專利名稱：多離子束共濺射淀積納米膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用多離子束濺射淀積納米膜(含微米膜)設(shè)備，特別涉及制造如薄膜傳感器、薄膜集成電路、磁性薄膜器件、高溫超導(dǎo)薄膜、光學(xué)薄膜、材料改性薄膜等多層薄膜結(jié)構(gòu)改進(jìn)的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其國際分類應(yīng)歸于C23C14/34。
背景技術(shù)：
離子束濺射淀積鍍膜技術(shù)為科學(xué)研究與生產(chǎn)提供了薄膜涂覆的新工藝、新技術(shù)，為薄膜傳感器、薄膜集成電路、磁性薄膜器件、高溫合金導(dǎo)體薄膜、金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜制備、材料改性中的薄膜制備等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。隨著離子束鍍膜技術(shù)的飛速發(fā)展，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和延伸，離子束濺射淀積鍍膜設(shè)備的制造得到了很大的提高。然而現(xiàn)在這類設(shè)備，仍以單離子束濺射為主，雖然近年來出現(xiàn)了三離子束濺射機(jī)器，但這類機(jī)器具備最多三組元合金或化合物薄膜淀積功能，共濺射淀積四組元成分的合金或化合物薄膜受到限制，同時(shí)無批量生產(chǎn)能力。另外，這類薄膜淀積設(shè)備淀積的薄膜還存在顆粒大、均勻性不好、膜質(zhì)疏松、粘附性差、針孔缺陷多、內(nèi)應(yīng)力大等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種具有單離子束和雙離子束以及多離子束淀積濺射，能產(chǎn)生單質(zhì)、二組元、三組元、四組元成分，原位反應(yīng)共濺射淀積納米膜(含微米膜)的、具有批量生產(chǎn)能力的、通用性強(qiáng)、運(yùn)行可靠的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，同時(shí)該裝置還具有離子束輔助淀積、離子束轟擊原位剝離靶材和襯底基片、實(shí)現(xiàn)原子級清潔功能以及離子束微結(jié)構(gòu)加工功能。
這種設(shè)備利用甚低能量的離子在靶材上的動能轉(zhuǎn)換，將靶材原子搬遷出來并在附近的襯底上淀積該原子的材料薄膜?？刂齐x子束轟擊能量，使其在非PVD狀態(tài)的原子間發(fā)生彈性碰撞，在襯底上生長單原子納米膜(含微米膜)。這種以納米尺寸的逐原子層淀積的薄膜，實(shí)現(xiàn)了不同薄膜層間的原子鍵合，使得膜層具有了粘附性牢、均勻性和致密性好、極小內(nèi)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了薄膜的性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于由鍍膜室(1)、主離子源(2、3、4、5)、輔助離子源(6、7、8)、靶支架(9、10、11、12)、行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)、共濺射淀積臺(18)、中和器(19、20、21、22、23、24、25)、靶位控制裝置(26、27、28、29)、大門(30)、觀察窗(31)、輔助送氣接口(32、33、37、38)、門閥(34)、機(jī)架(35)、真空抽氣系統(tǒng)(36)、擋板(39)、膜厚監(jiān)測儀(40、41)等組成，其中，所述鍍膜室(1)為圓形真空室，安裝于機(jī)架(35)上方，并與安裝于機(jī)架(35)內(nèi)的真空抽氣系統(tǒng)(36)通過門閥(34)相連接；所述主離子源(2、3)接有電源，能產(chǎn)生聚焦或平行離子束，其離子槍放電室可以直接水冷，發(fā)射的離子束分別正對靶支架(9、10)的靶位，它們對稱安裝于鍍膜室(1)的左右兩側(cè)；所述主離子源(4、5)接有電源，能產(chǎn)生聚焦或平行離子束，其離子槍放電室可以直接水冷，發(fā)射的離子束分別正對靶支架(11、12)的靶位，它們對稱安裝于鍍膜室(1)的正前、正后方；所述輔助離子源(6、7)能產(chǎn)生平行離子束，分別安裝于主離子源(2、3)的上方，其離子束流方向正對行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)的工件位，輔助離子源(8)能產(chǎn)生平行離子束，安裝于鍍膜室(1)正后方上部，其離子束流方向正對共濺射淀積臺(18)的工件位；所述靶支架(9、10、11、12)正反靶位兩面均可安裝相同或不同的靶材，可分別通過位于鍍膜室(1)外的靶位控制裝置(26、27、28、29)控制它們是水平還是垂直或者傾斜某一角度工作；所述中和器(19、20、21、22、23、24、25)均是采用熱燈絲發(fā)射電子的裝置，它們緊鄰主離子源(2、3、4、5)和輔助離子源(6、7、8)并與它們一一對應(yīng)安裝。
