專利名稱：一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及濺射鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多靶磁控濺射鍍膜裝置。
背景技術(shù)：
磁控濺射技術(shù)廣泛用于制備各種光學(xué)、電子、機械等薄膜，在實際應(yīng)用中，所需制備的薄膜往往是多層的、甚至是周期性排列的(如:超晶格薄膜)、需要在不破壞真空的條件下一次完成。因此，多靶濺射系統(tǒng)應(yīng)運而生，它通過在真空室內(nèi)以一定的方式放置多個靶，配以工件盤的適當(dāng)運動，能夠?qū)崿F(xiàn)多個靶位的依次濺射甚至是共濺射。但是，在同一個真空室內(nèi)安裝多個靶，也不可避免地增大了真空室的容積，需要采用更大口徑的真空泵，設(shè)備的成本大大增加?，F(xiàn)有的多靶濺射臺絕大多數(shù)采用圓形真空室和旋轉(zhuǎn)基片架的幾何配置，靶通常為2 4個，且多為平面圓形靶，按結(jié)構(gòu)可分為以下幾類:I)行星運動式:多個圓形靶均勻分布在真空室底板上方的同一個圓周上，I 6個圓形基片在該圓周的上方(也可有一定的偏心距)進行行星運動(即公-自轉(zhuǎn)同步運動)，參見文獻 Multilayer optical coating fabrication by dc magnetron reactivesputtering, SPIEj678:134，1986。2)公-自轉(zhuǎn)分步運動式:靶和基片的幾何布局與行星運動式相同，只是基片架的公轉(zhuǎn)運動和自轉(zhuǎn)運動是分開的，即開始僅僅進行公轉(zhuǎn)，以使得基片轉(zhuǎn)位而對準(zhǔn)某個濺射靶，其后的濺射過程基片僅僅進行自轉(zhuǎn)。3)基片固定自轉(zhuǎn)式:基片安裝于底板中心的正上方,基片僅進行自轉(zhuǎn)而不公轉(zhuǎn)。多個圓形濺射靶安裝于真空室的底板或側(cè)壁上，呈一定的傾斜角而使得靶對準(zhǔn)基片。此種結(jié)構(gòu)的最大特點是方便進行多靶共濺射。參見文獻:多靶直流磁控共濺射系統(tǒng)的研制，真空電子技術(shù)，1997，N0.2:29。4)側(cè)壁-圓筒基片架公轉(zhuǎn)式:多個圓形或矩形靶位于圓形真空室的側(cè)壁上，真空室內(nèi)有一圓筒形的基片架，圓筒旋轉(zhuǎn)通過濺射靶而使得其上的基片沉積上相應(yīng)的薄膜。參見文獻:Multilayer growth in the APS rotary deposition system, SPIE, 6705,2007。由四個靶對稱布局所構(gòu)成的非平衡磁控濺射臺也多采用這種結(jié)構(gòu)，參見文獻:High-ratedeposition of optical coatings by closed-field magnetron sputtering，SPIE，5963，2005o5)側(cè)壁-圓柱基片架行星運動式:多個矩形靶位于圓形真空室的側(cè)壁上，多個柱狀的基片架在真空室內(nèi)作行星運動，與側(cè)壁-圓筒基片架公轉(zhuǎn)式相比，可以安放更多的基片。參見文獻:Dependence of microstructure and hardness of TiAlN/VN hard coatingson the type of substrate rotation, Vacuum, 86:699-702,2007。以上多靶磁控濺射鍍膜裝置存在著如下不足:I)磁控濺射靶的形狀多為平面圓形，不利于提高薄膜的均勻性和獲得大面積的均勻薄膜。[0011]對于任何一臺磁控濺射鍍膜設(shè)備而言，薄膜均勻性都是一個重要的共性指標(biāo)。雖然可以通過增大靶的面積來獲得更加均勻的薄膜，但這是以增加靶材成本甚至設(shè)備成本為代價，花費太大。