架103都可以由導(dǎo)電材料制成，直流脈沖電源提供的負(fù)向偏置電壓可以通過(guò)初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸116傳輸給樣品架103，從而使固定在樣品架103上的襯底處于負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下。本發(fā)明通過(guò)在薄膜沉積過(guò)程中由初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)樣品架上襯底旋轉(zhuǎn)，可以保證襯底上沉積的等離子體的均勻度;通過(guò)向樣品架提供負(fù)向偏置電壓，可以使樣品架上襯底處于負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下，從而可以主動(dòng)吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進(jìn)一步提高薄膜的致密度。溫控系統(tǒng)可以對(duì)真空室100內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，從而可以對(duì)薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。此外，真空室100上還可以設(shè)置有抽氣口 110和進(jìn)氣管(圖中未示出)，真空室100通過(guò)該抽氣口 110與真空栗連通，以使真空栗可將真空室100抽至真空狀態(tài)，從而可以避免真空室100內(nèi)空氣對(duì)薄膜沉積的影響，提高薄膜沉積的質(zhì)量;進(jìn)氣管用于使真空室100與空氣平衡氣壓。真空室100還可以通過(guò)冷卻管與冷卻機(jī)連通，用于在薄膜沉積過(guò)程中，控制真空室溫度。
[0046]參見(jiàn)圖6，為本發(fā)明等離子體增強(qiáng)磁控濺射方法的一個(gè)實(shí)施例流程圖。該方法可以包括以下步驟:
[0047]準(zhǔn)備工作:
[0048]將原材料制成襯底，將襯底的沉積面清洗干凈并將清洗干凈的襯底置于樣品架103上。利用真空栗將真空室100抽至真空狀態(tài)，并使真空室100內(nèi)的真空度小于1.0 X 10—4Pa ο本發(fā)明通過(guò)在開(kāi)始沉積之前，將真空室內(nèi)的真空度小于1.0 X I O—4Pa，可以進(jìn)一步避免真空室內(nèi)的殘余空氣對(duì)薄膜沉積的影響，從而可以進(jìn)一步提高薄膜沉積的質(zhì)量。開(kāi)啟溫控系統(tǒng)，以使真空室100內(nèi)的溫度保持在200°C至500°C的范圍內(nèi)(諸如達(dá)到200°C、250°C、500°(:等)，其中該溫控系統(tǒng)可以采用加熱管或加熱電阻絲的形式，其中當(dāng)真空室100內(nèi)的溫度500 °C超過(guò)時(shí)，可以開(kāi)啟冷卻機(jī)，以對(duì)真空室100內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明通過(guò)控制真空室內(nèi)的溫度保持在200°C至500 °C的范圍內(nèi)，可以提高薄膜微觀結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，使得薄膜微觀結(jié)構(gòu)無(wú)空隙。
[0049]沉積過(guò)程:
[0050]步驟S601、打開(kāi)射頻電源106，從而開(kāi)啟等離子體發(fā)生器105，并使等離子體發(fā)生器105的功率保持在30W至100W的范圍內(nèi)，此時(shí)等離子體發(fā)生器105對(duì)注入其內(nèi)的工作氣體(諸如氬氣)進(jìn)行等離子體化，并將工作氣體的等離子體輸送至真空室100內(nèi)，在沉積過(guò)程中保持真空室100內(nèi)的氣壓在0.0lPa至0.05Pa范圍內(nèi)。
[0051]本實(shí)施例中，在真空室100內(nèi)可以設(shè)置有真空規(guī)及壓控裝置，當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器105開(kāi)啟后，直接將工作氣體的等離子體輸送至真空室100內(nèi)，同時(shí)，真空規(guī)實(shí)時(shí)檢測(cè)真空室100內(nèi)的氣壓，若真空室100內(nèi)的氣壓超過(guò)0.05Pa，則控制壓控裝置的開(kāi)度，以控制輸送至真空室100內(nèi)的工作氣體的等離子體的流量。本發(fā)明通過(guò)將等離子體發(fā)生器的功率保持在30W至100W的范圍內(nèi)，可以在滿足薄膜沉積需求的前提下，降低等離子體發(fā)生器的能耗;通過(guò)在工作氣體的等離子體輸送至真空室內(nèi)后，使真空室內(nèi)的氣壓在0.0lPa至0.05Pa范圍內(nèi)，可以在不造成工作氣體浪費(fèi)的同時(shí)保證薄膜沉積過(guò)程中具有足夠的工作氣體，并且可以避免過(guò)多的該種等離子體輸送至真空室內(nèi)后，導(dǎo)致薄膜沉積過(guò)程中真空室內(nèi)的氣壓較高，從而進(jìn)一步可以提高薄膜的致密度。
[0052]步驟S602、控制初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸116帶動(dòng)樣品架103以3-15轉(zhuǎn)/分(諸如3轉(zhuǎn)/分、8轉(zhuǎn)/分或15轉(zhuǎn)/分)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在樣品架103上的襯底以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過(guò)使襯底在薄膜沉積過(guò)程中以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可以使等離子體均勻沉積在襯底上，從而提高薄膜的均勻度。
[0053]步驟S603、等離子體發(fā)生器105對(duì)注入其內(nèi)的反應(yīng)氣體(諸如氮?dú)?進(jìn)行等離子體化，將反應(yīng)氣體的等離子體輸送至真空室100內(nèi)，并使該等離子體的輸送流速調(diào)整為預(yù)設(shè)流速。
