ICP增强多靶磁控溅射装置的制作方法

本实用新型涉及一种ICP增强多靶磁控溅射装置。

背景技术：

全球的环境污染与生态破坏使人们对全新无污染的清洁生产给予极大关注。光催化技术是一种新兴、高效、节能的现代绿色环保技术，光催化技术是指当能量大于光催化剂禁带宽度的光照射其表面时，价带上的电子跃迁至导带，形成光生电子，价带上则形成光生空穴。空穴与电子具有氧化还原性，可以将污染物分解为无毒或毒性较低的物质。在众多的光催化剂中，TiO₂薄膜以其优良的化学稳定性、高折射率、高介电常数和高的光催化活性、安全无毒、无副作用、使用寿命长等优点而在光学薄膜、光催化降解有机物、太阳能电池及防雾自清洁等众多领域有着广阔的应用前景。

目前TiO₂薄膜的制备方法主要有：溶胶凝胶法和射频磁控溅射法。溶胶凝胶法容易在薄膜中引入羟基，OH⁻与Er³⁺的强耦合导致了非辐射弛豫。磁控溅射的工作原理是指电子在电场的作用下，在飞向基片过程中与气体原子发生碰撞，使其电离产生出正离子和新的电子，新的电子飞向基片，正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，其优点在于靶材背面的永磁铁可以产生一个平行于靶表面的横向磁场，这样在阴极靶表面存在一个正交的电磁场，溅射产生的二次电子在阴极位降区获得加速，成为高能电子并在正交的电磁场中作回旋运动。在运动中高能电子不断与气体原子发生碰撞电离，而自身不断失去能量成为低能电子。最终沿着磁力线飘移到阳极被吸收。正是由于电子的回旋运动，大大延长了电子到达阳极的路径，使得碰撞电离几率大大增加，轰击靶材的正离子的密度因而也大大提高。

磁控溅射根据靶材磁场位形分布不同，大致可分为平衡式和非平衡式磁控溅射。平衡式磁控溅射是磁控阴极靶的内外磁极磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶面，将电子、等离子体很好的约束在靶面附近，增加电子与惰性气体的碰撞几率，提高了离化效率，在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，靶材利用率相对较高，但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面，基片区域所受离子轰击较小。非平衡式磁控溅射是让磁控阴极靶的外磁极磁通大于内磁极，两极磁力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域，从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片区域的等离子体密度和气体电离率。

传统的磁控溅射放电能量耦合方式大多属于CCP（电容耦合等离子体），但是这种方式很难对等离子体密度和入射到基片台的离子能量进行单独控制。如果等离子体密度较低、刻蚀速率就比较低，阻碍了产量的提高。由于在较宽的压强范围内（1-40Pa）易获得高密度、大面积的等离子体，近年来ICP（电感耦合等离子体）被广泛应用于等离子体加工工艺中。ICP（电感耦合等离子体）是通过将射频电源加在一个非共振线圈上，线圈再通过绝缘介质将射频能量耦合至等离子体中，其是在主要靶材的表面，固定、粘贴或镶嵌其它材料薄片,作为辅助靶构成复合靶,实现掺杂，但是它只能通过改变辅助靶与主要靶的相对面积来改变沉积薄膜的组分，工艺复杂，且薄膜致密度低、均匀性差。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种ICP增强多靶磁控溅射装置，结构简单，且通过该装置制备的薄膜纯度高、质量好。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种ICP增强多靶磁控溅射装置，包括真空室、设于所述真空室顶部的三个溅射靶、设于所述真空室内的ICP线圈和基片台以及与所述真空室相连通的泵机组，三个所述溅射靶的直径均为60mm，三个所述溅射靶的轴线与水平面之间的夹角均为20°-50°，三个所述溅射靶沿周向均匀间隔分布，三个所述溅射靶均聚焦于所述基片台的中心，三个所述溅射靶分别与第一射频电源、第二射频电源、第三射频电源相连接，所述ICP线圈设于所述溅射靶与所述基片台之间，所述ICP线圈连接有第四射频电源，所述基片台连接有直流稳压电源。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括三个所述溅射靶与所述第一射频电源、第二射频电源、第三射频电源之间分别连接有第一匹配器、第二匹配器、第三匹配器，所述ICP线圈与所述第四射频电源之间连接有第四匹配器。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括所述ICP线圈的直径为180mm，所述ICP线圈中心与所述溅射靶之间的距离为40mm。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括所述基片台采用不锈钢材质制成，所述基片台的直径为150mm，所述基片台中心与所述溅射靶中心之间的距离为80mm。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括所述真空室侧壁上安装有朗缪尔探针，所述朗缪尔探针连接有第一控制器。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括所述基片台上放置有减速场能量分析仪探头，所述减速场能量分析仪探头连接有第二控制器。