平面磁控濺射靶的形狀主要有圓形和矩形兩種。由于圓形靶所濺出的原子在空間中呈同心圓分布，中心和邊緣處的差異很大。對于與靶同樣大小的基片而言，常規(guī)的濺射技術(shù)所制備的薄膜在基片中心和邊緣處的膜厚差異可達30-40%。而矩形靶具有兩條直邊形的濺射跑道，因此濺出原子在空間呈條狀分布，即直邊所對應(yīng)的空間區(qū)域的濺出原子的分布非常接近。因此，只需將基片平行于矩形靶放置并使得基片沿靶的短邊方向直線掃過靶面，即可獲得大面積的均勻薄膜。薄膜均勻的寬度略小于矩形靶的直邊，而長度方向不受靶的尺寸限制。所以，對于同等面積的圓形靶和矩形靶，由于矩形靶的直邊長度遠大于圓形靶的直徑，因此可獲得更大的薄膜均勻性。2)上述多靶濺射鍍膜裝置的第4、5種，基片架為圓筒形或圓柱形，盡管可以安放很多個小基片，鍍膜的效率很高，但無法滿足大基片鍍膜的需要。3)上述多靶濺射鍍膜裝置的第1、4、5種，基片架上都可以安裝多個基片，生產(chǎn)效率高，都是為達成量產(chǎn)而進行的工業(yè)鍍膜機的設(shè)計。但在科學(xué)實驗時，往往只需在一個基片上鍍膜，這樣無論是行星式還是轉(zhuǎn)筒式的基片架，基片在公轉(zhuǎn)一周的時間里，只有一次機會能鍍上薄膜，鍍膜效率很低。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的問題是:如何提供一種新型多靶濺射鍍膜裝置，以不同于現(xiàn)有多靶濺射鍍膜裝置的真空室結(jié)構(gòu)及基片運動方式，使得在一個盡量小的真空室內(nèi)可以安裝多個濺射靶，以實現(xiàn)大面積的薄膜均勻性，提高鍍膜的效率，并同時具有真空室容積小、抽氣速度快的特點。本實用新型所提出的技術(shù)問題是這樣解決的:一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，如圖1、2所示，包括I個真空室，真空室內(nèi)設(shè)置有η個矩形濺射靶3、I個基片架、I個基片加熱器、I個直線運動機構(gòu)，真空室外具有I個步進電機；其特征在于，所述真空室為箱式真空室，η個矩形濺射靶相互平行并共軸排成一列，靶間距小于矩形靶寬度的2倍，所有矩形濺射靶的寬度方向都平行于真空室的長邊；矩形濺射靶上方設(shè)置有一個直線運動結(jié)構(gòu)，基片架和基片加熱器固定于直線運動機構(gòu)之上，并在步進電機的驅(qū)動下能夠沿真空室的長邊作直線往復(fù)運動，直線往復(fù)運動的起始點、終止點和運動速度由一個控制器進行編程設(shè)置，其最大行程覆蓋了所有矩形濺射靶。上述直列多靶磁控濺射鍍膜裝置中，所述矩形濺射靶的個數(shù)η > 3。上述直列多靶磁控濺射鍍膜裝置中，所述矩形濺射靶的長度大于等于矩形靶的寬度的3倍。上述直列多靶磁控濺射鍍膜裝置中，所述η個矩形濺射靶的磁控濺射電源為直流電源、射頻電源、中頻電源或脈沖電源，或是以上幾種電源的任意組合。上述直列多靶磁控濺射鍍膜裝置中，所述直線運動機構(gòu)為絲杠式或皮帶式或鏈條式。本實用新型提供的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置的主要特點是多個矩形濺射靶沿其短邊方向平行排列成一條直線，而讓基片架在該直線上方來回往復(fù)運動，以實現(xiàn)多個靶的依次濺射或交替濺射，從而完成單層膜、多層膜、甚至周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)薄膜的制備。該種結(jié)構(gòu)的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，不僅可以獲得大面積的均勻薄膜，而且通過壓縮靶間距，能有效減少真空室的容積。特別是當(dāng)采用5個以上的濺射靶直聯(lián)，以及矩形濺射靶的長寬比較大(如大于6)時，該種直列多靶濺射鍍膜裝置所具有的小真空室容積和大薄膜均勻性的特點就更為突出。

