专利名称：一种等离子体增强非平衡磁控溅射方法
技术领域：
本发明属于材料表面改性领域，特别涉及到磁控溅射沉积技术。
目前，磁控溅射沉积技术被广泛地用于制备各种薄膜，如透明导电膜、介电膜等功能膜，硬质膜，装饰膜等；其应用涉及微电子、光电子、机械、化工、生物材料等众多领域。该技术的研究一直是材料表面改性领域的热点之一。众所周知，由于磁控靶表面附近的交叉电磁场(以下简称交叉场)对二次电子的约束，使磁控靶可以在较低的电压下实现自持放电，并得到较高密度(～109-1010/cm3)的等离子体。但由于这个交叉场对等离子体的约束，使离子难以逃逸此区；此时，若基片位于交叉场区域，则由于高能电子的轰击而造成基片损伤；若基片远离此区，则由于激活离子流太小而不易得到符合化学配比的化合物膜。为克服这个缺点，近期人们发明了非平衡磁控溅射技术，即磁控靶表面的磁力线不闭合，磁力线沿靶的边缘扩展到基片表面，从而有部分溅射离子沿磁力线扩散到基片，其自持放电的最低工作气压为10-2Pa。但是，在利用反应磁控溅射制备化合物薄膜时，为了得到正确的化学配比及所需的薄膜结构和性能，就要求薄膜生长表面区域的反应气体和溅射原子均有较高的电离率和激活率，即有高密度的激活反应基团；此外，当需要薄膜有较好的覆盖性能时，应减少反应气体及溅射原子之间的碰撞频率，以提高其输运过程的方向性，这就要求反应基元的自由程的数量级和靶基距相等，即要求在超低气压下工作(～10-3Pa-10-2Pa)。不论是传统的平衡磁控溅射还是近期出现的非平衡磁控溅射技术，都难以实现上述要求。
本发明的目的是，提出一种新型的化合物薄膜的制备方法会切场微波-电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance简称ECR)等离子体增强非平衡磁控溅射技术。该技术利用微波-ECR等离子体和会切场磁场位形辅助平衡磁控溅射靶放电和薄膜沉积，可以实现超低工作气压下亚稳态化合物薄膜，如氮化物、碳化物及氧化物膜的制备。
实现本发明的技术方案两个微波-ECR放电腔相对放置，分别位于沉积室的两侧；平衡磁控溅射靶位于沉积室之中的上侧，和沉积室上壁之间采用绝缘联接，溅射偏压Vs为直流0-1000V连续可调；载物台与溅射靶相对放置，位于沉积室之中的下侧，和沉积室下壁之间采用绝缘联接，沉积偏压Vd为直流0-300V连续可调，载物台中配有加热器，基片的加热温度在0-1200℃范围内连续可调，载物台相对于沉积室底面的高度可调，调节范围为100-400cm，通过调节载物台的高度，可以改变溅射靶与载物台之间的距离。所用微波的频率为2.45GHz，功率为0-1500W连续可调；两个ECR放电腔周围的ECR磁场线圈的电流大小相等、方向相反；两个ECR磁场线圈所产生的磁场和平衡磁控靶磁场，在沉积室中相互叠加，形成会切场磁场位型；通过调节电流的大小(0-100A连续可调)，可以调整两个ECR磁场共振面(875Gs)的相对位置和沉积室中会切场磁场位形。当ECR磁场线圈的电流均为51A时，磁场强度最小的区域位于沉积室中心，其大小为4.44Gs，微波-ECR共振面(875Gs)分别位于两个微波-ECR放电腔腔口，距沉积室中心均为300cm。
当选用纯度为99.9％的高纯石墨作为靶材，纯度为99.999％的高纯氮气作为工作气体，磁场线圈电流为51A，微波功率为500W时，不同工作气压(0.007Pa.0.080Pa，1.000Pa)下的微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射电流-电压放电特性均包含两种放电模式电压模式和电流模式。其中，电压模式是微波-ECR等离子体增强作用的结果，而电流模式是微波-ECR等离子体增强和磁控靶自持交叉场放电共同作用的结果。显然，由于微波-ECR等离子体的增强作用及会切场对等离子体的约束作用，本发明可以实现超低工作气压下(10-3Pa)磁控靶的自持放电。
综上所述，本发明的主要特征是1)两个相对放置的微波-ECR磁场线圈所产生的磁场和非平衡磁控靶磁场相互叠加，在沉积室形成会切场磁场位型，这种磁场位型能有效地约束等离子体，在薄膜生长表面附近得到高密度的离子和激活基团；当微波功率为250-700W，工作气压为0.007-20Pa，ECR磁场线圈电流为45-60A，溅射偏压0-700V，沉积偏压为0-300V时，薄膜生长表面附近的等离子体密度为4×1010-9×1011/cm3；2)分别由非平衡磁控溅射放电和微波-ECR放电产生激活溅射原子、离子和激活反应气体原子、离子，通过调节溅射偏压和沉积偏压，可以控制薄膜生长表面的激活反应基团、离子到达比及能量；具有一定能量和密度分布的各种激活原子、离子在薄膜生长表面反应，形成符合化学配比的化合物薄膜；
