本實用新型屬于氮化物、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磁控濺射系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

濺射是一種工藝通過環(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)。來自于陰極靶表面的離子通過陰極靶表面的電磁場正交的電子阱后，被加速轟擊到被偏置的襯底表面，從而形成致密薄膜/涂層。

磁控濺射的本質(zhì)是通過增加磁場來增強輝光放電的強度，增加的磁場強度直接導(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會，增強等離子體的離化率。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強度受到限制，磁控濺射沉積薄膜的速率及質(zhì)量已達到瓶頸。在一定條件下，提高工作氣壓雖然可以增加輝光放電的強度，但也直接導(dǎo)致薄膜致密度的降低。過去的實踐表明，降低工作氣壓有助于提高薄膜的質(zhì)量。近年來，非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)取得了極大的進展，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)量較低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種等離子體增強磁控濺射系統(tǒng)，以解決目前沉積薄膜質(zhì)量較低的問題。

根據(jù)本實用新型實施例的第一方面，提供一種等離子體增強磁控濺射系統(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；

所述等離子體發(fā)生器用于對注入其內(nèi)的氣體進行等離子體化，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所述氣體的等離子體進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。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括初級旋轉(zhuǎn)軸，所述初級旋轉(zhuǎn)軸用于帶動所述樣品架旋轉(zhuǎn)。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述初級旋轉(zhuǎn)軸與直流脈沖電源連接，以使所述直流脈沖電源通過所述初級旋轉(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)電勢狀態(tài)下。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括溫控系統(tǒng)，用于對所述真空室內(nèi)的溫度進行控制。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述真空室與真空泵連通。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述真空室還通過冷卻管與冷卻機連通。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發(fā)生器對工作氣體和反應(yīng)氣體進行等離子體化，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，本實用新型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氣體進行等離子體化，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)；本實用新型通過采用等離子體發(fā)生器對工作氣體和反應(yīng)氣體進行等離子體化，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；

2、本實用新型通過在薄膜沉積過程中由初級旋轉(zhuǎn)軸帶動樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動樣品架上襯底旋轉(zhuǎn)，可以保證襯底上沉積的等離子體的均勻度；

3、本實用新型通過向樣品架提供負(fù)向偏置電壓，可以使樣品架上襯底處于負(fù)電勢狀態(tài)下，從而可以主動吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進一步提高薄膜致密度；

4、本實用新型通過在薄膜沉積過程中對真空室內(nèi)的溫度進行控制，可以對薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進行控制；

5、本實用新型通過在薄膜沉積過程中對真空室抽至真空狀態(tài)，可以避免真空室內(nèi)殘余空氣對薄膜沉積的影響，從而可以提高薄膜沉積的質(zhì)量；

6、本實用新型通過使真空室與冷卻機連通，可以在真空室內(nèi)溫度較高時進行溫度調(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)。

附圖說明

圖1是本實用新型等離子體增強磁控濺射系統(tǒng)的一個實施例剖視圖；

圖2是圖1中等離子體發(fā)生器的一個實施例剖視圖；

圖3是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的一個實施例示意圖；

圖4是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的另一個實施例示意圖；

圖5是圖1中非平衡磁控濺射陰極安裝位置的另一個實施例示意圖；

圖6是本實用新型等離子體增強磁控濺射方法的一個實施例流程圖；

圖7是表示等離子體發(fā)生器功率對直流脈沖電源偏置功率影響的曲線圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型實施例中的技術(shù)方案，并使本實用新型實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本實用新型實施例中技術(shù)方案作進一步詳細的說明。

在本實用新型的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(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)語的具體含義。

參見圖1，為本實用新型等離子體增強磁控濺射系統(tǒng)的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖。該等離子體增強磁控濺射系統(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可以用于對注入其內(nèi)的氣體進行等離子體化，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可以用于對該氣體的等離子體進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。

本實施例中，以本實用新型存在兩個等離子體發(fā)生器，其中一個等離子體發(fā)生器對工作氣體進行等離子體化，另一個等離子體發(fā)生器對反應(yīng)氣體進行等離子體化為例。在沉積薄膜過程中，可以首先打開射頻電源106，以使兩個等離子體發(fā)生器105都開始工作，然后向其中一個等離子體發(fā)生器105中注入工作氣體，向另一個等離子體發(fā)生器105中注入反應(yīng)氣體。此時，兩個等離子體發(fā)生器105可以分別對工作氣體和反應(yīng)氣體進行等離子體化。由于兩個等離子體發(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可以對真空室100內(nèi)的等離子體進一步離化，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，可以對應(yīng)增設(shè)等離子體發(fā)生器。

本實用新型通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發(fā)生器對工作氣體和反應(yīng)氣體進行等離子體化，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，本實用新型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氣體進行等離子體化，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)。本實用新型通過采用等離子體發(fā)生器對工作氣體和反應(yīng)氣體進行等離子體化，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。

