专利名称：一种冷阴极溅射制备薄膜的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜的制备方法及装置，特别是涉及到利用溅射制备薄膜。
背景技术：
磁控溅射仪是制备薄膜的一种常用设备，其主要工作机理是利用辉光放电。正如尚世铉等人在“近代物理实验技术，高等教育出版社，1993年6月，P345”中描述的那样磁控溅射仪设备中有一对电极，其中一个用作镀膜材料的靶，它处于负高压。被镀基片放在靶对面的另一电极——阳极上，一般使阳极接地。对于直流溅射，两电极之间的电压可高达数千伏。为了防止工作室内残余气体的污染，工作室应首先抽成10-4Pa以上的高真空，然后导入高纯惰性气体，如氩气等，其工作压强约在0.1～1Pa。当工作室开始放电时，放电气体中的正离子在电场中以很高的速度轰击阴极靶，而将动量传递给靶面上的原子或分子，使靶的中性原子溅射出来，它们穿过工作空间而沉淀到基片上。该设备的特点是由于工作气体在较高的气压下辉光放电以及在较高的气压下被溅射出的靶材原子容易与工作气体碰撞而减少能量，所以，薄膜沉积速度较快，并且沉积原子的能量相对较小，原子沉积到基片上不易向周围扩散。在磁控溅射仪中利用尚世铉等人在《近代物理实验技术》中介绍的通常的磁控溅射沉积薄膜技术制备的厚度小于20nm的较薄薄膜，其结构较疏松、表面粗糙、起伏大，在空气中较易被氧化，而且薄膜不均匀，结构缺陷相对较多，薄膜中含有内应力。例如文献Kitada Masahir，Yamamoto Kazuhiro，J.Magn.Magn.Mater.，147，213(1995).中提出的利用磁控溅射的方法制备厚度小于20nm NiFe薄膜，薄膜不均匀，结构缺陷相对较多，薄膜中含有内应力，导致矫顽力较大，磁各向异性较差，AMR值减小。
发明内容
本发明针对磁控溅射仪及其薄膜沉积技术不宜制备厚度小于20nm较薄薄膜的问题，提出一种冷阴极溅射的方法，并同时提出采用此方法，在超高真空的电子能谱仪样品制备室中安装样品基座来制备薄膜的装置。本发明不仅可以制备出均匀、性能明显提高的薄膜，而且制备简单，成本低。
本发明所采用的方法是冷阴极溅射，使用装有样品基座的电子能谱仪，先将单晶Si或玻璃基片用有机化学溶剂和去离子水进行超声清洗，通入高纯氩气，利用氩气反复清洗氩气管道，利用氩离子清洗靶材15～60min，控制样品制备室的本底真空为2×10-7～8×10-7Pa，溅射气压为1×10-4～3×10-4Pa，薄膜沉积速率1～3/分钟，在单晶Si或玻璃基片上依次沉积所要沉积的薄膜。选择靶材纯度在99.9％以上，工作气体氩气纯度为99.99％。
采用本方法所提供的制备装置主要包括电子能谱仪中的样品制备室1，样品制备室1中装有离子枪6和样品轰击台5，离子枪6相对于样品轰击台5的对称方位上安装一样品基座2，基片3被贴在基座2下面。并且垂直于基座2平面的中心轴线、样品轰击台5的中心轴线以及离子枪6的中心轴线在同一平面内。
本发明在沉积薄膜时，氩气从管道直接进入离子枪的背后，再进入离子枪的放电区，由于磁场和电场的联合作用，产生一个冷阴极放电，导致正电性离子Ar+的产生；然后，Ar+离子立即被离子枪的拉出电极拉入聚焦区，以较高的能量打在样品轰击台上的靶材上，并且将动量传递给靶面上的原子或分子，使靶的中性原子溅射出来，它们穿过工作空间而沉淀到基座下面的基片上，形成冷阴极溅射。由于工作气体在较低的气压下冷阴极放电以及较低的气压下被溅射出的靶材原子不易与工作气体碰撞导致能量减少，所以，薄膜沉积速度较慢，并且从靶材上被溅射出的沉积原子到达基片的能量较高，原子沉积到基片上容易向周围扩散，致使薄膜表面光滑、致密、起伏小，在空气中氧化程度小，薄膜均匀，结构缺陷少，薄膜中的内应力也较少。
本发明制作简单，成本低，易于推广使用。另外，该装置除了可以用来制备较薄薄膜外，仍具备电子能谱仪制备室原有的的功能，用于样品的表面污染清洗及深度剖析。
图1是冷阴极溅射镀膜示意图。其中(1)为超高真空薄膜制备室；(2)为样品基座；(3)为基片；(4)为靶材；(5)为样品轰击台；(6)离子枪图2(a)和(b)分别为在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的30nm NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜的原子力像。
图3(a)为在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的30nm NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜的X射线衍射(111)峰比较图，实线和虚线分别代表冷阴极溅射方法制备样品和磁控溅射方法制备样品。
图3(b)为退火前后的利用磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜X光衍射(111)峰比较图，实线和虚线分别代表退火前和退火后。
图4(a)和(b)分别为在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的NiFe薄膜的表面Ni原子的XPS能谱图；(c)和(d)分别为在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的NiFe薄膜的表面Fe原子的XPS能谱图，光电子出射角从35°到90°变化。
图5为在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜的厚度同其矫顽力的关系曲线。
图6为在该装置上利用冷阴极溅射的方法制备的NiFe薄膜的厚度同其磁电阻变化率的关系曲线。
具体实施例方式英国VG公司生产MICROLAB MKII型X射线光电子能谱仪有样品分析室和样品制备室。其测试前本底真空度要求在9×10-7～9×10-9Pa之间。样品制备室内有AG21高速离子枪和样品轰击台，主要用于样品的表面污染清洗以及深度剖析。在AG21高速离子枪相对于样品轰击台的对称方位上安置一样品基座，并且垂直于基座平面的中心轴线、样品轰击台的中心轴线以及AG21高速离子枪的中心轴线在同一平面内。这样就做成了一冷阴极溅射镀膜装置。