3)在微波-ECR等离子体增强及会切场对等离子体的约束两种因素的作用下，可实现超低工作气压下非平衡磁控靶自持放电。
本发明的效果和益处是，在微波-ECR等离子体的辅助下，平衡磁控靶可以实现超低工作气压下的自持放电，在会切场磁场位形对等离子体的约束作用下，可以在薄膜生长表面附近得到高密度的离子和激活基团，从而可以制备符合化学配比的优质亚稳态化合物薄膜。所制备的薄膜具有正确的化学配比、较好的结构和性能，较好的覆盖性能。
以下详细说明本发明的最佳实施例用本发明制备的氮化碳薄膜，其成份符合β-C3N4的化学配比，显微硬度值达到HV4600。本发明的工艺过程的特征在于，采用纯度为99.9％的高纯石墨作为平衡磁控溅射靶材，采用纯度为99.999％的高纯氮作为工作气体；由相对放置的的两个微波ECR放电腔产生的高密度氮等离子体，扩散至沉积室的溅射靶与载物台之间，这些等离子体中的氮离子在溅射负偏压的作用下，轰击磁控溅射靶，产生大量二次电子，这些电子在磁控靶的交叉场作高速回旋，进一步电离溅射原子，最终导致平衡磁控溅射靶产生交叉场自持放电；沉积室中的会切场磁场位型有效地约束由非平衡磁控溅射放电和微波ECR放电产生激活溅射原子、离子和激活反应气体原子、离子，在薄膜生长表面附近得到高密度的激活C、N反应基团、离子，通过调节溅射偏压和沉积偏压，可以控制薄膜生长表面的激活C、N原子、离子到达比及能量；通过调节基片加热温度，可以控制所制备CNX膜的组织结构和应力状态。
实现本发明实施例的工艺步骤如下工件经过清洗干燥后放入沉积室中的载物台上，载物台的高度调至300cm；抽真空至3×10-3Pa，充氮气至8×10-2Pa，工件加热至300℃，加ECR磁场线圈电流至51A，开微波源，功率为500W，此时通过观察窗可以看到ECR氮等离子体；加溅射偏压至500V，此时通过观察窗可以看到非平衡磁控靶放电的负辉区，加沉积偏压至100V，开始薄膜沉积；40分钟后，溅射偏压、沉积偏压降至0V，关闭微波源，断开ECR磁场电流和工件加热电流，停气，工件炉冷1小时后，放掉真空，取出工件。如此制备的氮化碳薄膜氮碳比为43.1，符合理论值；膜厚为1μm；显微硬度为HV4600。
权利要求
1.一种会切场微波-电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射方法，其主要特征是a)两个相对放置的微波-ECR放电腔线圈所产生的磁场和平衡磁控靶磁场相互叠加，在沉积室形成会切场磁场位型，等离子体被这个磁场约束，在薄膜生长表面附近得到高密度的离子和激活基团；b)微波-ECR放电使工作气体电离，产生激活反应气体原子、离子；磁控靶交叉场自持放电产生激活溅射原子、离子；调节溅射偏压和沉积偏压，控制薄膜生长表面的激活原子、离子到达比及能量；具有一定能量和密度分布的各种激活原子、离子在薄膜生长表面反应，形成符合化学配比的化合物薄膜。
2.根据1所述一种会切场微波-电子回旋共振等离子体增强非平衡磁控溅射方法，其特征还在于a)两个微波-ECR放电腔分别位于沉积室的两侧；平衡磁控溅射靶位于沉积室内的上侧，和沉积室上壁之间采用绝缘联接，溅射偏压Vs为直流0-1000V连续可调；载物台与溅射靶相对放置，位于沉积室内的下侧，和沉积室下壁之间采用绝缘联接，沉积偏压Vd为直流0-300V连续可调；b)两个微波-ECR放电腔周围的ECR磁场线圈的励磁电流大小相等、方向相反，通过调节电流的大小(0-100A连续可调)，可以调整两个ECR磁场共振面的相对位置和沉积室中会切场磁场位形；c)载物台中配有加热器，基片的加热温度在0-1200℃范围内连续可调，载物台相对于沉积室底面的高度可调，调节范围为100--400cm，通过调节载物台的高度，可以改变溅射靶与载物台之间的距离。
全文摘要
本发明属于材料表面改性技术领域,特别涉及到磁控溅射沉积技术。该技术通过两个相对放置的ECR放电腔磁场线圈产生的磁场和平衡磁控靶磁场在沉积室叠加形成会切场磁场位型,该磁场位型有效地约束ECR放电和平衡磁控靶放电产生的等离子体,在薄膜生长表面形成高密度的离子、激活基团,通过控制基片位置、溅射偏压、沉积偏压等工艺参数,可调节各种反应基团的到达比及能量,从而得到符合化学配比的高纯度化合物薄膜。
文档编号C23C14/35GK1338530SQ0111673
公开日2002年3月6日 申请日期2001年4月20日 优先权日2001年4月20日
发明者徐军, 马腾才, 邓新绿, 张家良, 陆文祺, 董闯 申请人:大连理工大学