本實用新型涉及一種ICP增強多靶磁控濺射裝置。

背景技術：

全球的環(huán)境污染與生態(tài)破壞使人們對全新無污染的清潔生產(chǎn)給予極大關注。光催化技術是一種新興、高效、節(jié)能的現(xiàn)代綠色環(huán)保技術，光催化技術是指當能量大于光催化劑禁帶寬度的光照射其表面時，價帶上的電子躍遷至導帶，形成光生電子，價帶上則形成光生空穴。空穴與電子具有氧化還原性，可以將污染物分解為無毒或毒性較低的物質。在眾多的光催化劑中，TiO₂薄膜以其優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、高折射率、高介電常數(shù)和高的光催化活性、安全無毒、無副作用、使用壽命長等優(yōu)點而在光學薄膜、光催化降解有機物、太陽能電池及防霧自清潔等眾多領域有著廣闊的應用前景。

目前TiO₂薄膜的制備方法主要有：溶膠凝膠法和射頻磁控濺射法。溶膠凝膠法容易在薄膜中引入羥基，OH^?與Er³⁺的強耦合導致了非輻射弛豫。磁控濺射的工作原理是指電子在電場的作用下，在飛向基片過程中與氣體原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出正離子和新的電子，新的電子飛向基片，正離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，其優(yōu)點在于靶材背面的永磁鐵可以產(chǎn)生一個平行于靶表面的橫向磁場，這樣在陰極靶表面存在一個正交的電磁場，濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)獲得加速，成為高能電子并在正交的電磁場中作回旋運動。在運動中高能電子不斷與氣體原子發(fā)生碰撞電離，而自身不斷失去能量成為低能電子。最終沿著磁力線飄移到陽極被吸收。正是由于電子的回旋運動，大大延長了電子到達陽極的路徑，使得碰撞電離幾率大大增加，轟擊靶材的正離子的密度因而也大大提高。

磁控濺射根據(jù)靶材磁場位形分布不同，大致可分為平衡式和非平衡式磁控濺射。平衡式磁控濺射是磁控陰極靶的內外磁極磁通量大致相等，兩極磁力線閉合于靶面，將電子、等離子體很好的約束在靶面附近，增加電子與惰性氣體的碰撞幾率，提高了離化效率，在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，靶材利用率相對較高，但由于電子沿磁力線運動主要閉合于靶面，基片區(qū)域所受離子轟擊較小。非平衡式磁控濺射是讓磁控陰極靶的外磁極磁通大于內磁極，兩極磁力線在靶面不完全閉合，部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區(qū)域，從而部分電子可以沿著磁力線擴展到基片，增加基片區(qū)域的等離子體密度和氣體電離率。

傳統(tǒng)的磁控濺射放電能量耦合方式大多屬于CCP（電容耦合等離子體），但是這種方式很難對等離子體密度和入射到基片臺的離子能量進行單獨控制。如果等離子體密度較低、刻蝕速率就比較低，阻礙了產(chǎn)量的提高。由于在較寬的壓強范圍內（1-40Pa）易獲得高密度、大面積的等離子體，近年來ICP（電感耦合等離子體）被廣泛應用于等離子體加工工藝中。ICP（電感耦合等離子體）是通過將射頻電源加在一個非共振線圈上，線圈再通過絕緣介質將射頻能量耦合至等離子體中，其是在主要靶材的表面，固定、粘貼或鑲嵌其它材料薄片,作為輔助靶構成復合靶,實現(xiàn)摻雜，但是它只能通過改變輔助靶與主要靶的相對面積來改變沉積薄膜的組分，工藝復雜，且薄膜致密度低、均勻性差。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型克服了現(xiàn)有技術的不足，提供一種ICP增強多靶磁控濺射裝置，結構簡單，且通過該裝置制備的薄膜純度高、質量好。

