专利名称：制备非晶及纳米微晶薄膜的基片低温冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁控'践射非晶态及纳米微晶态各种功能薄膜的制备装置，特 别是一种制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷却装置。
背景技术：
磁控賊射技术是一种被广泛采用的薄膜制备手段，其特点在于其制备的 膜层附着力好且膜层厚度易于控制，但是由于在溅射过程中靶材溅射成分原子(或分子)带有很高的定向动能(一般10ev-50ev)轰向基片，同时在溅 射过程中'溅射气氛处于等离子体状态，来自于阴极靶位附近电离区的电子， 在阴一阳极之间的电场加速作用下轰向基片，产生軔致辐射，这两种作用都 会使基片产生升温效应，特别是当溅射功率增大时，该两种造成基片升温的 效应均同步增大，进而基片升温效应非常显著，而基片温度是影响薄膜结构 的最重要因素，当基片温度增大时，溅射成分在基片表面的迁移一扩散能力 增强，促使薄膜结构呈现晶化颗粒度加大的趋势。在用磁控溅射方法制备非 晶态或纳米微晶态薄膜时，目前国内外通行采用的方法是通过溅射参数的调 节，诸如小功率/小成膜率溅射，加大溅射气氛压强，增大靶基距等手段 使成膜时尽量降低基片的热升温效应，以此来获得非晶态或纳米微晶态的薄 膜结构。由此可知，磁控溅射制备非晶态或纳米微晶态结构薄膜时，对溅射参数 的选择非常苟刻，即使制备出非晶态或纳米微晶态薄膜，由于其溅射功率的 选则要相对很低，使得膜层制备时间大大增加，而且由于设备溅射参数的不 确定度的影响，这也加大了非晶态或纳米微晶态薄膜的制备难度
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种提供制备 非晶及纳米微晶薄膜的基片低温冷却装置，该装置在高功率/高成膜率下， 通过控制液氮在冷却腔内的流动快慢，实现了基片溅射过程中的低温状态及 该低温状态可控可调，大大缩短了非晶及纳米微晶薄膜的制备时间，保证了 3 一晶态及纳米微晶态薄膜结构上的高度可靠性。本发明的技术解决方案是制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷 却装置，其特点在于由基片冷却腔、基片冷却腔液氮注入管、数字化气体 流量控制器、液氮瓶口密封橡胶塞装置、液氮瓶氮气注入管、数字化气体流 量控制器、流量显示仪、高压氮气瓶组成，基片冷却腔作为'践射室的一部分 位于靶位的正上方，基片冷却腔与液氮瓶由基片冷却腔液氮注入管连接，液 氮瓶内液氮注入管端口直通罐底部，数字化气体流量控制器的输出端与液氮 瓶由液氮瓶氮气注入管连接，液氮瓶氮气注入管在液氮瓶内的端口位于液氮 液面上方。数字化气体流量控制器的输入端与高压氮气瓶的压力表由高压氮 气瓶氮气导出管连接。流量显示仪与数字化气体流量控制器连接用以控制、 调节压入液氮瓶内的氮气流量。当不进行溅射成膜时，即装置处于静态工作 状态时，高压氮气瓶的总开关及氮气瓶压力表的开关均处于关闭状态。在濺 射成膜时即动态工作过程中，高压氮气瓶的总开关及氮气瓶压力表的开关均 处于开启状态，接通流量控制显示仪的电源并将数字化气体流量控制器的状 态置于阀控状态(开启)，通过调节由液氮瓶口密封橡胶塞装置密封的液氮 瓶的氮气注入流量，以此来改变液氮瓶内氮气对液氮液面的压力，进而液氮 在这一压力作用下沿冷却腔液氮注入管流入基片不锈钢冷却腔，这样就可有 效将溅射过程中基片的热升温效应产生的热量通过液氮吸热气化，从冷却腔 的排出口带走。本发明的原理是由于磁控溅射过程中靶材溅射成分(原子或分子)对 基片有数量级为10ev—50ev的定向动能轰击，也由于位于阴极电离区的电
子在阴-阳极之间电场加速的作用下对基片的轫致辐射效应，'使得成膜过程 中基片会产生升温效应，特别是在高功率/高成膜率下，上述两种升温效应 均同步增大，致使基片升温过大，膜结构向呈现晶化程度增大趋势发展，使 得难于快速有效地制备非晶态或纳米微晶态薄膜。采用本发明，由于液氮有极低的温度(零下196摄氏度)，它在基片冷却腔内的流动可非常有效地将 基片升温效应产生的热量通过基片冷却腔排出口带出，使溅射过程中基片始 终处于一个恒定低温状态，有效抑制了溅射原子(或分子)在基片上的表面 扩散及体扩散能力，大大增加了膜层的成核率，致使薄膜结构呈现非晶或低 颗粒度的纳米微晶结构。本发明与现有技术相比的有益效果是本发明在制备非晶态及纳米微晶 态薄膜的制备过程中，克服了常温溅射下，对参数诸如小功率/小成膜率、 大压强、大靶基距等的必要要求。在高功率/高成膜率下，通过控制液氮在 冷却腔内的流动快慢，实现了基片溅射过程中的低温状态及该低温状态可控 可调，进而实现非晶态及纳米微晶态薄膜的制备，大大缩短了非晶及纳米微 晶薄膜的制备时间，并保证了非晶态及纳米微晶态薄膜结构上的高度可靠 性。