所述行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)的加熱方式為電加熱方式，它通過鍍膜室(1)外的驅(qū)動機(jī)構(gòu)(131)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)多工件位的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和各自轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
所述共濺射淀積臺(18)在淀積臺調(diào)整機(jī)構(gòu)(182)的調(diào)整控制下可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、90°轉(zhuǎn)動的三維動作。
所述真空抽氣系統(tǒng)(36)是由分子泵、機(jī)構(gòu)泵真空系統(tǒng)構(gòu)成，它們通過門閥(34)對鍍膜室(1)抽真空并保持在合適的低壓。
所述膜厚監(jiān)測儀(40、41)緊鄰共濺射淀積臺(18)和行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)安裝，它們提供淀積期間生產(chǎn)膜厚度的實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)①、該系統(tǒng)能原位反應(yīng)濺射2至8種導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)的單質(zhì)材料，獲得逐層淀積的和動態(tài)混合淀積的合金和/或化合物納米膜(含微米膜)。
②、在薄膜淀積之前，利用輔助淀積離子束對襯底(或靶材)轟擊實(shí)現(xiàn)如下功能a、利用離子束對靶材、襯底進(jìn)行原位轟擊清洗，將吸附的水蒸汽、金屬氧化物等污物清除，提高薄膜的純度，同時(shí)增加了襯底溫度，有利于增加薄膜附著力。b、對襯底低能離子束轟擊的結(jié)果，增加薄膜淀積過程中的島一核密度以增加薄膜的致密性和改善薄膜的階梯覆蓋，減少內(nèi)應(yīng)力。c、實(shí)現(xiàn)襯底材料和淀積材料之間的原子鍵合，提高附著力。
③、在薄膜淀積過程中，利用低能離子束轟擊正在淀積的薄膜，實(shí)現(xiàn)原位對薄膜的機(jī)械、電性能的改進(jìn)，如減少薄膜拉應(yīng)力，甚至將拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，提高薄膜的遷移率，以改進(jìn)淀積中晶格的遷移率從而改善階遞覆蓋，改善光學(xué)薄膜的光學(xué)特性；改進(jìn)薄膜的硬度；改善晶體的擇優(yōu)取向和磁性薄膜的各向異性。
④、多束多靶的同時(shí)轟擊生成的合金膜的組分平衡時(shí)間比采用復(fù)合單靶形成合金膜的時(shí)間短，提高生產(chǎn)效率。
⑤、與一般的等離子濺射相比，本機(jī)工作時(shí)，機(jī)器的工作參數(shù)與成膜的工藝參數(shù)可以分別獨(dú)立調(diào)整，互不影響，可以多種選擇工藝參數(shù)淀積薄膜，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
⑥、與一般的等離子濺射相比，本機(jī)工作時(shí)，襯底處在高真空的低溫環(huán)境中，避免了處在高溫等離子體惡劣環(huán)境中的淀積薄膜，薄膜質(zhì)量大大提高。
