专利名称：多离子束共溅射淀积纳米膜装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用多离子束溅射淀积纳米膜(含微米膜)设备，特别涉及制造如薄膜传感器、薄膜集成电路、磁性薄膜器件、高温超导薄膜、光学薄膜、材料改性薄膜等多层薄膜结构改进的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其国际分类应归于C23C14/34。
背景技术：
离子束溅射淀积镀膜技术为科学研究与生产提供了薄膜涂覆的新工艺、新技术，为薄膜传感器、薄膜集成电路、磁性薄膜器件、高温合金导体薄膜、金属异质结构的薄膜制备、材料改性中的薄膜制备等广泛的应用领域提供了新的技术手段。随着离子束镀膜技术的飞速发展，以及应用领域的不断扩展和延伸，离子束溅射淀积镀膜设备的制造得到了很大的提高。然而现在这类设备，仍以单离子束溅射为主，虽然近年来出现了三离子束溅射机器，但这类机器具备最多三组元合金或化合物薄膜淀积功能，共溅射淀积四组元成分的合金或化合物薄膜受到限制，同时无批量生产能力。另外，这类薄膜淀积设备淀积的薄膜还存在颗粒大、均匀性不好、膜质疏松、粘附性差、针孔缺陷多、内应力大等缺陷。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种具有单离子束和双离子束以及多离子束淀积溅射，能产生单质、二组元、三组元、四组元成分，原位反应共溅射淀积纳米膜(含微米膜)的、具有批量生产能力的、通用性强、运行可靠的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，同时该装置还具有离子束辅助淀积、离子束轰击原位剥离靶材和衬底基片、实现原子级清洁功能以及离子束微结构加工功能。
这种设备利用甚低能量的离子在靶材上的动能转换，将靶材原子搬迁出来并在附近的衬底上淀积该原子的材料薄膜。控制离子束轰击能量，使其在非PVD状态的原子间发生弹性碰撞，在衬底上生长单原子纳米膜(含微米膜)。这种以纳米尺寸的逐原子层淀积的薄膜，实现了不同薄膜层间的原子键合，使得膜层具有了粘附性牢、均匀性和致密性好、极小内应力的优点，极大地提高了薄膜的性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于由镀膜室(1)、主离子源(2、3、4、5)、辅助离子源(6、7、8)、靶支架(9、10、11、12)、行星旋转镀膜台(13)、共溅射淀积台(18)、中和器(19、20、21、22、23、24、25)、靶位控制装置(26、27、28、29)、大门(30)、观察窗(31)、辅助送气接口(32、33、37、38)、门阀(34)、机架(35)、真空抽气系统(36)、挡板(39)、膜厚监测仪(40、41)等组成，其中，所述镀膜室(1)为圆形真空室，安装于机架(35)上方，并与安装于机架(35)内的真空抽气系统(36)通过门阀(34)相连接；所述主离子源(2、3)接有电源，能产生聚焦或平行离子束，其离子枪放电室可以直接水冷，发射的离子束分别正对靶支架(9、10)的靶位，它们对称安装于镀膜室(1)的左右两侧；所述主离子源(4、5)接有电源，能产生聚焦或平行离子束，其离子枪放电室可以直接水冷，发射的离子束分别正对靶支架(11、12)的靶位，它们对称安装于镀膜室(1)的正前、正后方；所述辅助离子源(6、7)能产生平行离子束，分别安装于主离子源(2、3)的上方，其离子束流方向正对行星旋转镀膜台(13)的工件位，辅助离子源(8)能产生平行离子束，安装于镀膜室(1)正后方上部，其离子束流方向正对共溅射淀积台(18)的工件位；所述靶支架(9、10、11、12)正反靶位两面均可安装相同或不同的靶材，可分别通过位于镀膜室(1)外的靶位控制装置(26、27、28、29)控制它们是水平还是垂直或者倾斜某一角度工作；所述中和器(19、20、21、22、23、24、25)均是采用热灯丝发射电子的装置，它们紧邻主离子源(2、3、4、5)和辅助离子源(6、7、8)并与它们一一对应安装。