图1为制备非晶及纳米微晶薄膜的基片低温冷却装置图，其中1:基 片不锈钢液氮冷却腔，2:冷却腔液氮排出口， 3:液氮导出-压入管，4: 液氮瓶，5: 液氮瓶口密封装置，6:液氮瓶氮气注入管，7:数字化气体流 量控制器，8:流量控制显示仪，9:高压氮气瓶氮气导出管，10:氮气瓶 压力表，1.1:高压氮气瓶，12:基片，13:賊射靶材；图2为相同溅射参数下，分别在室温条件及液氮冷却条件下制备的W03 薄膜的XRD衍射谱图；图3为在相同溅射参数下，改变氮气驱动流量时制备的NiO薄膜的XRD
谦图；图4为NiO薄膜的SEM (扫描电子显微图像)图像，图4a、图4b、 图4c分别为驱动液氮用氮气流量为10sccm、 50sccm、 90 sccm，而賊 射参数均为耙基距6. Ocm、溅射气氛比O2/Ar=30 sccm/70 sccm、'减射 压强3. 0Pa、'践射功率300.0Vx0.3=90.0W的SEM图像；图5为NiO薄膜的晶粒尺寸计算结果与氮气驱动流量的关系图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由基片不锈钢冷却腔1、冷却腔液氮排出口2、冷 却腔液氮注入管3、液氮瓶4 (本装置采用35公升液氮瓶)、液氮瓶口密 封橡胶塞装置5、液氮瓶氮气注入管6、数字化气体流量控制器7、流量控 制显示仪8、高压氮气瓶氮气导出管9、氮气瓶压力表10、高压氮气瓶11 组成。基片不锈钢冷却腔1作为溅射室的一部分位于溅射靶材13的正上方， 冷却腔液氮排出口 2位于溅射室外。冷却腔液氮注入管3的一端从溅射室外 部通入冷却腔体内，另一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置5通达液氮瓶瓶底 部。数字化气体流量控制器7的输出端接液氮瓶氮气注入管6,液氮瓶氮气 注入管6的另 一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置5通达液氮瓶瓶内液氮满载 时液氮液面以上。数字化气体流量控制器7的输入端与氮气瓶压力表10之 间采用高压氮气瓶氮气导出管9连接。流量控制显示仪8与数字化气体流量 控制器7连接用以调节、控制注入密封的液氮瓶4内的氮气流量。在不进行 溅射成膜时的静态状态下，高压氮气瓶11的总开关及氮气瓶压力表10的 开关均处于关闭状态。在溅射成膜的动态工作过程中，高压氮气瓶11 (高 压达到10MPa左右)的总开关及氮气瓶压力表10的开关均处于开启状态， 接通流量控制显示仪8的电源并将数字化气体流量控制器7的状态置于阀控 状态(开启)，通过调节注入密封液氮瓶4的氮气流量以此来改变液氮瓶内 氮气对液氮液面的压力，进而液氮在这一压力作用下沿冷却腔液氮注入管3 流入基片不锈钢冷却腔1，由于基片12紧紧贴附在基片不锈钢冷却腔1的 内表面，这样，来自于溅射靶材13的賊射成分及其等离子体电离区的电子 对基片的热轰击产生的热量被液氮及时带走，液氮吸热后气化经冷却腔液氮 排出口 2排出。显然，在相同的溅射参数下，进入液氮瓶4的氮气流量愈大， 液氮对冷却腔的冷却效果愈好。综上所述，在磁控溅射过程中将基片紧贴附在液氮冷却的不锈钢制成的 基片冷却腔表面上，通过液氮在冷却腔内的可控的流动实现对基片的低温控 制，进而可非常有效地将溅射成膜时基片升温效应产生的热量带走。数字流量控制器7的型号为D08-1D/ZM型数字流量控制器，为北京 七星华创公司生产。图2中室温及液氮冷却下制备的W03薄膜的XRDi普，a为液氮冷却下 溅射的W03薄膜的XRDi普，b为室温下'践射的WO;j薄膜的XRDi普。所用 靶位为直流靶，靶材为直径6O0mm、厚为5'0mm、纯度为99'99%的鴒耙。 溅射参数均为靶基距8cm、溅射气氛比O2/Ar=30/70。溅射压强2.0Pa,溅 射功率550Vx0.2A-110.0W.賊射时间15.0min。如图2所示，室温溅射下得到的膜层XRD诰有非常明显的衍射峰存在， 说明这是晶态结构(多晶)W03薄膜，而液氮冷却下得到的膜层XRD语为 漫散射谱，无衍射峰存在，呈非晶态结构。图3为用励磁直流靶，直径60. 0mm、厚为3'0mm、純度为99.99% 的Ni靶材，不同驱动液氮用氮气流量时制备的NiO薄膜的XRD语，c、 d、 e、 f、 g的马区动液氣用氣气;;危量分另U为10sccm、 30sccm、 50 sccm 、 70 sccm、 90 sccm。效戈射参凄t;t匀为革巴基S巨6. Ocm、賊射气氛t匕O2/Ar=30 sccm /70sccm、'减射压强3. 0Pa、賊射功率300 0VxO.3-90.OW。图4为NiO薄膜的SEM (扫描电子显微图像)图像，显示在不同驱动 液氮用氮气流量下制备的NiO薄膜的XRD谱均有明显的衍射峰存在，说明 制备的NiO薄膜均呈晶态(多晶)结构，其中图4a、图4b、图4c分别为