[0054]步驟S604、開(kāi)啟非平衡磁控濺射陰極101和直流脈沖電源，并使非平衡磁控濺射陰極101的功率按照預(yù)設(shè)的規(guī)則逐漸增加到100W至200W的范圍內(nèi)，使直流脈沖電源提供給樣品架103的負(fù)向偏置電壓在50V至150V范圍內(nèi)，此時(shí)非平衡磁控濺射陰極101可以將真空室100內(nèi)的等離子體濺射到襯底上。
[0055]本實(shí)施例中，根據(jù)沉積材料和要求的不同，非平衡磁控濺射陰極101可以根據(jù)濺射的需要把濺射功率調(diào)到預(yù)設(shè)的值，以控制沉積速率。本發(fā)明通過(guò)向樣品架提供負(fù)向偏置電壓，可以使固定在樣品架上的襯底處于一個(gè)負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下，從而可以主動(dòng)吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進(jìn)一步提高薄膜致密度。
[0056]步驟S605、沉積結(jié)束后，自然冷卻真空室100。本發(fā)明可以濺射金屬靶材及化合物靶材，以制備氮化物、碳化物及氧化物薄膜。
[0057]參見(jiàn)圖7，為表示等離子體發(fā)生器功率對(duì)直流脈沖電源偏置功率影響的曲線圖，其中橫坐標(biāo)為樣品架116的偏置電壓，縱坐標(biāo)為樣品架116的偏置電流，三條直線60W、70W、80W分別為等離子體發(fā)生器功率。從圖中可以看出，隨著等離子體發(fā)生器功率的增加，在偏置電壓一定的情況下，偏置電流顯著增加。
[0058]本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說(shuō)明書(shū)及實(shí)踐這里公開(kāi)的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開(kāi)的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。
[0059]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射系統(tǒng)，其特征在于，包括真空室、非平衡磁控濺射陰極、樣品架和等離子體發(fā)生器，所述樣品架和所述非平衡磁控濺射陰極都設(shè)置在所述真空室內(nèi)上，所述非平衡磁控濺射陰極位于所述樣品架上方;所述等離子體發(fā)生器與所述真空室連通； 所述等離子體發(fā)生器用于對(duì)注入其內(nèi)的氣體進(jìn)行等離子體化，并將所述氣體的等離子體輸送至所述真空室內(nèi)； 所述非平衡磁控濺射陰極用于對(duì)所述氣體的等離子體進(jìn)一步電離并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到固定在所述樣品架上的襯底上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸用于帶動(dòng)所述樣品架旋轉(zhuǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸與直流脈沖電源連接，以使所述直流脈沖電源通過(guò)所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸向所述樣品架提供負(fù)向偏置電壓，從而使所述襯底處于負(fù)電勢(shì)狀態(tài)下。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括溫控系統(tǒng)，用于對(duì)所述真空室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述真空室與真空栗連通。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述真空室還通過(guò)冷卻管與冷卻機(jī)連通。7.一種等離子體增強(qiáng)磁控濺射方法，其特征在于，包括: 等離子體發(fā)生器對(duì)注入其內(nèi)的工作氣體進(jìn)行等離子體化，并將工作氣體的等離子體輸送至真空室內(nèi)； 所述等離子體發(fā)生器對(duì)注入其內(nèi)的反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，并將反應(yīng)氣體的等離子體輸送至所述真空室內(nèi)； 非平衡磁控濺射陰極對(duì)所述真空室內(nèi)的等離子體進(jìn)一步電離并濺射靶材，產(chǎn)生氣源沉積到固定在樣品架上的襯底上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:控制初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)所述樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在所述樣品架上的襯底旋轉(zhuǎn)； 控制所述真空室內(nèi)的溫度在200°C至500°C的范圍內(nèi)；以及 控制直流脈沖電源向樣品架提供負(fù)向偏置電壓。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述等離子體發(fā)生器的功率保持在30W至100W的范圍內(nèi)，所述工作氣體的等離子體被輸送至所述真空室內(nèi)后，所述真空室內(nèi)的氣壓保持在0.0lPa至0.05Pa范圍內(nèi)。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述初級(jí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)所述樣品架以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn);所述負(fù)向偏置電壓在50V至150V范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】C23C14/50GK105862005SQ201610458183
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】石永敬, 孫建春, 原金海, 周安若, 吳英
【申請(qǐng)人】重慶科技學(xué)院