专利名称：薄膜材料倒筒靶溅射枪的制作方法
技术领域：
本发明属于真空技术领域，它特别涉及薄膜材料的物理气相沉积技术。
背景技术：
多元氧化物薄膜是一类重要的功能材料，具有压电、铁电、热释电和超导等优异的电学性能，如何制备出大面积、高性能的多元氧化物薄膜，以便于将其集成于电子器件是目前该领域研究的热点问题。溅射沉积方法因设备简单，方法成熟，工艺重复性好，被广泛应用于制备多元氧化物薄膜。倒筒靶溅射沉积法是其中的一个优选技术手段，这是因为靶材表面与基片不是垂直放置，可以避免负离子(如负氧离子、电子)反溅射问题。否则，高能量的负离子会轰击已沉积薄膜表面，因对不同元素具有不同影响，使薄膜中的成份出现变化，不再与靶材成份的化学计量比保持一致；反溅射严重时，甚至会影响薄膜的微观表面形貌和薄膜的宏观厚度·分布。根据这一思路，Geerk等人发明了一种倒筒靶溅射枪装置，如附图I所示。陶伯万等人根据该装置利用直流溅射沉积法，制备了 3英寸均匀的高性能钇钡铜氧(YBa2Cu3O7，简称YBCO)高温超导薄膜。然而，对于锆钛酸铅(Pb (Zr, Ti)03，简称PZT)、钛酸锶钡((Ba，Sr)Ti03,简称BST)等不导电的介电多元氧化物材料只能采用射频溅射法制备。在本专利中，我们根据附图I所示的倒筒靶溅射枪，利用射频溅射制备了 BST薄膜(如图4 (I)所示)，研究发现(I)在3英寸的Si/Si02/Ti/Pt基片上制备的BST薄膜厚度均匀性>95%，靶材/薄膜化学计量比一致性>97%; (2)溅射时射频源的自偏压较低，约为35v ; (3)沉积速率低，约为25nm/小时；通过光学显微镜，可以在薄膜表面观察到大颗粒；(5)BST薄膜耐压性能差易被击穿，介电、热释电性能差。因而，在利用射频溅射制备高性能的大面积介电多元氧化物薄膜时，传统的倒筒靶溅射枪装置遇到了困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的薄膜材料倒筒靶溅射枪，采用本发明可以在射频溅射制备多元氧化物介电薄膜时，避免二次溅射的发生，增加射频溅射的自偏压，提高薄膜的沉积速度，制备出大面积、均匀的高性能薄膜材料。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，薄膜材料倒筒靶溅射枪，包括带有阴极和阳极的腔壁，腔壁内为两端开口的空腔，腔壁外设置有冷却装置，腔壁的一个端口处设置有负离子吸收装置，所述负离子吸收装置位于空腔以外。所述冷却装置为环绕腔壁设置的水冷管。更进一步的，所述阳极在腔壁两端的端口处设置有台阶结构，具体的说，所述阳极包括端口环和平行于端口环的台面环，以及垂直于端口环的立面。本发明的有益效果是I.中空的双开口溅射枪结构，其两个端面是敞开的；虽然在内端面的外部依然保留了ー块接地的不锈钢片，用以吸收负离子，但其与靶材端面间隔10-20mm，这样就避免了脱落的靶材发生二次溅射，从而优化了薄膜的成膜质量和表面平整度。2.本发明设置有台阶形的阳极，増加在端ロ处的电场线密度，进而增强了屏蔽罩端ロ处射频电场强度，提高了射频溅射的自偏压，増加了溅射粒子能量，使得薄膜的沉积速度明显提高。
图I是传统倒筒靶溅射枪的结构图。图2是传统倒筒靶溅射枪二次溅射示意图。图3是本发明的倒筒靶溅射装置的结构图。