马区动'液氛用氛气5危量为10sccm、 50sccm、 90 sccm,而';^4)"-参数i勿为 輩巴基距6. Ocm、濺射气氛比O2/Ar=30sccm/70sccm、賊射压强3. 0Pa、 溅射功率300-0Vx0.3-90.0W的SEM图像。图4中NiO薄膜的SEM (扫描电子显微图像)图像显示膜结构的'明暗'分部非常规则，非常均匀，图4a、 4b、 4c显示膜表面的明亮部分的线度均明显小于100nm,说明制备的薄膜 均为纳米微晶薄膜。仔细观察膜表面的结构，可以看出每一明亮部分均由几 块微晶构成，随着驱动液氮用氮气流量的加大，微晶线度变细小，晶粒尺寸 随驱动液氮用氮气流量不同发生了明显的改变，实现了晶粒颗粒度的可控可 调节。根据NiO薄膜的XRD谱的衍射角和半高宽，由谢乐公式(sherrer fomula)计算得出NiO薄膜的晶粒尺度如图5所示。从图5的计算结果得 出，随着驱动液氮用氮气流量的加大，晶粒尺度逐渐降低，这与上面的分析是 一致的。本发明的整个工作过程为(1 )将基片和溅射耙材安装好后关闭溅射室正常起动控制电源抽真空。(2) 当賊射室基真空达到预定值(一般10-sPa量级即可)后，将该装 置按图1所示连接好。(3) 接通流量显示仪电源，打开高压氮气瓶的压力表并将数字流量计 置于清洗档2—3分钟。将数字化气体流量控制器的流量显示仪置于选定的 流量值。(4) 将賊射室通入Ar和02等溅射气氛，设定气氛流量比、溅射压强、 靶-基距等参数值，启动溅射电源调节、选定功率开始溅射成膜。(5) 当賊射停止后按正常操作规则关闭溅射电源及抽真空系统，关闭 高压氮气瓶、关闭流量显示仪。将冷却腔液氮注入管从冷却腔抽出。(6) 当基片冷却腔自然升温到室温后(一般5—7小时)，放气打开溅 射室取去出基片，全部工作结束。
权利要求
1、制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷却装置，其特征在于包括基片冷却腔、基片冷却腔液氮注入管、液氮瓶口密封橡胶塞装置、液氮瓶氮气注入管、数字化气体流量控制器、流量显示仪、高压氮气瓶，冷却腔液氮排出口位于溅射室外，冷却腔液氮注入管的一端从溅射室外部通入冷却腔体内，另一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置通达液氮瓶瓶底部，数字化气体流量控制器的输出端接液氮瓶氮气注入管，液氮瓶氮气注入管的另一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置通达液氮瓶瓶内，数字化气体流量控制器的输入端与氮气瓶压力表之间用高压氮气瓶氮气导出管连接，流量控制显示仪与数字化气体流量控制器连接用以调节、控制注入密封液氮瓶内的氮气流量。
2、 根据权利要求1所述的制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷 却装置，其特征在于所述的液氮瓶氮气注入管的另一端穿过液氮瓶口密封 橡胶塞装置通达液氮瓶瓶内液氮满载时液氮液面以上。
全文摘要
制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷却装置，包括基片冷却腔、基片冷却腔液氮注入管、液氮瓶口密封橡胶塞装置、液氮瓶氮气注入管、数字化气体流量控制器、流量显示仪、高压氮气瓶，冷却腔液氮排出口位于溅射室外，冷却腔液氮注入管的一端从溅射室外部通入冷却腔体内，另一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置通达液氮瓶瓶底部，数字化气体流量控制器的输出端接液氮瓶氮气注入管，液氮瓶氮气注入管的另一端穿过液氮瓶口密封橡胶塞装置通达液氮瓶瓶内，数字化气体流量控制器的输入端与氮气瓶压力表之间用高压氮气瓶氮气导出管连接，流量控制显示仪与数字化气体流量控制器连接用以调节、控制注入密封液氮瓶内的氮气流量。本发明实现了基片溅射过程中的低温状态及该低温状态可控可调，大大缩短了非晶及纳米微晶薄膜的制备时间，保证了非晶态及纳米微晶态薄膜结构上的高度可靠性。
文档编号C23C14/54GK101109071SQ20071011779
公开日2008年1月23日 申请日期2007年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者刁训刚, 杜心康, 杨海刚, 王天民, 王怀义, 郝维昌 申请人:北京航空航天大学