為達到上述目的，本實用新型采用的技術方案為：一種ICP增強多靶磁控濺射裝置，包括真空室、設于所述真空室頂部的三個濺射靶、設于所述真空室內的ICP線圈和基片臺以及與所述真空室相連通的泵機組，三個所述濺射靶的直徑均為60mm，三個所述濺射靶的軸線與水平面之間的夾角均為20°-50°，三個所述濺射靶沿周向均勻間隔分布，三個所述濺射靶均聚焦于所述基片臺的中心，三個所述濺射靶分別與第一射頻電源、第二射頻電源、第三射頻電源相連接，所述ICP線圈設于所述濺射靶與所述基片臺之間，所述ICP線圈連接有第四射頻電源，所述基片臺連接有直流穩(wěn)壓電源。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括三個所述濺射靶與所述第一射頻電源、第二射頻電源、第三射頻電源之間分別連接有第一匹配器、第二匹配器、第三匹配器，所述ICP線圈與所述第四射頻電源之間連接有第四匹配器。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括所述ICP線圈的直徑為180mm，所述ICP線圈中心與所述濺射靶之間的距離為40mm。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括所述基片臺采用不銹鋼材質制成，所述基片臺的直徑為150mm，所述基片臺中心與所述濺射靶中心之間的距離為80mm。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括所述真空室側壁上安裝有朗繆爾探針，所述朗繆爾探針連接有第一控制器。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括所述基片臺上放置有減速場能量分析儀探頭，所述減速場能量分析儀探頭連接有第二控制器。

本實用新型一個較佳實施例中，ICP增強多靶磁控濺射裝置進一步包括所述ICP線圈外套有絕緣陶瓷包覆層。

本實用新型具有以下有益效果：

（1）擁有三個濺射靶，可根據(jù)所需要制備的薄膜材料選擇不同的靶材，包括各種金屬、半導體、絕緣氧化物、陶瓷、聚合物等物質,可使用兩個以上的由不同材料制備的陰極靶同時進行濺射，通過調節(jié)不同陰極靶上濺射放電電流來改變薄膜的組分，對三個獨立的磁控濺射靶分別施加不同頻率的射頻功率源，增加濺射速率，提高成膜結構特性，并可根據(jù)需求選擇不同數(shù)量的濺射靶來進行工作，最多可以達到三靶共濺射的條件，三個濺射靶靶位中心聚焦于基片臺中心，實現(xiàn)了共聚焦磁控濺射，可獲得均勻、較大面積的薄膜。

（2）基片臺上方設置ICP線圈，大幅度提高了離化率和等離子體密度，能有效調節(jié)等離子體電子能量分布，提高等離子體通量，增加等離子體均勻性。

（3）利用直流穩(wěn)壓電源調節(jié)基片臺偏壓，優(yōu)化離子能量分布，增強了靶材逸出原子的動能，加快了濺射速率，提高了薄膜的純度和膜層的附著力。

（4）配有多個等離子體診斷窗口，為朗繆爾探針、減速場能量分析儀探頭、發(fā)射光譜儀等診斷手段提供便利，可實時監(jiān)測等離子體性質，研究不同等離子體參數(shù)對成膜質量的影響。

（5）通過本裝置制備出的薄膜致密、均勻性好。

（6）通過本裝置制備出的薄膜的純度高、質量很好。

（7）通過本裝置制備薄膜時易于調節(jié)參數(shù)使薄膜的禁帶寬度減小，提高可見光響應，從而能夠拓寬光譜吸收范圍。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的優(yōu)選實施例的裝置的結構示意圖；

圖2是本實用新型的優(yōu)選實施例的第一濺射靶、第二濺射靶和第三濺射靶安裝在真空室的弧形蓋板上的俯視圖；

圖3是本實用新型的優(yōu)選實施例的ICP線圈的結構示意圖；

圖4是采用本實用新型的優(yōu)選實施例的裝置制備出的薄膜的SEM樣品表面形貌圖；

圖5是采用本實用新型的優(yōu)選實施例的裝置制備出的薄膜的SEM樣品截面圖；

圖6是采用本實用新型的優(yōu)選實施例的裝置制備出的薄膜的XPS Ti2p能譜圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的說明，這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。