图4是传统倒筒靶溅射枪制备的钛酸锶钡薄膜样品的表面形貌照片。图5是本发明的薄膜材料倒筒靶溅射枪制备的钛酸锶钡薄膜样品的表面形貌照片。图6是传统倒筒靶溅射枪与本发明薄膜材料倒筒靶溅射枪的自偏压和沉积速度随溅射功率变化对比图。其中，X轴表示溅射功率(单位W)，Yl轴表示沉积速度(単位nm/h)。Y2轴表示自偏压(单位V)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步详细说明。如图I所示，传统倒筒靶溅射枪包括溅射枪外壳1，它与溅射设备的外壳相连，用作射频溅射时的阳极，且在靶材6的端ロ处用作屏蔽罩屏蔽罩；靶材中心底端同轴固定的不锈钢片5，用作射频溅射时的阳极；阴极2，并且用于固定靶材6 ;绝缘物3，在阴极2和溅射枪外壳I之间起电绝缘作用；冷却水水管4，用于溅射时对筒型靶材6降温。如图2所示，采用如图I所示的传统倒筒靶溅射枪制备BST薄膜时，被溅射的粒子往筒形靶的两个端ロ运动，从ー个端ロ出射的粒子沉积在基片9表面形成薄膜，往另ー个端ロ出射的粒子就被沉积在靶材中心底端同轴固定的不锈钢片5上，形成薄膜7。薄膜7不断的受到高能出射粒子的轰击，就从不锈钢片5上脱落掉在靶材表面，形成二次靶材8。ニ次靶材8继而又会被轰击靶材表面的入射粒子二次溅射，沉积到基片9上，使BST薄膜样品表面产生大量的BST颗粒，其表面形貌如附图4 Ca)所示。图3所示为本发明的薄膜材料倒筒靶溅射枪，包括冷却水水管10，用于溅射时对筒型靶材13降温；阴极11，并且用于固定筒型靶材13 ;溅射枪外壳14，它与溅射设备的外壳相连，用作射频溅射时的阳极，且在筒型靶材13的端ロ处用作屏蔽罩；绝缘物12，在阴极11和溅射枪外壳14之间起电绝缘作用。区别于传统的倒筒靶溅射枪(如图I所示)，在本发明去掉了用倒筒靶一端的阳极不锈钢片5，并将冷却水4由倒筒靶的一端移至筒型靶材的圆周，使筒型靶材的两端开ロ ；在筒型靶材的端ロ，充当阳极的阳极14呈台阶形，即使阳极14的圆环半径15小于原屏蔽罩I的圆环半径，并使阳极14的台阶高度16取1-20_的高度，即立面143的高度。区别于传统的倒筒靶溅射枪(如图I所示)，在本发明中去掉了用倒筒靶一端的阳极不锈钢片5，并将冷却水4由倒筒靶的一端移至筒型靶材的圆周，使筒型靶材的两端开口 ；在筒型靶材的端口，充当阳极的阳极14呈台阶形，并使阳极14的台阶高度16取适当的高度。本发明的原理说明在图I所示的传统倒筒靶结构中，倒筒靶端口的屏蔽罩1，充当阳极，射频电压加在它和阴极2之间，使溅射气体氩气发生电离，被溅射的粒子往筒形靶的两个端口运动，从一个端口出射的粒子沉积在基片表面形成薄膜，往另一个端口出射的粒子就被沉积在靶材中心底端同轴固定的不锈钢片5上。如果要在基片上形成500nm厚的BST薄膜，则在此不锈钢片上会沉积10_20um厚的BST膜，它不断的受到高能出射粒子的轰击，就从不锈钢片上脱落掉在靶材表面，继而又会被轰击靶材表面的入射粒子二次溅射，就会有一部分BST被沉积到基片上，使BST薄膜样品表面有大量的BST颗粒。显然，这样的BST薄膜样品是无法应用的。二次溅射的过程如图2所示。图3所示，本发明为双开口设计，其两个端面是敞开的；在内端面的外部，依然保 留了一块接地的不锈钢片作为负离子吸收装置17，用以吸收负离子，尽量减少负离子轰击薄膜的概率。将此不锈钢片，或者说，负离子吸收装置17与空腔末端距离为f 20mm，使其上脱落的BST不能落到靶材表面。此外，射频溅射制备薄膜时，自偏压是一个非常关键的参数，它直接影响薄膜沉积速率和沉积粒子能量。