專(zhuān)利名稱(chēng)：多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
關(guān)于薄膜技術(shù)的研究可以上溯到19世紀(jì)50年代。1850年，M.Faraday發(fā)明了電鍍制備薄膜方法；1852年，W.Grove的輝光放電的濺射沉積薄膜方法。那時(shí)薄膜的應(yīng)用還局限于鏡面制造和腐蝕防護(hù)。20世紀(jì)50年代后，真空技術(shù)、材料表面分析方法和薄膜性能檢測(cè)手段等的不斷發(fā)展和完善，薄膜制備的重復(fù)性和質(zhì)量有了大幅度提高，同時(shí)在電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的印刷線路大規(guī)模制備和集成電路的微型化方面，薄膜材料獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，現(xiàn)代電子器件都是以薄膜為基礎(chǔ)的，集成的電子器件更是如此。這兩方面的因素促使薄膜技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)已成為一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。
除了傳統(tǒng)的機(jī)加工刀具耐磨涂層、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層、海洋工程中的耐蝕涂層，目前關(guān)心的功能薄膜包括介電薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、磁性薄膜、光電薄膜，以及透明導(dǎo)電薄膜、增透薄膜、光熱薄膜，還有壓電薄膜、氣體敏感薄膜、熱電薄膜、紅外反射薄膜、光催化降解薄膜、導(dǎo)電有機(jī)物薄膜等等。以介電薄膜和超導(dǎo)薄膜為例，前者主要用作多層集成電路中的絕緣隔離層，介電常數(shù)越高，越有利于提高大規(guī)模電路的集成度；后者的應(yīng)用諸如超導(dǎo)微波器件、濾波器件、量子干涉器件和超導(dǎo)紅外探測(cè)器等，前景十分誘人。今天，一種新材料的研究和開(kāi)發(fā)，往往起始于這種新材料的薄膜合成與制備，薄膜技術(shù)已成為新材料研制不可或缺的重要手段之一。
為了避免空氣和浮塵的干擾和污染，先進(jìn)薄膜制備大都是在真空環(huán)境下進(jìn)行的。物理氣相沉積(PVD)是薄膜制備的基本方法之一，其主要步驟包括首先在高能束作用下，塊體材料表面蒸發(fā)或?yàn)R射為粒子，蒸氣粒子在真空環(huán)境下快速膨脹形成非平衡射流，并與基片表面相撞，撞擊基片表面的粒子，在適當(dāng)?shù)臈l件下沉積、形核、成島、生長(zhǎng)為薄膜。
物理氣相沉積(PVD)分為蒸發(fā)和濺射兩大類(lèi)。常用的蒸發(fā)方法有電阻加熱、電子束加熱、脈沖激光加熱和電弧加熱等，它們通過(guò)提供足夠的能量使塊體材料蒸發(fā)或升華為蒸氣粒子。在電子束物理氣相沉積(EBPVD)過(guò)程中，高能電子經(jīng)電場(chǎng)加速、磁場(chǎng)聚焦后，作用于蒸發(fā)材料表面，電子迅速將能量傳遞給蒸發(fā)材料，使其熔化并蒸發(fā)。
但是要制備高附加值的大面積的多組分薄膜，必須解決薄膜厚度和摩爾組分分布的均勻性問(wèn)題，其關(guān)鍵原因在于多源非平衡蒸氣射流之間的相互作用及其對(duì)基片表面入射蒸氣粒子的數(shù)密度和法向速度分布的顯著影響。例如，在利用物理氣相沉積方法制備YBCO薄膜時(shí)，Yt、Ba和Cu的蒸發(fā)速率均滿(mǎn)足1∶2∶3關(guān)系的關(guān)系(如圖1所示)，但是從三組元沿基片中心線的摩爾組分比分布圖(圖2-4)中卻發(fā)現(xiàn)基片表面入射蒸氣原子的摩爾組分比隨蒸發(fā)速率的增大完全偏離初始比例。以前人們?cè)诶秒娮邮锢須庀喑练e系統(tǒng)(EBPVD)制備薄膜時(shí)，通常是依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單模型指導(dǎo)來(lái)進(jìn)行，制備過(guò)程中需要調(diào)整和設(shè)定大量的工藝參數(shù)，而這種依靠經(jīng)驗(yàn)和“湊”工藝條件的制備方式缺少細(xì)致的理論支持，研究結(jié)果往往只知其然而不知其所以然，當(dāng)需要制備不同種類(lèi)的多組分薄膜時(shí)，必須做大量的重復(fù)工作，以確定相關(guān)的工藝條件，因而限制了多組分高性能薄膜在產(chǎn)業(yè)上的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的就是提供一種能夠制備厚度和摩爾組分比分布均勻的、用于大面積薄膜制備的多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，包括真空子系統(tǒng)、多蒸發(fā)源子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)和加熱子系統(tǒng)；其中，真空子系統(tǒng)包括真空室和真空獲得系統(tǒng)，保證了真空室內(nèi)流場(chǎng)的均勻分布；多蒸發(fā)源子系統(tǒng)包括多個(gè)蒸發(fā)源，根據(jù)薄膜組分的數(shù)量，相應(yīng)數(shù)量的蒸發(fā)源同時(shí)同向蒸發(fā)形成蒸氣粒子流場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)基片在流場(chǎng)內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)，基片表面及其運(yùn)動(dòng)平面垂直于蒸發(fā)面；加熱子系統(tǒng)用于基片的加熱并保證其表面溫度分布的均勻性。