如圖1、圖2所示，一種ICP增強多靶磁控濺射裝置，包括真空室2、設于真空室2頂部的三個濺射靶、設于真空室2內的ICP線圈4和基片臺6以及與真空室2相連通的泵機組8，三個濺射靶的直徑均為60mm，三個濺射靶的軸線與水平面之間的夾角均為20°-50°，三個濺射靶沿周向均勻間隔分布，三個濺射靶均聚焦于基片臺6的中心，實現(xiàn)了共聚焦磁控濺射，三個濺射靶分別與第一射頻電源10、第二射頻電源12、第三射頻電源14相連接，ICP線圈4設于濺射靶與基片臺6之間，ICP線圈4連接有第四射頻電源16，基片臺6連接有直流穩(wěn)壓電源18。本實用新型可根據(jù)所需要制備的薄膜材料選擇不同數(shù)量的濺射靶和在不同濺射靶上安裝不同的靶材，靶材包括各種金屬、半導體、絕緣氧化物、陶瓷、聚合物等物質，選擇廣泛，本實用新型可以進行至多三個靶的共濺射方式，通過調節(jié)不同濺射靶上濺射放電電流，來改變所需沉積薄膜的組分，可沉積所需組分的化合物、混合物等薄膜，調節(jié)方便，適用范圍廣，在濺射時，除了通入氬氣作為工作氣體，還可在放電氣氛中加入氮氣、氧氣或其他活性氣體以形成靶材物質與氣體分子的化合物薄膜。

本實用新型優(yōu)選真空室2包括底端封閉、上端開口的不銹鋼筒體20、與不銹鋼筒體20固定的弧形蓋板22，三個濺射靶均安裝在弧形蓋板22上。進一步優(yōu)選不銹鋼筒體20的直徑為460mm、高度為260mm，弧形蓋板的直徑為460mm、高度為200mm。不銹鋼筒體20和弧形蓋板22上開有多個法蘭窗口（圖中未示出），供濺射靶連接和用作各種診斷窗口。

本實用新型優(yōu)選三個濺射靶分別為第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28，第一濺射靶24與第一射頻電源10之間連接有第一匹配器30，第二濺射靶26與第二射頻電源12之間連接有第二匹配器32，第三濺射靶28與第三射頻電源14之間連接有第三匹配器34，ICP線圈4與第四射頻電源16之間連接有第四匹配器36。由于放電過程中的電極和等離子體具有感抗，射頻電源也存在一個50Ω的標準阻抗，導致了射頻電源和負載之間的不匹配，本實用新型通過給每個射頻電源都連接了相應頻率的匹配器，在放電時可以隨時調節(jié)第一匹配器30、第二匹配器32、第三匹配器34、第四匹配器36來穩(wěn)定放電，使得第一射頻電源10、第二射頻電源12、第三射頻電源14、第四射頻電源16輸出的功率能分別有效地傳輸?shù)降谝粸R射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28、ICP線圈4上，使第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28、ICP線圈4盡可能的獲得最大功率。優(yōu)選第一射頻電源10為13.56MHz射頻電源，第二射頻電源12為60 MHz射頻電源，第三射頻電源14為13.56MHz射頻電源，當然還可以根據(jù)具體需求來選擇加在第一射頻電源10、第二射頻電源12和第三射頻電源14上的功率。

ICP線圈4在射頻電流的驅動下，激發(fā)變化的磁場產(chǎn)生回旋電場，電子在回旋電場的加速下作回旋運動，與氣體分子碰撞將其電離。由于電子的回旋運動增加了與氣體分子的碰撞，增大了等離子體的密度。增大的等離子體密度還能增大到達基片正離子的電流密度，大量吸附粒子同時在基片表面擴散更容易重新成核，從而提高薄膜的致密度。本實用新型優(yōu)選ICP線圈4采用單匝線圈，ICP線圈4的直徑為180mm，ICP線圈4中心與第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28之間的距離均為40mm。如圖3所示，進一步優(yōu)選在ICP線圈4外套有絕緣陶瓷包覆層38，能有效抑制等離子體中的電子通過ICP線圈4向接地端流動。

基片臺6采用不銹鋼材質制成，基片臺6的直徑為150mm，基片臺6中心與第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28之間的距離均為80mm?；_6通過直流穩(wěn)壓電源18加直流偏壓，實現(xiàn)-600V-600V，這樣可以方便地控制離子的能量和運動方向，有效提高了薄膜的純度和膜層的附著力，適應不同需求的鍍膜條件。