但是，在溅射系统一定的情况下，由于自偏压是自发形成的，其大小主要由溅射功率和溅射气压决定，不易独立调节，因此往往被人们忽视。事实上，自偏压的大小在很大程度上还受溅射枪电场分布的影响。在倒筒式射频溅射中，由于筒形靶结构的特殊性，溅射枪内的电场分布比较复杂，对枪体几何结构的变化非常敏感，因此，在相同的溅射功率和溅射气压下，溅射枪结构的微小变化也可以使自偏压发生较大改变。根据这一特性，我们可以通过改变溅射枪结构对自偏压进行独立调节。本发明的屏蔽罩亦是作为阳极。参见图3。在靶材尺寸不变的情况下，将阳极14做成台阶形，包括端口环[141]和平行于端口环141的台面环142，以及垂直于端口环的立面143。立面143可以是垂直于端口环141的曲面。实验证明，与图I所示的屏蔽罩I相t匕，这样的结构可以增加在端口处的电场线密度；因为电场线密集处电场强度大，这样在阳极14的端口处射频电场强度增大，使更多的溅射气体氩气发生电离，进而提高了射频溅射的自偏压，增加了溅射粒子能量，提高了薄膜的沉积速度。图4、图5分别是现有技术的溅射枪与采用本发明的钛酸锶钡薄膜样品的表面形貌。由图可见，相比于传统倒筒靶溅射枪制备的BST薄膜，采用本发明制备的样品表面颗粒已经大大减少，说明本发明双开口的设计能有效抑制二次溅射，提高成膜质量。图6所示为传统与本发明的自偏压和沉积速度随溅射功率变化对比图。“传统溅射枪”是指图I所示的现有技术的溅射枪，“新型溅射枪”是指本发明。从图中可以看出，采用本发明可以有效提高RF溅射的沉积速度。这是因为本发明的端口处的阳极14为台阶形，与图I所示的屏蔽罩I相比，端口处的电场线密度得到了增强；因为电场线密集处电场强度大，这样在阳极14的端口处射频电场强度增大，使更多的溅射气体氩气发生电离，进而提高了射频溅射的自偏压，增加了溅射粒子能量，提高了薄膜的沉积速度。
权利要求
1.薄膜材料倒筒靶溅射枪，包括带有阴极[11]和阳极[14]的腔壁[12]，其特征在于，腔壁[12]内为两端开口的空腔[20]，腔壁[12]外设置有冷却装置[10];腔壁[12]的一个端口处设置有负离子吸收装置[17]，所述负离子吸收装置[17]位于空腔[20]以外。
2.如权利要求I所述的薄膜材料倒筒靶溅射枪，其特征在于，所述冷却装置[10]为环绕腔壁[12]设置的水冷管。
3.如权利要求I所述的薄膜材料倒筒靶溅射枪，其特征在于，所述阳极[14]在腔壁[12]两端的端口处设置有台阶结构。
4.如权利要求3所述的薄膜材料倒筒靶溅射枪，其特征在于，所述阳极[14]包括端口环[141]和平行于端口环[141]的台面环[142]，以及垂直于端口环的立面[143]，立面[143]的高度为I 20mm。
5.如权利要求I所述的薄膜材料倒筒靶溅射枪，其特征在于，所述负离子吸收装置[17]为不锈钢片，与空腔[20]末端距离为f20mm。
全文摘要
薄膜材料倒筒靶溅射枪，属于真空技术领域，本发明包括带有阴极和阳极的腔壁，腔壁内为两端开口的空腔，腔壁外设置有冷却装置，腔壁的一个端口处设置有负离子吸收装置，所述负离子吸收装置位于空腔以外。本发明避免了脱落的靶材发生二次溅射，从而优化了薄膜的成膜质量和表面平整度。
文档编号C23C14/08GK102817003SQ20121028443
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者吴传贵, 蔡光强, 罗文博, 彭强祥, 孙翔宇, 柯淋, 张万里, 王小川 申请人:电子科技大学