專利名稱：高真空多靶磁控濺射方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體薄膜沉積技術(shù)。
目前的磁控濺射方法大都采用磁控濺射陰極加直流或高頻電源，由直流或高頻電場產(chǎn)生等離子體起濺射作用。由于在直流或高頻電場中高真空(10-2pa)時很難產(chǎn)生和維持等離子體而起濺射作用，因此一般工作在低真空(約1Pa)，低電壓(400-800V)，大電流(10-1000mA)狀態(tài)。例如在日本《固體物理》雜志1988年Vol.23，No.8.653-660頁足立秀明等的文章及1992年J.Vac.Sci Technol，A Vol.10 No.1 82-86頁美國斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系的文章中所述。
日本《固體物理》雜志1988年Vol.23 No.8 653-660頁足立秀明的文章中提出了一種多靶磁控濺射的方法和裝置(如

圖1所示)，是在靶室[1]中設(shè)有4個磁控濺射陰極[3]，并與基片[5]平面傾角為30°，陰極上分別裝有Pb，La，Zr，Li高純金屬靶片[8]，由4個可調(diào)直流電源[12]分別控制4個濺射陰極，在靶室中充以Ar+O2混合氣體，真空度為3Pa的工作方式下進(jìn)行多靶共濺射，通過調(diào)節(jié)各個陰極的濺射電壓來控制沉積薄膜中化合物的各種成分量。
該方法和裝置存在以下不足(1)在濺射電流大的工作狀態(tài)下，薄膜沉積率高，對功能薄膜和納米(10-9米)薄膜的制作時不易精確控制膜的成分和厚度。(2)由于采用的磁控濺射源是由直流或高頻電場使氣體離化產(chǎn)生等離子體，并吸引其中的正離子轟擊靶片產(chǎn)生濺射作用，氣體的離化率很低，因而濺射很難在高真空中(10-2pa)產(chǎn)生和維持等離子體。(3)由于是低真空和低電壓工作狀態(tài)，磁控濺射產(chǎn)生的靶材料粒子被氣體原子多次碰撞而使能量降低(平均能量約為2ev)，這樣不利于清除基片表面化學(xué)吸附的雜質(zhì)原子(化學(xué)吸附能量為1-5ev);在濺射合金靶材時，由于濺射材料粒子和氣體原子的多次碰撞，使靶片富集合金中的輕原子，基片富集合金中的重原子。(4)磁控濺射工作在真空度為1Pa附近時，沉積薄膜中的拉應(yīng)力最大，使薄膜在基片上的附著強(qiáng)度降低。
為了克服已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種采用另外的等離子體源產(chǎn)生并引入等離子體，在靶片上加直流或高頻電壓產(chǎn)生濺射，能在高真空、高電壓方式下工作;沉積率低，易于控制膜的成分和厚度，使膜的附著力強(qiáng);雜質(zhì)污染小;適合于制作功能薄膜和納米薄膜的多靶磁控濺射方法和裝置。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，提出了一種高真空多靶磁控濺射方法在本底真空10-3-10-8Pa，工作真空10-2-10-3Pa，磁控濺射陰極通以濺射電壓0-4KV時，用至少一個或多個微波等離子體源產(chǎn)生等離子體，并輸運(yùn)到磁控濺射陰極表面，吸引等離子體中的正離子轟擊靶片起濺射作用，在基片上沉積出需要的薄膜。提出的裝置增加至少一個微波等離子體源，在真空室內(nèi)設(shè)1-4個磁控濺射陰極。
采用本技術(shù)方案后，克服了已有技術(shù)在高真空工作狀態(tài)磁控濺射陰極不能工作(產(chǎn)生和維持等離子體)的缺陷及帶來的問題，由微波等離子體源提供高離化度的等離子體，可以在清潔環(huán)境和低沉積率(＜0.1
/sec)下沉積半導(dǎo)體、金屬或陶瓷的納米(10-9米)超薄膜或超晶格薄膜，制作出的薄膜附著力強(qiáng)。