本實用新型優(yōu)選泵機組8為機械泵和渦輪分子泵的組合，先用機械泵將真空室2預抽至10-20Pa，再用渦輪分子泵繼續(xù)將真空抽至5×10^-4Pa，這個真空度稱為本底真空。

濺射過程中產(chǎn)生的等離子體存在許多工藝上的可變量，比如等離子體溫度、等離子體密度、離子能量、各種離子與激發(fā)基團等，這些因素影響著等離子體與材料的相互作用、決定著所要沉積薄膜的結構與性質，而這些因素又取決于產(chǎn)生等離子體的條件，比如氣壓、電源頻率、功率、氣體流量等。因此對放電過程中的等離子體進行診斷，從而實現(xiàn)對放電過程的控制十分重要。本實用新型優(yōu)選真空室2側壁上安裝有朗繆爾探針40，朗繆爾探針40連接有第一控制器42，第一控制器42與第一電子計算機44相連來控制和記錄數(shù)據(jù)，基片臺6上放置有減速場能量分析儀探頭46，減速場能量分析儀探頭46連接有第二控制器48，第二控制器48與第二電子計算機50相連來控制和記錄數(shù)據(jù)，還包括發(fā)射光譜儀52，發(fā)射光譜儀與第二電機計算機50相連。朗繆爾探針40可以診斷電子密度溫度、等離子體電位、電子能量分布等參數(shù)；減速場能量分析儀探頭46可以診斷基片臺6表面離子能量分布、離子通量、懸浮電位等參數(shù)；發(fā)射光譜儀52可以診斷等離子體光譜，可實時監(jiān)測等離子體性質，建立薄膜結構、性能與等離子體特性之間的關聯(lián)。

使用本裝置制備TiO₂薄膜的方法，包括以下步驟：

（1）在第一濺射靶24上安裝直徑為60mm、純度為99.99%的TiO₂靶材，在第二濺射靶26上安裝直徑為60mm、純度為99.99%的Er₂O₃靶材，對1cm×1cm的Si基片用丙酮、無水乙醇和去離子水依次進行超聲波清洗5分鐘，清洗過的基片放置于基片臺6上；

（2）采用組合的機械泵和渦輪分子泵將真空室2真空抽至5.5×10^-4Pa，然后將氬氣充入真空室2中，保持氬氣的流量為30sccm，調節(jié)真空室2的壓力為1Pa；

（3）在第一濺射靶24上施加13.56MHz射頻電源，固定射頻功率為200W；在第二濺射靶26上施加60MHz射頻電源，射頻功率為50W；在ICP線圈4上施加13.56MHz射頻電源，固定射頻功率為300W；開啟直流穩(wěn)壓電源18；

（4）在濺射的過程中，利用朗繆爾探針40、減速場能量分析儀探頭46和發(fā)射光譜儀52進行監(jiān)測，經(jīng)過一個半小時的濺射，關閉射頻電源和直流穩(wěn)壓電源18，結束鍍膜。

圖4是在第一濺射靶24上施加施加射頻功率200W、第二濺射靶26上施加射頻功率50W、ICP線圈4上施加射頻功率300W條件下樣品的SEM表面形貌圖。由圖可見，所制備的薄膜表面致密均勻，無孔洞。

圖5是在第一濺射靶24上施加施加射頻功率200W、第二濺射靶26上施加射頻功率50W、ICP線圈4上施加射頻功率300W條件下樣品的SEM截面圖。由圖可知，薄膜的厚度為596nm，薄膜的沉積速率為6.8nm/min。

采用X射線光電子能譜(XPS)對各樣品的表面進行了元素分析，圖6是第一濺射靶24上功率200W、第二濺射靶26上功率50W、ICP線圈4上功率300W條件下Ti2p的高分辨譜圖，可以看出Ti2p主要由Ti的2p_3/2和2p_1/2峰構成，結合能分別為458.6ev和464.9ev。這表明Ti元素是以TiO₂的Ti⁴⁺形式存在的，說明本實用新型制備的薄膜主要由TiO₂構成，薄膜的純度高、質量很好。

以上依據(jù)本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關人員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定技術性范圍。