圖1為本實用新型的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)。圖2為本實用新型的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視)。圖1、2中:1為抽氣口 ；2為光桿；3為矩形濺射靶；4為絲杠；5為濺射氣體進氣口 ；6為基片架；7為基片；8為步進電機；9為基片加熱器；10為擋板。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖以及實施例對本實用新型作進一步的說明。實施例1:圖1為本實用新型的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置的俯視圖，圖2是其側(cè)視圖。真空室為長方形，長550mm，寬280mm，高320mm，為箱式結(jié)構(gòu)，整個前面板為一個整門(圖中未畫出)。真空室中裝了三個ISOmmX50mm的矩形濺射靶，中間一個是射頻靶，而左右兩側(cè)是直流靶。三個靶水平安裝在真空室底板上并相互平行排列，三個靶的短邊都平行于真空室的長邊，靶間距為80mm。三個矩形靶兩兩之間分別具有一個擋板，每個擋板具有兩個工位，分別擋住一側(cè)的矩形靶而暴露另一側(cè)的矩形靶，每個擋板獨立可控。三個矩形靶的上部沿真空室長邊方向水平安裝有三個導(dǎo)軌，其中前后兩根是光桿，基片架架在這兩根光桿上而防止其跌落。中間一根是絲杠，由真空室外的步進電機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)?；苌嫌幸粚X與絲杠嚙合，步進電機的旋轉(zhuǎn)帶動基片架沿絲杠直線移動，步進電機可以正旋和反旋，驅(qū)動基片架沿真空室長邊方向做直線往復(fù)運動。步進電機的旋轉(zhuǎn)由PLC單片機(圖中未畫出)控制，使得基片架直線運動的速度在O 60mm/min內(nèi)可調(diào)，PLC單片機可以設(shè)置直線運動的起點和折返點，使得基片架在這兩點之間進行直線往復(fù)運動。往復(fù)運動的最大行程為430_，橫跨在三個矩形靶上。基片架以及其上的基片加熱器為矩形，尺寸為IlOmmX 110臟，可以安裝的最大基片尺寸為IOOmmX 100mm?；膶挾?100mm)略小于矩形祀的長邊(120mm),加上基片所采用的橫切矩形靶的運動方式，可以保證整個基片的薄膜非均勻性優(yōu)于±5%。該直列多靶磁控濺射鍍膜裝置的最大特點是在一個盡量小的真空室中(550mm X 280mm X 320mm,相當(dāng)于Φ 440mm的圓形真空室)，采用面積盡量小的革巴(180mmX 50mm,相當(dāng)于Φ 107mm圓形革巴)，實現(xiàn)了 IOOmmX IOOmm大面積的薄膜均勻性。由于真空室較小，采用F-250型的分子泵作為主泵，可以在開高閥4小時后將真空抽到4 X KT4Pa。而背景技術(shù)中所介紹的其他結(jié)構(gòu)的多靶磁控濺射臺難以實現(xiàn)該技術(shù)指標(biāo)。如采用常規(guī)的圓形祀派射技術(shù)，若需實現(xiàn)IOOmmX IOOmm矩形薄膜(相當(dāng)于141mm的圓形薄膜)的膜厚均勻性達到±5%，靶的直徑至少應(yīng)在250mm以上(濺射環(huán)直徑約為180mm)，加上靶的基座，圓形真空室的直徑大于600_。靶的面積和真空室的容積(真空室的高度不變)分別增大了 4.46倍和0.86倍。再如采用圓形真空室和矩形靶相結(jié)合的配置(參見文獻:潘磊，等，磁控濺射方法制備直徑120mm高均勻性Mo/Si多層膜，強激光與粒子束，2010，22:1535)，安放180mmX50mm的三個矩形靶，真空室的直徑至少應(yīng)大于450mm，略大于本實施例的真空室容積。