在冷阴极溅射镀膜装置上制备坡莫合金NiFe薄膜。靶材金属钽Ta以及坡莫合金NiFe的纯度均为99.9％。基片为单晶Si，使用前经有机化学溶剂和去离子水超声清洗，然后被装在样品制备室样品基座下面。样品制备室的本底真空为5×10-7Pa，工作气体是纯度为99.99％的氩气，溅射气压为1.6×10-4Pa，薄膜沉积速率2/分钟。溅射时沿基片平面方向加有200 Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向。溅射前利用氩气反复清洗氩气管道，并且利用氩离子来仔细清洗靶材40分钟。然后，在单晶Si基片上依次沉积薄膜样品钽Ta 5nm/镍铁NiFe χnm，χ分别为12nm，18nm，24nm，30nm，钽Ta为缓冲层。
在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的30nm NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜的原子力像见图2(a)和(b)，它们均方根粗糙度分别为0.44和1.02nm，这表明利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜较平坦。在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的30nm NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜的X射线衍射(111)峰比较图见图3(a)。从图3(a)可以看到利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜(111)峰在44.20°处，峰形细而尖；利用磁控溅射方法制备的NiFe薄膜(111)峰在44.40°处，且峰形变宽强度减弱。退火前后的利用磁控溅射方法制备的30nm NiFe薄膜X光衍射(111)峰比较图见图3(b)，可以看到退火后，(111)峰从44.40°移到44.18°，基本上与利用冷阴极溅射制备的NiFe薄膜(111)峰重合，并且峰的信号强度也大大增加。这表明利用磁控溅射的方法制备的NiFe薄膜中有较大的内应力，导致晶格发生畸变，从而使(111)取向峰向高角度方向移动，且信号强度也有所减弱。而在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜内应力不明显。在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的NiFe薄膜的表面Ni原子的XPS能谱图见图4(a)和(b)，光电子出射角从35°到90°变化。对照XPS手册，可以看到Ni 2p3/2峰实际上有两个峰构成，852.5eV处的峰为单质镍的峰，854.9eV处的峰为+2价镍的峰，这是由NiFe薄膜在空气中氧化所致，氧化产物为NiO。由这两个峰的相对强度比较可知，利用磁控溅射的方法制备的NiFe薄膜比在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜在空气中同样时间内氧化的要深一些。在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜以及利用通常的磁控溅射方法制备的NiFe薄膜的表面Fe原子的XPS能谱图见图4(c)和(d)，光电子出射角从35°到90°变化。由角分辨X射线光电子能谱方法可求出样品表面Fe原子的氧化厚度，在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜表面Fe原子的氧化厚度为1.4nm，利用通常的磁控溅射方法制备的NiFe薄膜的表面Fe原子的氧化厚度为2.4nm。所以，根据Fe原子的氧化情况同样可以看到利用磁控溅射的方法制备的NiFe薄膜比在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜在空气中同样时间内氧化的要深一些。在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的NiFe薄膜的厚度同其矫顽力的关系曲线见图5。在该装置上利用冷阴极溅射的方法制备的NiFe薄膜的厚度同其磁电阻变化率的关系曲线见图6。从图5和图6看以看到，由于较薄NiFe薄膜的生长质量较好，导致薄膜具有良好的磁学性能。从以上分析可以看到在该装置上利用冷阴极溅射方法制备的较薄NiFe薄膜表面光滑、致密、起伏小，在空气中氧化程度小，薄膜均匀，结构缺陷少，薄膜中的内应力也较少。所以，较薄NiFe薄膜表现出良好的磁学性能，薄膜矫顽力较小，同时各向异性磁电阻值较大。
权利要求
1.一种冷阴极溅射制备薄膜的装置，溅射靶材原子沉积在基片上，其特征在于，使用在样品制备室装有样品基座的电子能谱仪，先将单晶Si或玻璃基片用有机化学溶剂和去离子水进行超声清洗，通入高纯氩气，利用氩气反复清洗氩气管道，利用氩离子清洗靶材15～60min，控制样品制备室的本底真空为2×10-7～8×10-7Pa，溅射气压为1×10-4～3×10-4Pa，薄膜沉积速率1～3/分钟，在单晶Si或玻璃基片上依次沉积所要沉积的薄膜。
2.如权利要求1所述的冷阴极溅射制备薄膜的方法，其特征在于，选择靶材纯度在99.9％以上，工作气体氩气纯度为99.99％。
3.一种冷阴极溅射制备薄膜的装置，主要包括电子能谱仪中的样品制备室(1)，样品制备室(1)中装有离子枪(6)和样品轰击台(5)，其特征在于，离子枪(6)相对于样品轰击台(5)的对称方位上安置一样品基座(2)，基片(3)被贴在基座(2)下面。并且垂直于基座(2)平面的中心轴线、样品轰击台(5)的中心轴线以及离子枪(6)的中心轴线在同一平面内。
全文摘要
一种冷阴极溅射制备薄膜的方法及装置,涉及薄膜的制备方法及装置,特别是涉及到利用溅射方法制备薄膜。本发明是在电子能谱仪样品制备室中装有样品基座来制备薄膜,控制样品制备室的本底真空为2×10
文档编号C23C14/34GK1380441SQ0210367
公开日2002年11月20日 申请日期2002年2月8日 优先权日2002年2月8日
发明者于广华, 朱逢吾, 崔新发, 滕蛟 申请人:北京科技大学