專利名稱：一種等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料表面改性領(lǐng)域，特別涉及到磁控濺射沉積技術(shù)。
目前，磁控濺射沉積技術(shù)被廣泛地用于制備各種薄膜，如透明導(dǎo)電膜、介電膜等功能膜，硬質(zhì)膜，裝飾膜等；其應(yīng)用涉及微電子、光電子、機(jī)械、化工、生物材料等眾多領(lǐng)域。該技術(shù)的研究一直是材料表面改性領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。眾所周知，由于磁控靶表面附近的交叉電磁場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱交叉場(chǎng))對(duì)二次電子的約束，使磁控靶可以在較低的電壓下實(shí)現(xiàn)自持放電，并得到較高密度(～109-1010/cm3)的等離子體。但由于這個(gè)交叉場(chǎng)對(duì)等離子體的約束，使離子難以逃逸此區(qū)；此時(shí)，若基片位于交叉場(chǎng)區(qū)域，則由于高能電子的轟擊而造成基片損傷；若基片遠(yuǎn)離此區(qū)，則由于激活離子流太小而不易得到符合化學(xué)配比的化合物膜。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，近期人們發(fā)明了非平衡磁控濺射技術(shù)，即磁控靶表面的磁力線不閉合，磁力線沿靶的邊緣擴(kuò)展到基片表面，從而有部分濺射離子沿磁力線擴(kuò)散到基片，其自持放電的最低工作氣壓為10-2Pa。但是，在利用反應(yīng)磁控濺射制備化合物薄膜時(shí)，為了得到正確的化學(xué)配比及所需的薄膜結(jié)構(gòu)和性能，就要求薄膜生長(zhǎng)表面區(qū)域的反應(yīng)氣體和濺射原子均有較高的電離率和激活率，即有高密度的激活反應(yīng)基團(tuán)；此外，當(dāng)需要薄膜有較好的覆蓋性能時(shí)，應(yīng)減少反應(yīng)氣體及濺射原子之間的碰撞頻率，以提高其輸運(yùn)過程的方向性，這就要求反應(yīng)基元的自由程的數(shù)量級(jí)和靶基距相等，即要求在超低氣壓下工作(～10-3Pa-10-2Pa)。不論是傳統(tǒng)的平衡磁控濺射還是近期出現(xiàn)的非平衡磁控濺射技術(shù)，都難以實(shí)現(xiàn)上述要求。
本發(fā)明的目的是，提出一種新型的化合物薄膜的制備方法會(huì)切場(chǎng)微波-電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance簡(jiǎn)稱ECR)等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射技術(shù)。該技術(shù)利用微波-ECR等離子體和會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位形輔助平衡磁控濺射靶放電和薄膜沉積，可以實(shí)現(xiàn)超低工作氣壓下亞穩(wěn)態(tài)化合物薄膜，如氮化物、碳化物及氧化物膜的制備。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案兩個(gè)微波-ECR放電腔相對(duì)放置，分別位于沉積室的兩側(cè)；平衡磁控濺射靶位于沉積室之中的上側(cè)，和沉積室上壁之間采用絕緣聯(lián)接，濺射偏壓Vs為直流0-1000V連續(xù)可調(diào)；載物臺(tái)與濺射靶相對(duì)放置，位于沉積室之中的下側(cè)，和沉積室下壁之間采用絕緣聯(lián)接，沉積偏壓Vd為直流0-300V連續(xù)可調(diào)，載物臺(tái)中配有加熱器，基片的加熱溫度在0-1200℃范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，載物臺(tái)相對(duì)于沉積室底面的高度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為100-400cm，通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度，可以改變?yōu)R射靶與載物臺(tái)之間的距離。所用微波的頻率為2.45GHz，功率為0-1500W連續(xù)可調(diào)；兩個(gè)ECR放電腔周圍的ECR磁場(chǎng)線圈的電流大小相等、方向相反；兩個(gè)ECR磁場(chǎng)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和平衡磁控靶磁場(chǎng)，在沉積室中相互疊加，形成會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位型；通過調(diào)節(jié)電流的大小(0-100A連續(xù)可調(diào))，可以調(diào)整兩個(gè)ECR磁場(chǎng)共振面(875Gs)的相對(duì)位置和沉積室中會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位形。當(dāng)ECR磁場(chǎng)線圈的電流均為51A時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度最小的區(qū)域位于沉積室中心，其大小為4.44Gs，微波-ECR共振面(875Gs)分別位于兩個(gè)微波-ECR放電腔腔口，距沉積室中心均為300cm。