進(jìn)一步，所述真空獲得系統(tǒng)為抽氣裝置，該抽氣裝置對(duì)稱(chēng)安裝在所述真空室的底部。
進(jìn)一步，所述多蒸發(fā)源子系統(tǒng)包括至少三個(gè)電子束蒸發(fā)源，各蒸發(fā)源之間通過(guò)金屬板屏蔽消除相互之間的電磁干擾，各蒸發(fā)源根據(jù)需要控制蒸發(fā)速率。
進(jìn)一步，所述運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)和絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)安置于真空室的頂部，絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安置于真空室內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)于絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通過(guò)磁流體密封以保證系統(tǒng)工作時(shí)的真空度要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，多源蒸發(fā)時(shí)在真空室內(nèi)形成多組分蒸氣流場(chǎng)，根據(jù)3維非平衡蒸氣羽流場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)確定基片的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)軌跡的變分優(yōu)化，保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中基片表面入射蒸氣粒子通量的積分量(薄膜厚度和組分摩爾比)分布的均勻性。采用本系統(tǒng)制備，不僅獲得了厚度和摩爾組分比均勻分布的大面積薄膜，而且獲得了性能優(yōu)良的大面積高k鈦酸鍶薄膜，本系統(tǒng)不僅適于科學(xué)研究，而且適于多組分高性能功能薄膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為利用現(xiàn)有技術(shù)物理氣相沉積方法制備YBCO薄膜的蒸發(fā)速率表；圖2為圖1中的實(shí)施例1的三組元沿基片中心線的摩爾組分比分布圖；圖3為圖1中的實(shí)施例2的三組元沿基片中心線的摩爾組分比分布圖；圖4為圖1中的實(shí)施例3的三組元沿基片中心線的摩爾組分比分布圖；圖5為利用本發(fā)明系統(tǒng)制備的4英寸鈦酸鍶薄膜的照片；圖6為掃描電子顯微鏡放大40000倍下觀察到的鈦酸鍶薄膜表面形貌；圖7為1MHz下MOS器件(鋁-鈦酸鍶-硅-鋁)C-V曲線圖；圖8為利用本發(fā)明系統(tǒng)制備的6英寸釔鋇銅氧薄膜的晶相圖；圖9為利用本發(fā)明系統(tǒng)采用三槍共蒸的方法沉積于6英寸硅基表面的鈦-釔薄膜厚度分布的臺(tái)階儀測(cè)量數(shù)據(jù)；具體實(shí)施方式
本發(fā)明多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，是根據(jù)流場(chǎng)理論，在真空室內(nèi)設(shè)置多個(gè)蒸發(fā)源，多個(gè)蒸發(fā)源同時(shí)工作時(shí)形成蒸氣羽流場(chǎng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得流場(chǎng)分布。根據(jù)流場(chǎng)分布確定基片的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡的變分優(yōu)化，保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中基片表面入射蒸氣粒子通量的積分量(薄膜厚度和組分摩爾比)分布的均勻性，從而制備出厚度和組分摩爾比分布均勻的大面積薄膜。
多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)包括有真空室，真空室內(nèi)均勻設(shè)置有多套電子束蒸發(fā)源，其中每套電子束蒸發(fā)源包括電子槍、坩鍋和石英膜厚儀，待蒸發(fā)的固體材料放置于電子槍的坩鍋內(nèi)，每個(gè)石英膜厚儀探頭對(duì)應(yīng)安裝于各自的蒸發(fā)源上方，用于檢測(cè)相應(yīng)蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)控制對(duì)應(yīng)的電子槍功率，以達(dá)到需要的蒸發(fā)速率。為了避免各電子束蒸發(fā)源電子槍之間的電磁干擾，在每個(gè)電子束蒸發(fā)源之間都設(shè)置有金屬屏蔽板，其高度等于或略高于電子槍的高度。對(duì)于熔點(diǎn)較低的金屬或非金屬材料，還可以通過(guò)設(shè)置于真空室內(nèi)的電阻加熱進(jìn)行蒸發(fā)。根據(jù)薄膜組分的數(shù)量，確定蒸發(fā)源的個(gè)數(shù)，相應(yīng)數(shù)量的蒸發(fā)源能夠同時(shí)工作，在真空室內(nèi)形成多組元蒸氣流場(chǎng)。抽氣裝置對(duì)稱(chēng)安裝在真空室的底部，保證了真空室內(nèi)流場(chǎng)分布的對(duì)稱(chēng)性。質(zhì)譜能譜儀可以用來(lái)測(cè)量真空室內(nèi)蒸發(fā)粒子的流場(chǎng)分布狀況，尋找出流場(chǎng)中與待制備薄膜摩爾組分比相同的多元蒸氣粒子分布帶，根據(jù)其分布(數(shù)密度和法向速度分布)，確定待沉積基片的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度。待沉積基片放置于真空室上部的加熱裝置上(蒸發(fā)源的上方)，基片的沉積表面與蒸發(fā)面平行，加熱裝置用于基片的均勻加熱。步進(jìn)電機(jī)和絲杠分別設(shè)置在真空室的外部和內(nèi)部，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)磁流體密封控制真空室內(nèi)的絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠又驅(qū)動(dòng)基片運(yùn)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的控制下，絲杠驅(qū)動(dòng)基片沿預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，基片的運(yùn)動(dòng)速度與分布帶中粒子的分布密度相協(xié)調(diào)，即可獲得厚度和摩爾組分比均勻分布的多組分薄膜。