圖1是日本足立秀明提出的多靶磁控濺射裝置示意圖;
圖2是高真空多靶磁控濺射裝置結(jié)構(gòu)圖;
圖3是設(shè)4個磁控濺射陰極的磁場分布圖;
圖4是設(shè)一對磁控濺射陰極的磁場分布圖。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
由微波頻率為2.45CHz，微波功率0-1KW，工作氣壓10-2-10-3Pa的微波等離子體源產(chǎn)生高離化度的微波等離子體，并輸運(yùn)到磁控濺射陰極表面，將陰極濺射電壓加到靶片上，吸引等離子體中的正離子轟擊靶片而產(chǎn)生濺射作用，同時磁控濺射陰極的磁場在靶片表面附近約束電子，增強(qiáng)離化和濺射過程。靶片被濺射出來的粒子在基片上沉積而形成薄膜。當(dāng)靶室中設(shè)4個磁控濺射陰極或有4個磁控濺射陰極工作時形成的磁場是一個四極磁場;當(dāng)靶室中設(shè)2個磁控濺射陰極或有一對磁控濺射陰極工作時形成的是一個二極磁場，對等離子體起約束作用，提高工作區(qū)的等離子體密度。
圖2中表示出本發(fā)明包括有靶室[1]，靶室用不銹鋼制造。靶室[1]內(nèi)設(shè)有溫度可控轉(zhuǎn)動基片支架[4]，溫度范圍為室溫-800℃，轉(zhuǎn)速為0-120轉(zhuǎn)/分。制膜時支架[4]作勻速轉(zhuǎn)動，使基片[5]上均勻沉積薄膜?；胺皆O(shè)有基片檔板[6]，制膜時將檔板移開。基片接有0-1KV的偏壓電源[13]。增加的微波等離子體源[2]裝在靶室[1]上，可采用電子回旋共振微波等離子體源(本發(fā)明人在中國專利90105790.8中提出的)。微波等離子體源產(chǎn)生的高離化等離子體從對著基片[5]的引出口[7]輸入靶室內(nèi)。靶室[1]內(nèi)還設(shè)有1-4個磁控濺射陰極[3]，最好是2個或4個。它們以基片[5]為中心分布于周圍，并與基片平面呈45°傾角。磁控濺射陰極[3]用高磁場強(qiáng)度(表面磁場強(qiáng)度＞2500高斯)的永磁鐵做成，每個磁控濺射陰極[3]均帶有0-4KV的電源[12]，可用直流電源或高頻電源。如采用4個磁控濺射陰極[3]，相鄰兩陰極磁極反號構(gòu)成四極磁場(如圖3所示);如采用一對磁控濺射陰極[3]，兩對陰極磁場極性相反構(gòu)成二極磁場(如圖4所示)。濺射陰極[3]上分別裝有高純材料靶片[8]，靶材可采用金屬、半導(dǎo)體或陶瓷。每個靶片[8]前面都設(shè)有靶片檔板[11]，不工作時將檔板遮住靶片以防止污染。
真空系統(tǒng)[9]與靶室[1]相連，該系統(tǒng)可使靶室內(nèi)達(dá)到本底真空10-3-10-8Pa;工作真空10-2-10-3Pa。供氣系統(tǒng)[10]可以通過微波等離子體源[2]將濺射氣體(Ar)或反應(yīng)氣體(N2、O2、H2或CH4)或混合氣體輸入靶室[1]。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有顯著的特點(diǎn)在本底氣壓為10-3-10-4Pa，工作氣壓為10-2-10-3Pa，陰極濺射電壓為0-4KV(直流或高頻)時，薄膜沉積率可低于1
/sec。
1.高真空度減少了雜質(zhì)氣體污染;
2.沉積薄膜前可用微波等離子體預(yù)濺射清洗基片;沉積薄膜時用它濺射靶片和輻照基片，可起到輔助沉積和改善薄膜性能的作用;在沉積薄膜后可用它對薄膜進(jìn)行后處理。
3.在濺射合金靶片時，由于工作真空度高，濺射出的粒子和氣體原子的碰撞大大減少，消除了靶片富集輕元素，基片富集重元素的問題。
4.由于工作真空度高，濺射粒子和氣體原子碰撞引起的慢化也大大減少。濺射粒子動能約為10ev。有利于基片表面清洗和促進(jìn)薄膜生長及改善薄膜性能，如密度、結(jié)晶性、附著強(qiáng)度等。
5.陰極濺射電壓高，可以進(jìn)一步提高濺射粒子動能，改善薄膜性能。