圖1中等離子體發(fā)生器的一個實施例結(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(圖中未示出)的出水口連通，其出水口108可以與冷卻機(圖中未示出)的入水口連通；進氣管111伸入等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)并通過法蘭115固定在等離子體發(fā)生器腔體上。另外，進氣管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開始工作時，可以首先打開射頻電源106，此時金屬管電極112和線圈電極114通電，然后通過進氣管111向等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)注入對應(yīng)的氣體，氣體在金屬管電極112、陶瓷管113和線圈電極114的作用下進行等離子體化，并在等離子體化后依次通過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，可以打開冷卻機，以使冷卻機通過水冷管117對等離子體發(fā)生器進行冷卻處理。

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。其中，當(dāng)真空室100為圓柱狀時，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非平衡磁控濺射陰極101，每兩個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非平衡磁控濺射陰極101，每兩個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非平衡磁控濺射陰極101，這兩個相鄰非平衡磁控濺射陰極101之間間隔180°。本實用新型通過在真空室內(nèi)壁上設(shè)置多個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，由此可以進一步提高薄膜質(zhì)量。本實用新型通過將多個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。

參見圖1，該等離子體增強磁控濺射系統(tǒng)還可以包括初級旋轉(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)，其中初級旋轉(zhuǎn)軸116可以用于帶動樣品架103旋轉(zhuǎn)并與直流脈沖電源連接，初級旋轉(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初級旋轉(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)電勢狀態(tài)下。本實用新型通過在薄膜沉積過程中由初級旋轉(zhuǎn)軸帶動樣品架旋轉(zhuǎn)，從而帶動樣品架上襯底旋轉(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)電勢狀態(tài)下，從而可以主動吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進一步提高薄膜的致密度。溫控系統(tǒng)可以對真空室100內(nèi)的溫度進行控制，從而可以對薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進行控制。此外，真空室100上還可以設(shè)置有抽氣口110和進氣管(圖中未示出)，真空室100通過該抽氣口110與真空泵連通，以使真空泵可將真空室100抽至真空狀態(tài)，從而可以避免真空室100內(nèi)空氣對薄膜沉積的影響，提高薄膜沉積的質(zhì)量；進氣管用于使真空室100與空氣平衡氣壓。真空室100還可以通過冷卻管與冷卻機連通，用于在薄膜沉積過程中，控制真空室溫度。

參見圖6，為本實用新型等離子體增強磁控濺射方法的一個實施例流程圖。該方法可以包括以下步驟：

準(zhǔn)備工作：

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。利用真空泵將真空室100抽至真空狀態(tài)，并使真空室100內(nèi)的真空度小于1.0×10^-4Pa。本實用新型通過在開始沉積之前，將真空室內(nèi)的真空度小于1.0×10^-4Pa，可以進一步避免真空室內(nèi)的殘余空氣對薄膜沉積的影響，從而可以進一步提高薄膜沉積的質(zhì)量。開啟溫控系統(tǒng)，以使真空室100內(nèi)的溫度保持在200℃至500℃的范圍內(nèi)(諸如達到200℃、250℃、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℃超過時，可以開啟冷卻機，以對真空室100內(nèi)的溫度進行調(diào)節(jié)。本實用新型通過控制真空室內(nèi)的溫度保持在200℃至500℃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)無孔隙。

沉積過程：

步驟S601、打開射頻電源106，從而開啟等離子體發(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)，此時等離子體發(fā)生器105對注入其內(nèi)的工作氣體(諸如氬氣)進行等離子體化，并將工作氣體的等離子體輸送至真空室100內(nèi)，在沉積過程中保持真空室100內(nèi)的氣壓在0.01Pa至0.05Pa范圍內(nèi)。

本實施例中，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，真空規(guī)實時檢測真空室100內(nèi)的氣壓，若真空室100內(nèi)的氣壓超過0.05Pa，則控制壓控裝置的開度，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。本實用新型通過將等離子體發(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0.01Pa至0.05Pa范圍內(nèi)，可以在不造成工作氣體浪費的同時保證薄膜沉積過程中具有足夠的工作氣體，并且可以避免過多的該種等離子體輸送至真空室內(nèi)后，導(dǎo)致薄膜沉積過程中真空室內(nèi)的氣壓較高，從而進一步可以提高薄膜的致密度。

步驟S602、控制初級旋轉(zhuǎn)軸116帶動樣品架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)速進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定在樣品架103上的襯底以3-15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)。本實用新型通過使襯底在薄膜沉積過程中以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。

步驟S603、等離子體發(fā)生器105對注入其內(nèi)的反應(yīng)氣體(諸如氮氣)進行等離子體化，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。

步驟S604、開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。

本實施例中，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。本實用新型通過向樣品架提供負(fù)向偏置電壓，可以使固定在樣品架上的襯底處于一個負(fù)電勢狀態(tài)下，從而可以主動吸引真空室內(nèi)等離子體中的正離子轟擊襯底表面，進一步提高薄膜致密度。

步驟S605、沉積結(jié)束后，自然冷卻真空室100。本實用新型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。

參見圖7，為表示等離子體發(fā)生器功率對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。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里公開的實用新型后，將容易想到本實用新型的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本實用新型的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本實用新型的一般性原理并包括本實用新型未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本實用新型的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本實用新型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行各種修改和改變。本實用新型的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。