圖5為利用本發(fā)明系統(tǒng)制備的4英寸鈦酸鍶薄膜的照片，從圖6中可以看到，鈦酸鍶薄膜在掃描電子顯微鏡放大40000倍下，其表面的致密性，而從圖7中的1MHz下MOS器件(鋁-鈦酸鍶-硅-鋁)C-V曲線圖中可知，其節(jié)電常數(shù)高達(dá)53。
圖8為利用本發(fā)明系統(tǒng)制備的6英寸釔鋇銅氧薄膜的晶相圖，圖9為沉積于6英寸硅基表面的釔-鈦金屬薄膜厚度分布的臺(tái)階儀測(cè)量數(shù)據(jù)，從圖中可見(jiàn)，大面積金屬薄膜的沉積厚度分布均勻，各點(diǎn)厚度相對(duì)于平均值的變化范圍僅為-2.1％～+2.4％。
權(quán)利要求
1.一種多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于，包括真空子系統(tǒng)、多蒸發(fā)源子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)和加熱子系統(tǒng)；其中，真空子系統(tǒng)包括真空室和真空獲得系統(tǒng)，該真空獲得系統(tǒng)用于保證該真空室內(nèi)流場(chǎng)的均勻分布；多蒸發(fā)源子系統(tǒng)包括多個(gè)蒸發(fā)源，根據(jù)薄膜組分的數(shù)量，相應(yīng)數(shù)量的蒸發(fā)源同時(shí)同向蒸發(fā)形成蒸氣粒子流場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)基片在流場(chǎng)內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)，基片表面及其運(yùn)動(dòng)平面垂直于蒸發(fā)面；加熱子系統(tǒng)用于基片的加熱并保證其表面溫度分布的均勻性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述真空獲得系統(tǒng)為抽氣裝置，該抽氣裝置對(duì)稱(chēng)安裝在所述真空室的底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述多蒸發(fā)源子系統(tǒng)包括至少三個(gè)電子束蒸發(fā)源，各蒸發(fā)源之間通過(guò)金屬板屏蔽消除相互之間的電磁干擾，各蒸發(fā)源根據(jù)需要控制蒸發(fā)速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)和絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)安置于真空室的頂部，絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安置于真空室內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)于絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通過(guò)磁流體密封以保證系統(tǒng)工作時(shí)的真空度要求。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了多源蒸發(fā)物理氣相沉積系統(tǒng)，包括真空子系統(tǒng)、多蒸發(fā)源子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)和加熱子系統(tǒng)；真空子系統(tǒng)包括真空室和真空獲得系統(tǒng)，真空獲得系統(tǒng)保證真空室內(nèi)流場(chǎng)的均勻分布；多蒸發(fā)源子系統(tǒng)包括多個(gè)蒸發(fā)源，根據(jù)薄膜組分的數(shù)量，相應(yīng)數(shù)量的蒸發(fā)源同時(shí)同向蒸發(fā)形成蒸氣粒子流場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基片在流場(chǎng)內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)，基片表面及其運(yùn)動(dòng)平面垂直于蒸發(fā)面；加熱子系統(tǒng)用于基片的加熱保證表面溫度分布的均勻性。采用本系統(tǒng)制備薄膜時(shí)，基片的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度都是按照預(yù)先設(shè)定的方案進(jìn)行，可獲得厚度和摩爾組分比均勻分布的大面積薄膜，而且獲得了性能優(yōu)良的大面積高k鈦酸鍶薄膜，本系統(tǒng)適于科學(xué)研究和多組分高性能功能薄膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/54GK1804106SQ20061000188
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月25日
發(fā)明者樊菁, 舒勇華, 劉宏立 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所