當(dāng)選用純度為99.9％的高純石墨作為靶材，純度為99.999％的高純氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w，磁場(chǎng)線圈電流為51A，微波功率為500W時(shí)，不同工作氣壓(0.007Pa.0.080Pa，1.000Pa)下的微波-ECR等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射電流-電壓放電特性均包含兩種放電模式電壓模式和電流模式。其中，電壓模式是微波-ECR等離子體增強(qiáng)作用的結(jié)果，而電流模式是微波-ECR等離子體增強(qiáng)和磁控靶自持交叉場(chǎng)放電共同作用的結(jié)果。顯然，由于微波-ECR等離子體的增強(qiáng)作用及會(huì)切場(chǎng)對(duì)等離子體的約束作用，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超低工作氣壓下(10-3Pa)磁控靶的自持放電。
綜上所述，本發(fā)明的主要特征是1)兩個(gè)相對(duì)放置的微波-ECR磁場(chǎng)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和非平衡磁控靶磁場(chǎng)相互疊加，在沉積室形成會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位型，這種磁場(chǎng)位型能有效地約束等離子體，在薄膜生長(zhǎng)表面附近得到高密度的離子和激活基團(tuán)；當(dāng)微波功率為250-700W，工作氣壓為0.007-20Pa，ECR磁場(chǎng)線圈電流為45-60A，濺射偏壓0-700V，沉積偏壓為0-300V時(shí)，薄膜生長(zhǎng)表面附近的等離子體密度為4×1010-9×1011/cm3；2)分別由非平衡磁控濺射放電和微波-ECR放電產(chǎn)生激活濺射原子、離子和激活反應(yīng)氣體原子、離子，通過調(diào)節(jié)濺射偏壓和沉積偏壓，可以控制薄膜生長(zhǎng)表面的激活反應(yīng)基團(tuán)、離子到達(dá)比及能量；具有一定能量和密度分布的各種激活原子、離子在薄膜生長(zhǎng)表面反應(yīng)，形成符合化學(xué)配比的化合物薄膜；
3)在微波-ECR等離子體增強(qiáng)及會(huì)切場(chǎng)對(duì)等離子體的約束兩種因素的作用下，可實(shí)現(xiàn)超低工作氣壓下非平衡磁控靶自持放電。
本發(fā)明的效果和益處是，在微波-ECR等離子體的輔助下，平衡磁控靶可以實(shí)現(xiàn)超低工作氣壓下的自持放電，在會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位形對(duì)等離子體的約束作用下，可以在薄膜生長(zhǎng)表面附近得到高密度的離子和激活基團(tuán)，從而可以制備符合化學(xué)配比的優(yōu)質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)化合物薄膜。所制備的薄膜具有正確的化學(xué)配比、較好的結(jié)構(gòu)和性能，較好的覆蓋性能。
以下詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例用本發(fā)明制備的氮化碳薄膜，其成份符合β-C3N4的化學(xué)配比，顯微硬度值達(dá)到HV4600。本發(fā)明的工藝過程的特征在于，采用純度為99.9％的高純石墨作為平衡磁控濺射靶材，采用純度為99.999％的高純氮作為工作氣體；由相對(duì)放置的的兩個(gè)微波ECR放電腔產(chǎn)生的高密度氮等離子體，擴(kuò)散至沉積室的濺射靶與載物臺(tái)之間，這些等離子體中的氮離子在濺射負(fù)偏壓的作用下，轟擊磁控濺射靶，產(chǎn)生大量二次電子，這些電子在磁控靶的交叉場(chǎng)作高速回旋，進(jìn)一步電離濺射原子，最終導(dǎo)致平衡磁控濺射靶產(chǎn)生交叉場(chǎng)自持放電；沉積室中的會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位型有效地約束由非平衡磁控濺射放電和微波ECR放電產(chǎn)生激活濺射原子、離子和激活反應(yīng)氣體原子、離子，在薄膜生長(zhǎng)表面附近得到高密度的激活C、N反應(yīng)基團(tuán)、離子，通過調(diào)節(jié)濺射偏壓和沉積偏壓，可以控制薄膜生長(zhǎng)表面的激活C、N原子、離子到達(dá)比及能量；通過調(diào)節(jié)基片加熱溫度，可以控制所制備CNX膜的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的工藝步驟如下工件經(jīng)過清洗干燥后放入沉積室中的載物臺(tái)上，載物臺(tái)的高度調(diào)至300cm；抽真空至3×10-3Pa，充氮?dú)庵?