本系統(tǒng)具有由四個(gè)主離子源和一個(gè)輔助離子源、四個(gè)濺射靶和一個(gè)共濺射淀積臺組成的五離子束共濺射淀積系統(tǒng)，當(dāng)其中二個(gè)、三個(gè)主離子源和一個(gè)輔助離子源工作時(shí)，則構(gòu)成了二元、三元組合的多束共濺射淀積系統(tǒng)；當(dāng)一個(gè)主離子源工作，或一個(gè)主離子源和一個(gè)輔助離子源工作時(shí)，則構(gòu)成了單離子束濺射或雙離子束濺射淀積系統(tǒng)。另外，通過靶位控制裝置(不破壞真空環(huán)境)，將安裝于四個(gè)靶支架上的靶材轉(zhuǎn)換位置，形成了四個(gè)新的濺射靶，它們和四個(gè)主離子源(共用)、二個(gè)輔助離子源以及行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺組成六離子束濺射淀積系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)具有1至8種單質(zhì)材料逐層淀積的、動態(tài)混合納米膜(含微米膜)淀積的功能，且能原位、反應(yīng)濺射淀積化合物薄膜、能原位離子轟擊剝離清洗靶材和襯底基片，能進(jìn)行離子束輔助淀積和具有批量生產(chǎn)能力。為薄膜傳感器、薄膜集成電路、磁性薄膜器件、高溫合金導(dǎo)體薄膜、金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜制備、材料改性中的薄膜制備等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的五離子束共濺射淀積納米膜裝置整體示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的五離子束共濺射淀積納米膜裝置右視圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的六離子束濺射淀積納米膜裝置整體示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的六離子束濺射淀積納米膜裝置右視圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，一種五離子束共濺射淀積納米膜裝置，由鍍膜室1，主離子源2、3、4、5，輔助離子源8，靶支架9、10、11、12，共濺射淀積臺18，中和器19、20、21、22、25，靶位控制裝置26、27、28、29，大門30，觀察窗31，輔助送氣接口32、33、37、38，門閥34，機(jī)架35，真空抽氣系統(tǒng)36，擋板39，膜厚監(jiān)測儀40等組成。其中，所述鍍膜室1為圓形真空室，安裝于機(jī)架35上方，并與安裝于機(jī)架35內(nèi)的真空抽氣系統(tǒng)36通過門閥34相連接。鍍膜室1的正前方安裝有大門30，大門30上開設(shè)有觀察窗31，操作者通過大門30將工件或靶材送入鍍膜室1，或從鍍膜室1取出工件或靶材。同時(shí)通過觀察窗31觀察濺射淀積的過程，以便發(fā)現(xiàn)淀積過程中有異?，F(xiàn)象時(shí)能立即采取措施。
所述主離子源2、3對稱安裝于鍍膜室1的左右兩側(cè)，它們是一種采用熱燈絲電子轟擊放電型卡夫曼離子源，在同樣的能量下，能以數(shù)十倍的聚焦或平行的束流密度轟擊加工，以提高濺射速率。另外，通過離子光學(xué)的調(diào)整，使離子束的束斑能在一定范圍內(nèi)改變，以滿足不同要求的濺射加工。主離子源2、3的離子槍放電室安裝有水冷系統(tǒng)，可以通過循環(huán)水直接水冷。安裝時(shí)通過一定的位置調(diào)整，使得主離子源2、3發(fā)射的離子束正對靶支架9、10的靶位。在圖1中，主離子源2、3分別轟擊靶支架9、10下方所安裝的靶材92、102，使其轟擊出的原子按一定的角度沉積到安裝于共濺射淀積臺18上方的工件181上而形成薄膜。主離子源2、3的下方分別安裝有中和器19、20，中和器19、20采用熱燈絲發(fā)射電子，利用離子束束中等離子體的空間正電荷形成的此虛陽極，實(shí)現(xiàn)電子浸沒式的空間電荷中和，以電中性的束等離子體對絕緣體加工，避免因電荷集累引起放電和擊穿。
圖2中，主離子源4、5對稱安裝于鍍膜室1的正前、正后方，它們是和主離子源2、3相同的離子源。安裝時(shí)通過一定的位置調(diào)整，使得主離子源4、5發(fā)射的離子束正對靶支架11、12的靶位。主離子源4、5分別轟擊靶支架11、12下方所安裝的靶材112、122，使其轟擊出的原子按一定的角度沉積到安裝于共濺射淀積臺18上方的工件181上而形成薄膜。主離子源4、5的上方分別安裝有中和器21、22，中和器21、22的功能特點(diǎn)和中和器19、20相同。
在五離子束共濺射淀積納米膜系統(tǒng)中，除主離子源2、3、4、5工作外，輔助離子源8也工作。輔助離子源8是一種采用熱燈絲電子轟擊放電型平行束卡夫曼離子源，它安裝于鍍膜室1正后方上部，其離子束流方向正對共濺射淀積臺18的工件181上。在薄膜淀積過程中，輔助離子源8以低能離子束轟擊正在淀積的薄膜，實(shí)現(xiàn)原位對薄膜的機(jī)械、電性能的改進(jìn)，如減少薄膜拉應(yīng)力，提高薄膜的遷移率，以改進(jìn)淀積中晶格的遷移率從而改善階遞覆蓋，改進(jìn)薄膜的硬度、晶體的擇優(yōu)取向和薄膜的各向異性。同時(shí)，輔助離子源8在未淀積前，可對工件181表面進(jìn)行轟擊，進(jìn)行工件表面原子級的清洗，以便在薄膜淀積到工件表面上之前去除污物。輔助離子源8的下方安裝有中和器25，中和器25的作用和其它中和器相同。