本实用新型一个较佳实施例中，ICP增强多靶磁控溅射装置进一步包括所述ICP线圈外套有绝缘陶瓷包覆层。

本实用新型具有以下有益效果：

（1）拥有三个溅射靶，可根据所需要制备的薄膜材料选择不同的靶材，包括各种金属、半导体、绝缘氧化物、陶瓷、聚合物等物质,可使用两个以上的由不同材料制备的阴极靶同时进行溅射，通过调节不同阴极靶上溅射放电电流来改变薄膜的组分，对三个独立的磁控溅射靶分别施加不同频率的射频功率源，增加溅射速率，提高成膜结构特性，并可根据需求选择不同数量的溅射靶来进行工作，最多可以达到三靶共溅射的条件，三个溅射靶靶位中心聚焦于基片台中心，实现了共聚焦磁控溅射，可获得均匀、较大面积的薄膜。

（2）基片台上方设置ICP线圈，大幅度提高了离化率和等离子体密度，能有效调节等离子体电子能量分布，提高等离子体通量，增加等离子体均匀性。

（3）利用直流稳压电源调节基片台偏压，优化离子能量分布，增强了靶材逸出原子的动能，加快了溅射速率，提高了薄膜的纯度和膜层的附着力。

（4）配有多个等离子体诊断窗口，为朗缪尔探针、减速场能量分析仪探头、发射光谱仪等诊断手段提供便利，可实时监测等离子体性质，研究不同等离子体参数对成膜质量的影响。

（5）通过本装置制备出的薄膜致密、均匀性好。

（6）通过本装置制备出的薄膜的纯度高、质量很好。

（7）通过本装置制备薄膜时易于调节参数使薄膜的禁带宽度减小，提高可见光响应，从而能够拓宽光谱吸收范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的装置的结构示意图；

图2是本实用新型的优选实施例的第一溅射靶、第二溅射靶和第三溅射靶安装在真空室的弧形盖板上的俯视图；

图3是本实用新型的优选实施例的ICP线圈的结构示意图；

图4是采用本实用新型的优选实施例的装置制备出的薄膜的SEM样品表面形貌图；

图5是采用本实用新型的优选实施例的装置制备出的薄膜的SEM样品截面图；

图6是采用本实用新型的优选实施例的装置制备出的薄膜的XPS Ti2p能谱图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1、图2所示，一种ICP增强多靶磁控溅射装置，包括真空室2、设于真空室2顶部的三个溅射靶、设于真空室2内的ICP线圈4和基片台6以及与真空室2相连通的泵机组8，三个溅射靶的直径均为60mm，三个溅射靶的轴线与水平面之间的夹角均为20°-50°，三个溅射靶沿周向均匀间隔分布，三个溅射靶均聚焦于基片台6的中心，实现了共聚焦磁控溅射，三个溅射靶分别与第一射频电源10、第二射频电源12、第三射频电源14相连接，ICP线圈4设于溅射靶与基片台6之间，ICP线圈4连接有第四射频电源16，基片台6连接有直流稳压电源18。本实用新型可根据所需要制备的薄膜材料选择不同数量的溅射靶和在不同溅射靶上安装不同的靶材，靶材包括各种金属、半导体、绝缘氧化物、陶瓷、聚合物等物质，选择广泛，本实用新型可以进行至多三个靶的共溅射方式，通过调节不同溅射靶上溅射放电电流，来改变所需沉积薄膜的组分，可沉积所需组分的化合物、混合物等薄膜，调节方便，适用范围广，在溅射时，除了通入氩气作为工作气体，还可在放电气氛中加入氮气、氧气或其他活性气体以形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜。

本实用新型优选真空室2包括底端封闭、上端开口的不锈钢筒体20、与不锈钢筒体20固定的弧形盖板22，三个溅射靶均安装在弧形盖板22上。进一步优选不锈钢筒体20的直径为460mm、高度为260mm，弧形盖板的直径为460mm、高度为200mm。不锈钢筒体20和弧形盖板22上开有多个法兰窗口（图中未示出），供溅射靶连接和用作各种诊断窗口。

本实用新型优选三个溅射靶分别为第一溅射靶24、第二溅射靶26、第三溅射靶28，第一溅射靶24与第一射频电源10之间连接有第一匹配器30，第二溅射靶26与第二射频电源12之间连接有第二匹配器32，第三溅射靶28与第三射频电源14之间连接有第三匹配器34，ICP线圈4与第四射频电源16之间连接有第四匹配器36。由于放电过程中的电极和等离子体具有感抗，射频电源也存在一个50Ω的标准阻抗，导致了射频电源和负载之间的不匹配，本实用新型通过给每个射频电源都连接了相应频率的匹配器，在放电时可以随时调节第一匹配器30、第二匹配器32、第三匹配器34、第四匹配器36来稳定放电，使得第一射频电源10、第二射频电源12、第三射频电源14、第四射频电源16输出的功率能分别有效地传输到第一溅射靶24、第二溅射靶26、第三溅射靶28、ICP线圈4上，使第一溅射靶24、第二溅射靶26、第三溅射靶28、ICP线圈4尽可能的获得最大功率。优选第一射频电源10为13.56MHz射频电源，第二射频电源12为60 MHz射频电源，第三射频电源14为13.56MHz射频电源，当然还可以根据具体需求来选择加在第一射频电源10、第二射频电源12和第三射频电源14上的功率。