所述行星旋转镀膜台(13)的加热方式为电加热方式，它通过镀膜室(1)外的驱动机构(131)驱动，实现多工件位的公转、自转和各自转速的调节。
所述共溅射淀积台(18)在淀积台调整机构(182)的调整控制下可实现旋转、平移、90°转动的三维动作。
所述真空抽气系统(36)是由分子泵、机构泵真空系统构成，它们通过门阀(34)对镀膜室(1)抽真空并保持在合适的低压。
所述膜厚监测仪(40、41)紧邻共溅射淀积台(18)和行星旋转镀膜台(13)安装，它们提供淀积期间生产膜厚度的实时现场监测。
本发明具有如下优点①、该系统能原位反应溅射2至8种导体、半导体、电介质的单质材料，获得逐层淀积的和动态混合淀积的合金和/或化合物纳米膜(含微米膜)。
②、在薄膜淀积之前，利用辅助淀积离子束对衬底(或靶材)轰击实现如下功能a、利用离子束对靶材、衬底进行原位轰击清洗，将吸附的水蒸汽、金属氧化物等污物清除，提高薄膜的纯度，同时增加了衬底温度，有利于增加薄膜附着力。b、对衬底低能离子束轰击的结果，增加薄膜淀积过程中的岛一核密度以增加薄膜的致密性和改善薄膜的阶梯覆盖，减少内应力。c、实现衬底材料和淀积材料之间的原子键合，提高附着力。
③、在薄膜淀积过程中，利用低能离子束轰击正在淀积的薄膜，实现原位对薄膜的机械、电性能的改进，如减少薄膜拉应力，甚至将拉应力变为压应力，提高薄膜的迁移率，以改进淀积中晶格的迁移率从而改善阶递覆盖，改善光学薄膜的光学特性；改进薄膜的硬度；改善晶体的择优取向和磁性薄膜的各向异性。
④、多束多靶的同时轰击生成的合金膜的组分平衡时间比采用复合单靶形成合金膜的时间短，提高生产效率。
⑤、与一般的等离子溅射相比，本机工作时，机器的工作参数与成膜的工艺参数可以分别独立调整，互不影响，可以多种选择工艺参数淀积薄膜，扩大应用范围。
⑥、与一般的等离子溅射相比，本机工作时，衬底处在高真空的低温环境中，避免了处在高温等离子体恶劣环境中的淀积薄膜，薄膜质量大大提高。
本系统具有由四个主离子源和一个辅助离子源、四个溅射靶和一个共溅射淀积台组成的五离子束共溅射淀积系统，当其中二个、三个主离子源和一个辅助离子源工作时，则构成了二元、三元组合的多束共溅射淀积系统；当一个主离子源工作，或一个主离子源和一个辅助离子源工作时，则构成了单离子束溅射或双离子束溅射淀积系统。另外，通过靶位控制装置(不破坏真空环境)，将安装于四个靶支架上的靶材转换位置，形成了四个新的溅射靶，它们和四个主离子源(共用)、二个辅助离子源以及行星旋转镀膜台组成六离子束溅射淀积系统。因此，该系统具有1至8种单质材料逐层淀积的、动态混合纳米膜(含微米膜)淀积的功能，且能原位、反应溅射淀积化合物薄膜、能原位离子轰击剥离清洗靶材和衬底基片，能进行离子束辅助淀积和具有批量生产能力。为薄膜传感器、薄膜集成电路、磁性薄膜器件、高温合金导体薄膜、金属异质结构的薄膜制备、材料改性中的薄膜制备等广泛的应用领域提供了新的技术手段。
以下结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例的五离子束共溅射淀积纳米膜装置整体示意图。
图2为本发明实施例的五离子束共溅射淀积纳米膜装置右视图。
图3为本发明实施例的六离子束溅射淀积纳米膜装置整体示意图。
图4为本发明实施例的六离子束溅射淀积纳米膜装置右视图。
具体实施例方式如图1、图2所示，一种五离子束共溅射淀积纳米膜装置，由镀膜室1，主离子源2、3、4、5，辅助离子源8，靶支架9、10、11、12，共溅射淀积台18，中和器19、20、21、22、25，靶位控制装置26、27、28、29，大门30，观察窗31，辅助送气接口32、33、37、38，门阀34，机架35，真空抽气系统36，挡板39，膜厚监测仪40等组成。其中，所述镀膜室1为圆形真空室，安装于机架35上方，并与安装于机架35内的真空抽气系统36通过门阀34相连接。镀膜室1的正前方安装有大门30，大门30上开设有观察窗31，操作者通过大门30将工件或靶材送入镀膜室1，或从镀膜室1取出工件或靶材。同时通过观察窗31观察溅射淀积的过程，以便发现淀积过程中有异常现象时能立即采取措施。