緊鄰共濺射淀積臺18的膜厚監(jiān)測儀40(膜厚監(jiān)測儀41緊鄰行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺13安裝，其功能和膜厚監(jiān)測儀40相同)提供淀積期間生長膜厚度的實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測。位于共濺射淀積臺18上方的擋板39可以通過安裝于鍍膜室1外的擋板調(diào)節(jié)器42進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，它用于防止濺射清潔期間工件181表面免受污染。共濺射淀積臺18安裝于淀積臺調(diào)整機(jī)構(gòu)182的上方，而淀積臺調(diào)整機(jī)構(gòu)182又通過安裝于機(jī)架35上的支撐機(jī)構(gòu)183支撐。在淀積臺調(diào)整機(jī)構(gòu)182的調(diào)整控制下，共濺射淀積臺18可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、90°轉(zhuǎn)動的三維動作，從而提高所淀積薄膜的均勻性。
如圖3、圖4所示，一種六離子束濺射淀積納米膜裝置，它增加了行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺13以及膜厚監(jiān)測儀41，此時(shí)除輔助離子源8不工作外，其它四個(gè)主離子源和另外二個(gè)輔助離子源均工作。首先通過安裝于鍍膜室1外的靶位控制裝置26、27、28、29分別調(diào)整靶支架9、10、11、12，使得主離子源2、3、4、5轟擊時(shí)所轟擊的靶材分別變成91、101、111、121，同時(shí)轟擊靶材所濺射出的原子方向也得到改變(靶位控制裝置26、27、28、29能分別控制靶支架9、10、11、12是水平還是垂直或者傾斜某一角度工作)，正好沉積到行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺13的工件位14、15、16、17上(行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺13的工件位上還可安裝多個(gè)工件，圖中未示出)。另外分別位于主離子源2、3上方的輔助離子源6、7在淀積濺射前和淀積過程中均可參與工作，在淀積前，它們可以對工件和/或靶材表面進(jìn)行剝離清洗，以得到工件和/或靶材原子級的清潔度，這樣有利于生長高質(zhì)量的薄膜。在淀積過程中，輔助離子源6、7能發(fā)揮五離子束共濺射淀積納米膜系統(tǒng)中輔助離子源8的作用。輔助離子源6、7的上方安裝有中和器23、24，它們的作用和其它中和器相同。
行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺13的加熱方式為電加熱方式，它通過鍍膜室1外的驅(qū)動機(jī)構(gòu)131驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)多工件位的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和各自轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
在以上兩種濺射淀積系統(tǒng)中，靶支架9、10、11、12上所裝的靶材可以相同，也可不同。另外，淀積過程中可以通過輔助送氣接口32、33、37、38送入如氧氣、氮?dú)獾葰怏w，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)濺射淀積，生成化合物薄膜。
真空抽氣系統(tǒng)36是由分子泵、機(jī)構(gòu)泵真空系統(tǒng)構(gòu)成，它們通過門閥34對鍍膜室1抽真空并保持在合適的低壓。分子泵、機(jī)構(gòu)泵真空系統(tǒng)為
權(quán)利要求