ICP线圈4在射频电流的驱动下，激发变化的磁场产生回旋电场，电子在回旋电场的加速下作回旋运动，与气体分子碰撞将其电离。由于电子的回旋运动增加了与气体分子的碰撞，增大了等离子体的密度。增大的等离子体密度还能增大到达基片正离子的电流密度，大量吸附粒子同时在基片表面扩散更容易重新成核，从而提高薄膜的致密度。本实用新型优选ICP线圈4采用单匝线圈，ICP线圈4的直径为180mm，ICP线圈4中心与第一溅射靶24、第二溅射靶26、第三溅射靶28之间的距离均为40mm。如图3所示，进一步优选在ICP线圈4外套有绝缘陶瓷包覆层38，能有效抑制等离子体中的电子通过ICP线圈4向接地端流动。

基片台6采用不锈钢材质制成，基片台6的直径为150mm，基片台6中心与第一溅射靶24、第二溅射靶26、第三溅射靶28之间的距离均为80mm。基片台6通过直流稳压电源18加直流偏压，实现-600V-600V，这样可以方便地控制离子的能量和运动方向，有效提高了薄膜的纯度和膜层的附着力，适应不同需求的镀膜条件。

本实用新型优选泵机组8为机械泵和涡轮分子泵的组合，先用机械泵将真空室2预抽至10-20Pa，再用涡轮分子泵继续将真空抽至5×10^-4Pa，这个真空度称为本底真空。

溅射过程中产生的等离子体存在许多工艺上的可变量，比如等离子体温度、等离子体密度、离子能量、各种离子与激发基团等，这些因素影响着等离子体与材料的相互作用、决定着所要沉积薄膜的结构与性质，而这些因素又取决于产生等离子体的条件，比如气压、电源频率、功率、气体流量等。因此对放电过程中的等离子体进行诊断，从而实现对放电过程的控制十分重要。本实用新型优选真空室2侧壁上安装有朗缪尔探针40，朗缪尔探针40连接有第一控制器42，第一控制器42与第一电子计算机44相连来控制和记录数据，基片台6上放置有减速场能量分析仪探头46，减速场能量分析仪探头46连接有第二控制器48，第二控制器48与第二电子计算机50相连来控制和记录数据，还包括发射光谱仪52，发射光谱仪与第二电机计算机50相连。朗缪尔探针40可以诊断电子密度温度、等离子体电位、电子能量分布等参数；减速场能量分析仪探头46可以诊断基片台6表面离子能量分布、离子通量、悬浮电位等参数；发射光谱仪52可以诊断等离子体光谱，可实时监测等离子体性质，建立薄膜结构、性能与等离子体特性之间的关联。

使用本装置制备TiO₂薄膜的方法，包括以下步骤：

（1）在第一溅射靶24上安装直径为60mm、纯度为99.99%的TiO₂靶材，在第二溅射靶26上安装直径为60mm、纯度为99.99%的Er₂O₃靶材，对1cm×1cm的Si基片用丙酮、无水乙醇和去离子水依次进行超声波清洗5分钟，清洗过的基片放置于基片台6上；

（2）采用组合的机械泵和涡轮分子泵将真空室2真空抽至5.5×10^-4Pa，然后将氩气充入真空室2中，保持氩气的流量为30sccm，调节真空室2的压力为1Pa；

（3）在第一溅射靶24上施加13.56MHz射频电源，固定射频功率为200W；在第二溅射靶26上施加60MHz射频电源，射频功率为50W；在ICP线圈4上施加13.56MHz射频电源，固定射频功率为300W；开启直流稳压电源18；

（4）在溅射的过程中，利用朗缪尔探针40、减速场能量分析仪探头46和发射光谱仪52进行监测，经过一个半小时的溅射，关闭射频电源和直流稳压电源18，结束镀膜。

图4是在第一溅射靶24上施加施加射频功率200W、第二溅射靶26上施加射频功率50W、ICP线圈4上施加射频功率300W条件下样品的SEM表面形貌图。由图可见，所制备的薄膜表面致密均匀，无孔洞。

图5是在第一溅射靶24上施加施加射频功率200W、第二溅射靶26上施加射频功率50W、ICP线圈4上施加射频功率300W条件下样品的SEM截面图。由图可知，薄膜的厚度为596nm，薄膜的沉积速率为6.8nm/min。

采用X射线光电子能谱(XPS)对各样品的表面进行了元素分析，图6是第一溅射靶24上功率200W、第二溅射靶26上功率50W、ICP线圈4上功率300W条件下Ti2p的高分辨谱图，可以看出Ti2p主要由Ti的2p_3/2和2p_1/2峰构成，结合能分别为458.6ev和464.9ev。这表明Ti元素是以TiO₂的Ti⁴⁺形式存在的，说明本实用新型制备的薄膜主要由TiO₂构成，薄膜的纯度高、质量很好。

以上依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。