所述主离子源2、3对称安装于镀膜室1的左右两侧，它们是一种采用热灯丝电子轰击放电型卡夫曼离子源，在同样的能量下，能以数十倍的聚焦或平行的束流密度轰击加工，以提高溅射速率。另外，通过离子光学的调整，使离子束的束斑能在一定范围内改变，以满足不同要求的溅射加工。主离子源2、3的离子枪放电室安装有水冷系统，可以通过循环水直接水冷。安装时通过一定的位置调整，使得主离子源2、3发射的离子束正对靶支架9、10的靶位。在图1中，主离子源2、3分别轰击靶支架9、10下方所安装的靶材92、102，使其轰击出的原子按一定的角度沉积到安装于共溅射淀积台18上方的工件181上而形成薄膜。主离子源2、3的下方分别安装有中和器19、20，中和器19、20采用热灯丝发射电子，利用离子束束中等离子体的空间正电荷形成的此虚阳极，实现电子浸没式的空间电荷中和，以电中性的束等离子体对绝缘体加工，避免因电荷集累引起放电和击穿。
图2中，主离子源4、5对称安装于镀膜室1的正前、正后方，它们是和主离子源2、3相同的离子源。安装时通过一定的位置调整，使得主离子源4、5发射的离子束正对靶支架11、12的靶位。主离子源4、5分别轰击靶支架11、12下方所安装的靶材112、122，使其轰击出的原子按一定的角度沉积到安装于共溅射淀积台18上方的工件181上而形成薄膜。主离子源4、5的上方分别安装有中和器21、22，中和器21、22的功能特点和中和器19、20相同。
在五离子束共溅射淀积纳米膜系统中，除主离子源2、3、4、5工作外，辅助离子源8也工作。辅助离子源8是一种采用热灯丝电子轰击放电型平行束卡夫曼离子源，它安装于镀膜室1正后方上部，其离子束流方向正对共溅射淀积台18的工件181上。在薄膜淀积过程中，辅助离子源8以低能离子束轰击正在淀积的薄膜，实现原位对薄膜的机械、电性能的改进，如减少薄膜拉应力，提高薄膜的迁移率，以改进淀积中晶格的迁移率从而改善阶递覆盖，改进薄膜的硬度、晶体的择优取向和薄膜的各向异性。同时，辅助离子源8在未淀积前，可对工件181表面进行轰击，进行工件表面原子级的清洗，以便在薄膜淀积到工件表面上之前去除污物。辅助离子源8的下方安装有中和器25，中和器25的作用和其它中和器相同。
紧邻共溅射淀积台18的膜厚监测仪40(膜厚监测仪41紧邻行星旋转镀膜台13安装，其功能和膜厚监测仪40相同)提供淀积期间生长膜厚度的实时现场监测。位于共溅射淀积台18上方的挡板39可以通过安装于镀膜室1外的挡板调节器42进行位置调节，它用于防止溅射清洁期间工件181表面免受污染。共溅射淀积台18安装于淀积台调整机构182的上方，而淀积台调整机构182又通过安装于机架35上的支撑机构183支撑。在淀积台调整机构182的调整控制下，共溅射淀积台18可实现旋转、平移、90°转动的三维动作，从而提高所淀积薄膜的均匀性。
如图3、图4所示，一种六离子束溅射淀积纳米膜装置，它增加了行星旋转镀膜台13以及膜厚监测仪41，此时除辅助离子源8不工作外，其它四个主离子源和另外二个辅助离子源均工作。首先通过安装于镀膜室1外的靶位控制装置26、27、28、29分别调整靶支架9、10、11、12，使得主离子源2、3、4、5轰击时所轰击的靶材分别变成91、101、111、121，同时轰击靶材所溅射出的原子方向也得到改变(靶位控制装置26、27、28、29能分别控制靶支架9、10、11、12是水平还是垂直或者倾斜某一角度工作)，正好沉积到行星旋转镀膜台13的工件位14、15、16、17上(行星旋转镀膜台13的工件位上还可安装多个工件，图中未示出)。另外分别位于主离子源2、3上方的辅助离子源6、7在淀积溅射前和淀积过程中均可参与工作，在淀积前，它们可以对工件和/或靶材表面进行剥离清洗，以得到工件和/或靶材原子级的清洁度，这样有利于生长高质量的薄膜。在淀积过程中，辅助离子源6、7能发挥五离子束共溅射淀积纳米膜系统中辅助离子源8的作用。辅助离子源6、7的上方安装有中和器23、24，它们的作用和其它中和器相同。
行星旋转镀膜台13的加热方式为电加热方式，它通过镀膜室1外的驱动机构131驱动，实现多工件位的公转、自转和各自转速的调节。
在以上两种溅射淀积系统中，靶支架9、10、11、12上所装的靶材可以相同，也可不同。另外，淀积过程中可以通过辅助送气接口32、33、37、38送入如氧气、氮气等气体，以实现反应溅射淀积，生成化合物薄膜。