1.一種多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于由鍍膜室(1)、主離子源(2、3、4、5)、輔助離子源(6、7、8)、靶支架(9、10、11、12)、行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)、共濺射淀積臺(18)、中和器(19、20、21、22、23、24、25)、靶位控制裝置(26、27、28、29)、大門(30)、觀察窗(31)、輔助送氣接口(32、33、37、38)、門閥(34)、機(jī)架(35)、真空抽氣系統(tǒng)(36)、擋板(39)、膜厚監(jiān)測儀(40、41)等組成，其中，所述鍍膜室(1)為圓形真空室，安裝于機(jī)架(35)上方，并與安裝于機(jī)架(35)內(nèi)的真空抽氣系統(tǒng)(36)通過門閥(34)相連接；所述主離子源(2、3)接有電源，能產(chǎn)生聚焦或平行離子束，其離子槍放電室可以直接水冷，發(fā)射的離子束分別正對靶支架(9、10)的靶位，它們對稱安裝于鍍膜室(1)的左右兩側(cè)；所述主離子源(4、5)接有電源，能產(chǎn)生聚焦或平行離子束，其離子槍放電室可以直接水冷，發(fā)射的離子束分別正對靶支架(11、12)的靶位，它們對稱安裝于鍍膜室(1)的正前、正后方；所述輔助離子源(6、7)能產(chǎn)生平行離子束，分別安裝于主離子源(2、3)的上方，其離子束流方向正對行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)的工件位，輔助離子源(8)能產(chǎn)生平行離子束，安裝于鍍膜室(1)正后方上部，其離子束流方向正對共濺射淀積臺(18)的工件位；所述靶支架(9、10、11、12)正反靶位兩面均可安裝相同或不同的靶材，可分別通過位于鍍膜室(1)外的靶位控制裝置(26、27、28、29)控制它們是水平還是垂直或者傾斜某一角度工作；所述中和器(19、20、21、22、23、24、25)均是采用熱燈絲發(fā)射電子的裝置，它們緊鄰主離子源(2、3、4、5)和輔助離子源(6、7、8)并與它們一一對應(yīng)安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于所述行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)的加熱方式為電加熱方式，它通過鍍膜室(1)外的驅(qū)動機(jī)構(gòu)(131)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)多工件位的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和各自轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于所述共濺射淀積臺(18)在淀積臺調(diào)整機(jī)構(gòu)(182)的調(diào)整控制下可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、平移、90°轉(zhuǎn)動的三維動作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于所述真空抽氣系統(tǒng)(36)是由分子泵、機(jī)構(gòu)泵真空系統(tǒng)構(gòu)成，它們通過門閥(34)對鍍膜室(1)抽真空并保持在合適的低壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，其特征在于所述膜厚監(jiān)測儀(40、41)緊鄰共濺射淀積臺(18)和行星旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(13)安裝，它們提供淀積期間生產(chǎn)膜厚度的實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有單離子束和雙離子束以及多離子束濺射淀積，能產(chǎn)生單質(zhì)、二組元、三組元、四組元成分，原位反應(yīng)共濺射淀積納米膜(含微米膜)的、具有批量生產(chǎn)能力的、通用性強(qiáng)、運(yùn)行可靠的多離子束共濺射淀積納米膜裝置，同時(shí)該裝置還具有離子束輔助淀積、離子束轟擊原位剝離靶材和襯底基片、實(shí)現(xiàn)原子級清潔功能以及離子束微結(jié)構(gòu)加工功能。該裝置是利用甚低能量的離子在靶材上的動能轉(zhuǎn)換，將靶材原子搬遷出來并在附近的襯底上生長單原子納米膜。這種以納米尺寸的逐原子層淀積的薄膜，性能得到較大的提高。
文檔編號C23C14/34GK1459515SQ02114138
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
發(fā)明者雷衛(wèi)武 申請人:雷衛(wèi)武