×10-2Pa，工件加熱至300℃，加ECR磁場(chǎng)線圈電流至51A，開微波源，功率為500W，此時(shí)通過觀察窗可以看到ECR氮等離子體；加濺射偏壓至500V，此時(shí)通過觀察窗可以看到非平衡磁控靶放電的負(fù)輝區(qū)，加沉積偏壓至100V，開始薄膜沉積；40分鐘后，濺射偏壓、沉積偏壓降至0V，關(guān)閉微波源，斷開ECR磁場(chǎng)電流和工件加熱電流，停氣，工件爐冷1小時(shí)后，放掉真空，取出工件。如此制備的氮化碳薄膜氮碳比為43.1，符合理論值；膜厚為1μm；顯微硬度為HV4600。
權(quán)利要求
1.一種會(huì)切場(chǎng)微波-電子回旋共振等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法，其主要特征是a)兩個(gè)相對(duì)放置的微波-ECR放電腔線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和平衡磁控靶磁場(chǎng)相互疊加，在沉積室形成會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位型，等離子體被這個(gè)磁場(chǎng)約束，在薄膜生長(zhǎng)表面附近得到高密度的離子和激活基團(tuán)；b)微波-ECR放電使工作氣體電離，產(chǎn)生激活反應(yīng)氣體原子、離子；磁控靶交叉場(chǎng)自持放電產(chǎn)生激活濺射原子、離子；調(diào)節(jié)濺射偏壓和沉積偏壓，控制薄膜生長(zhǎng)表面的激活原子、離子到達(dá)比及能量；具有一定能量和密度分布的各種激活原子、離子在薄膜生長(zhǎng)表面反應(yīng)，形成符合化學(xué)配比的化合物薄膜。
2.根據(jù)1所述一種會(huì)切場(chǎng)微波-電子回旋共振等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法，其特征還在于a)兩個(gè)微波-ECR放電腔分別位于沉積室的兩側(cè)；平衡磁控濺射靶位于沉積室內(nèi)的上側(cè)，和沉積室上壁之間采用絕緣聯(lián)接，濺射偏壓Vs為直流0-1000V連續(xù)可調(diào)；載物臺(tái)與濺射靶相對(duì)放置，位于沉積室內(nèi)的下側(cè)，和沉積室下壁之間采用絕緣聯(lián)接，沉積偏壓Vd為直流0-300V連續(xù)可調(diào)；b)兩個(gè)微波-ECR放電腔周圍的ECR磁場(chǎng)線圈的勵(lì)磁電流大小相等、方向相反，通過調(diào)節(jié)電流的大小(0-100A連續(xù)可調(diào))，可以調(diào)整兩個(gè)ECR磁場(chǎng)共振面的相對(duì)位置和沉積室中會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位形；c)載物臺(tái)中配有加熱器，基片的加熱溫度在0-1200℃范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，載物臺(tái)相對(duì)于沉積室底面的高度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為100--400cm，通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度，可以改變?yōu)R射靶與載物臺(tái)之間的距離。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及到磁控濺射沉積技術(shù)。該技術(shù)通過兩個(gè)相對(duì)放置的ECR放電腔磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和平衡磁控靶磁場(chǎng)在沉積室疊加形成會(huì)切場(chǎng)磁場(chǎng)位型,該磁場(chǎng)位型有效地約束ECR放電和平衡磁控靶放電產(chǎn)生的等離子體,在薄膜生長(zhǎng)表面形成高密度的離子、激活基團(tuán),通過控制基片位置、濺射偏壓、沉積偏壓等工藝參數(shù),可調(diào)節(jié)各種反應(yīng)基團(tuán)的到達(dá)比及能量,從而得到符合化學(xué)配比的高純度化合物薄膜。
文檔編號(hào)C23C14/35GK1338530SQ0111673
公開日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者徐軍, 馬騰才, 鄧新綠, 張家良, 陸文祺, 董闖 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)