由于基片架采用了行星運動方式，盡管薄膜均勻性會比本實施例有所改進，但所制備的薄膜的面積要小一些(OlOOmm VSlOOmmX 100mm)。而且該配置還存在著鍍膜效率低的問題，基片在公轉(zhuǎn)一周的時間里只有一次機會掃過靶面而鍍上薄膜。以Φ450πιπι的真空室為例，基片公轉(zhuǎn)的半徑約為112.5mm,公轉(zhuǎn)周長為707mm,而祀的寬度僅為50_。所以,鍍膜效率約為50/707=7%。而本實用新型的直列多靶磁控濺射鍍膜裝置可以使得基片在一個靶的兩側(cè)來回反復(fù)掃描，以本實施例1OOmm長的基片掃過50mm寬的矩形靶為例，鍍膜效率為50/(100+50) =33.3%，提高了 3.75倍。以上是鍍制單層薄膜的情況，本實用新型的多靶濺射鍍膜裝置也可制備雙層及以上的重復(fù)周期薄膜，如同潘磊等給出的文獻一樣。此時，圓形真空室和矩形濺射靶相結(jié)合的配置對于雙層周期薄膜的鍍膜效率為14%。而本實施例中，鍍膜效率最低是利用兩側(cè)的兩個金屬靶鍍制雙層重復(fù)薄膜，由于中間夾有一個射頻靶，基片運動的無效行程最長。但即使是這樣，鍍膜的效率也為2X50/ (100+50X3+80X2) =24%。
權(quán)利要求1.一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，包括I個真空室，真空室內(nèi)設(shè)置有η個矩形濺射靶(3)、1個基片架、I個基片加熱器、I個直線運動機構(gòu)，真空室外具有I個步進電機；其特征在于，所述真空室為箱式真空室，η個矩形濺射靶相互平行并共軸排成一列，靶間距小于矩形靶寬度的2倍，所有矩形濺射靶的寬度方向都平行于真空室的長邊；矩形濺射靶上方設(shè)置有一個直線運動結(jié)構(gòu)，基片架和基片加熱器固定于直線運動機構(gòu)之上，并在步進電機的驅(qū)動下能夠沿真空室的長邊作直線往復(fù)運動，直線往復(fù)運動的起始點、終止點和運動速度由一個控制器進行編程設(shè)置，其最大行程覆蓋了所有矩形濺射靶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述矩形濺射靶的個數(shù)η彡3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述矩形靶的長度大于等于矩形靶的寬度的3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述η個矩形濺射靶的磁控濺射電源為直流電源、射頻電源、中頻電源或脈沖電源，或是以上幾種電源的任意組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于，所述直線運動機構(gòu)為絲杠式、皮帶式 或鏈條式。
專利摘要一種直列多靶磁控濺射鍍膜裝置，涉及濺射鍍膜技術(shù)領(lǐng)域。系采用長寬比大于3的矩形濺射靶，在箱式真空室中，將3個以上的矩形濺射靶平行共軸排成一列，所有靶的寬度方向都平行于真空室的長邊，靶間距小于矩形靶寬度的2倍。矩形濺射靶上方設(shè)置有直線運動結(jié)構(gòu)，基片架和基片加熱器固定于直線運動機構(gòu)之上，并在步進電機的驅(qū)動下沿真空室的長邊作直線往復(fù)運動，直線往復(fù)運動的起始點、終止點和運動速度由一個控制器進行編程設(shè)置，從而實現(xiàn)單層、多層、周期性重復(fù)結(jié)構(gòu)薄膜的制備。該多靶磁控濺射臺具有真空室尺寸和靶的尺寸都較小，而所制備的薄膜的均勻面積較大的特點，并且還兼有抽氣速度快、鍍膜效率高等其他優(yōu)點。
文檔編號C23C14/35GK203065570SQ20132009757
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者杜曉松, 林慶浩, 邱棟, 蔣亞東 申請人:電子科技大學(xué)