真空抽气系统36是由分子泵、机构泵真空系统构成，它们通过门阀34对镀膜室1抽真空并保持在合适的低压。分子泵、机构泵真空系统为
权利要求
1.一种多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于由镀膜室(1)、主离子源(2、3、4、5)、辅助离子源(6、7、8)、靶支架(9、10、11、12)、行星旋转镀膜台(13)、共溅射淀积台(18)、中和器(19、20、21、22、23、24、25)、靶位控制装置(26、27、28、29)、大门(30)、观察窗(31)、辅助送气接口(32、33、37、38)、门阀(34)、机架(35)、真空抽气系统(36)、挡板(39)、膜厚监测仪(40、41)等组成，其中，所述镀膜室(1)为圆形真空室，安装于机架(35)上方，并与安装于机架(35)内的真空抽气系统(36)通过门阀(34)相连接；所述主离子源(2、3)接有电源，能产生聚焦或平行离子束，其离子枪放电室可以直接水冷，发射的离子束分别正对靶支架(9、10)的靶位，它们对称安装于镀膜室(1)的左右两侧；所述主离子源(4、5)接有电源，能产生聚焦或平行离子束，其离子枪放电室可以直接水冷，发射的离子束分别正对靶支架(11、12)的靶位，它们对称安装于镀膜室(1)的正前、正后方；所述辅助离子源(6、7)能产生平行离子束，分别安装于主离子源(2、3)的上方，其离子束流方向正对行星旋转镀膜台(13)的工件位，辅助离子源(8)能产生平行离子束，安装于镀膜室(1)正后方上部，其离子束流方向正对共溅射淀积台(18)的工件位；所述靶支架(9、10、11、12)正反靶位两面均可安装相同或不同的靶材，可分别通过位于镀膜室(1)外的靶位控制装置(26、27、28、29)控制它们是水平还是垂直或者倾斜某一角度工作；所述中和器(19、20、21、22、23、24、25)均是采用热灯丝发射电子的装置，它们紧邻主离子源(2、3、4、5)和辅助离子源(6、7、8)并与它们一一对应安装。
2.根据权利要求1所述的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于所述行星旋转镀膜台(13)的加热方式为电加热方式，它通过镀膜室(1)外的驱动机构(131)驱动，实现多工件位的公转、自转和各自转速的调节。
3.根据权利要求1所述的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于所述共溅射淀积台(18)在淀积台调整机构(182)的调整控制下可实现旋转、平移、90°转动的三维动作。
4.根据权利要求1所述的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于所述真空抽气系统(36)是由分子泵、机构泵真空系统构成，它们通过门阀(34)对镀膜室(1)抽真空并保持在合适的低压。
5.根据权利要求1所述的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，其特征在于所述膜厚监测仪(40、41)紧邻共溅射淀积台(18)和行星旋转镀膜台(13)安装，它们提供淀积期间生产膜厚度的实时现场监测。
全文摘要
本发明提供一种具有单离子束和双离子束以及多离子束溅射淀积，能产生单质、二组元、三组元、四组元成分，原位反应共溅射淀积纳米膜(含微米膜)的、具有批量生产能力的、通用性强、运行可靠的多离子束共溅射淀积纳米膜装置，同时该装置还具有离子束辅助淀积、离子束轰击原位剥离靶材和衬底基片、实现原子级清洁功能以及离子束微结构加工功能。该装置是利用甚低能量的离子在靶材上的动能转换，将靶材原子搬迁出来并在附近的衬底上生长单原子纳米膜。这种以纳米尺寸的逐原子层淀积的薄膜，性能得到较大的提高。
文档编号C23C14/34GK1459515SQ02114138
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者雷卫武 申请人:雷卫武