在本底氣壓為10-610-8Pa，工作氣壓為10-3Pa，濺射電壓為0-4KV(直流或交流)的工作狀態(tài)沉積率低于0.1 /sec，同時在這樣超真空度下大大降低了雜質(zhì)氣體的污染，能夠制作納米(10-9米)超薄膜和超晶格多層薄膜。
實(shí)施例1.用微波等離子體單靶磁控濺射沉積TiN薄膜。
用微波等離子體源[2]和一個磁控濺射陰極[3]。靶片[8]為φ60×4mm的Ti片。本底真空5×10-3Pa。將N2氣通入微波等離子體源[1]中后，工作真空為1Pa。當(dāng)微波功率低于100W時產(chǎn)生等離子體，然后使微波功率穩(wěn)定到300W。Si基片[5]上加偏壓電源[13]1KV，用微波等離子體對基片予濺射清洗5-10分鐘。將偏壓電源[13]調(diào)到100V，給濺射陰極[3]加上800V電壓，這時濺射電流為65mA。即可進(jìn)行TiN薄膜沉積。
2.微波等離子體高真空對靶磁控濺射BiSrCaCuO超導(dǎo)陶瓷薄膜。
用微波等離子體源[2]和一對磁控濺射陰極[3]。磁場結(jié)構(gòu)如圖4所示。濺射陰極[3]表面磁場約為1800高斯。兩靶片[8]距離為120mm，靶片[8]為φ60×3mm的BiSrCaCuO陶瓷片。本底真空5×10-3Pa，通入高純O2氣，工作真空為5×10-2Pa，微波功率為100W時產(chǎn)生等離子體?；琜5]為MgO(001)單晶，將其加熱至700℃。給基片加1KV的高頻偏壓并預(yù)濺射清洗10分鐘。調(diào)節(jié)高頻偏壓至100V，在兩個相對磁控濺射陰極[3]上加直流濺射電壓1KV-2KV。將微波功率調(diào)節(jié)到700W，即可濺射沉積薄膜。停止濺射后輸入O2氣使真空度至100Pa，對沉積薄膜作等離子體輻照后處理。
3.微波等離子體高真空多靶磁控濺射沉積PbTiO3鐵電陶瓷薄膜。
用微波等離子體源[2]和4個磁控濺射陰極[3]。磁場結(jié)構(gòu)如圖3所示。靶片采用高純合金Ti靶和Pb靶各兩個。本底真空為5×10-3Pa。通入高純O2，工作真空為5×10-2Pa?；瑸棣?Al2O3(0001)，將其加熱到600℃。微波功率調(diào)到900W時，給基片加高頻偏壓1KW進(jìn)行預(yù)濺射清洗10分鐘。給靶片加直流濺射電壓至2300V，這時Ti靶濺射電流為7.0mA;Pb靶濺射電流為8.5mA。調(diào)節(jié)它們的濺射電壓，即得到所需成分比例的PbTiO3薄膜。
權(quán)利要求
1.高真空多靶磁控濺射方法，在真空中將直流或高頻電源加到磁控濺射陰極上，由直流或高頻電場使濺射氣體或反應(yīng)氣體離化產(chǎn)生等離子體轟擊靶片起濺射作用，其特征是在工作真空10-2～10-3Pa時由至少1個微波等離子體源產(chǎn)生等離子體，并將等離子體輸運(yùn)到磁控濺射陰極表面，吸引等離子體中的離子轟擊靶片起濺射作用。
2.高真空多靶磁控濺射裝置，包括有靶室[1]真空系統(tǒng)[9]、供氣系統(tǒng)[10]和電源[12]、[13]，靶室中裝有基片支架[4]和裝有靶片[8]的磁控濺射陰極，其特征是，增加至少一個微波等離子體源，真空室內(nèi)設(shè)1-4個磁控濺射陰極。
全文摘要
高真空多靶磁控濺射方法和裝置，涉及到等離子體薄膜沉積技術(shù)。本發(fā)明由增加的微波等離子體源產(chǎn)生等離子體，并輸運(yùn)到1—4個磁控濺射陰極表面，由加到靶片上的直流或高頻濺射電壓，吸引等離子體中的正離子轟擊靶片起濺射作用。本發(fā)明在本底真空10
文檔編號C23C14/35GK1087130SQ9211198
公開日1994年5月25日 申請日期1992年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月16日
發(fā)明者郭華聰 申請人:四川大學(xué)