專利名稱：電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜復(fù)合系統(tǒng)，屬于薄膜材料制備設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾十年來，薄膜材料科學(xué)取得了令人矚目的成就，具有優(yōu)異綜合性能和廣泛應(yīng)用前景的新型薄膜材料層出不窮。作為現(xiàn)代材料科學(xué)中發(fā)展最為迅速的一個(gè)分支，它正在科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著愈來愈重要的作用，新型薄膜材料的研究和開發(fā)為微電子學(xué)、光電子學(xué)和磁電子學(xué)等新興交叉學(xué)科的發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)。通過成膜技術(shù)，在體材料(襯底)表面沉積一層性質(zhì)與體材料性質(zhì)迥異的薄膜材料，它往往具有特殊的材料性能或性能組合，而性能的優(yōu)劣又主要取決于制備該薄膜的成膜技術(shù)，目前世界各國都競相投入力量研究和發(fā)展新的成膜技術(shù)。正因?yàn)槿绱耍糜谥苽浔∧さ某赡ぱb置就顯得尤為重要。
成膜技術(shù)以氣相沉積為主，主要包括在成膜過程中只發(fā)生物理過程的物理氣相沉積法(PVD)和在成膜過程中還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程的化學(xué)氣相沉積法(CVD)。
在采用以CVD方法制備薄膜時(shí)，使用的源氣體一般都具有揮發(fā)性，存在安全隱患；排出的尾氣也會污染環(huán)境；特別是含Cl的氣體還具有腐蝕性，長期使用會腐蝕制膜系統(tǒng)，氯原子有時(shí)還會殘留在薄膜中，嚴(yán)重影響薄膜性能。此外，工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)時(shí)放大CVD裝置的代價(jià)昂貴。
在采用PVD法制備薄膜時(shí)，雖然在一定程度上能避免CVD法的不足，但用該法鍍膜時(shí)，只有鍍在簡單形狀和尺寸較小的零件(襯底)上的膜層比較均勻，而鍍在復(fù)雜形狀零件(襯底)上的膜層難以均勻致密，并且容易剝離。
在眾多從事新型薄膜材料研究和開發(fā)單位中，在基礎(chǔ)研究階段迫切需要一種多功能PVD和CVD復(fù)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以便針對不同的薄膜材料體系、結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)用目標(biāo)，靈活又經(jīng)濟(jì)地改變或切換成膜技術(shù)和操作模式進(jìn)行各種試驗(yàn)，快速有效地跟蹤和領(lǐng)導(dǎo)新型薄膜材料的研究領(lǐng)域和發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型旨在滿足上述需求，如圖1所示，它主要包括真空子系統(tǒng)1、濺射子系統(tǒng)2(包括陰極21、襯底22、襯底架23、擋板24)、氣體混合及輸入子系統(tǒng)3(包括輸氣口31、布?xì)猸h(huán)32)、等離子體輔助子系統(tǒng)4(包括射頻線圈41、射頻源42、匹配裝置43)、電磁場約束子系統(tǒng)5、襯底加熱及控溫子系統(tǒng)6和襯底偏壓子系統(tǒng)7。
為了使該系統(tǒng)既能以CVD法制備薄膜，也能以PVD法制備薄膜，配置真空子系統(tǒng)泵使得鍍膜室的真空度能在低(＞102Pa)、中(102-10-1Pa)和高真空(10-1-10-5Pa)較大的真空度范圍內(nèi)變化，測量和顯示真空度的儀器和儀表在上述較大的真空度范圍內(nèi)能正確測量和顯示。
為了增大濺射率和沉積速率，將濺射子系統(tǒng)的陰極設(shè)計(jì)成磁控濺射陰極，甚至非平衡磁控濺射陰極；而且，本濺射陰極既能夠在直流電源下工作，又能在中頻和射頻電源下工作，能夠分別濺射導(dǎo)電靶材和電介質(zhì)靶材。
用于氣體混合及輸入子系統(tǒng)的管道、法蘭和連接件，以及暴露在真空中的鍍膜室等都必須用不銹鋼制造，以利于保持和提高鍍膜室的真空度，以及如在實(shí)驗(yàn)需要時(shí)，系統(tǒng)也能采用腐蝕性氣體進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)。
等離子體輔助子系統(tǒng)主要由射頻線圈、匹配裝置和射頻源組成，其作用主要是產(chǎn)生射頻電感耦合等離子體，使濺射出來的中性粒子帶電，提高中性粒子的離子化率和各種氣體分子及帶電粒子的離解率，增加各種粒子和離子的反應(yīng)活性。
電磁場約束子系統(tǒng)主要包括位于射頻線圈外圍的電感線圈，當(dāng)電感線圈中通過直流電時(shí)，在電感線圈(也即射頻線圈)中間產(chǎn)生一個(gè)均勻磁場，它對等離子體中的電子和各種帶電離子具有約束作用，從而強(qiáng)化等離子體輔助子系統(tǒng)的各種輔助功能。
襯底加熱及控溫子系統(tǒng)的主要作用是當(dāng)實(shí)驗(yàn)方案需要給襯底加熱時(shí)，將襯底加熱到設(shè)定溫度，并在整個(gè)薄膜沉積過程中保持該設(shè)定溫度恒定和襯底上的溫度均勻。由于采用CVD法沉積薄膜時(shí)要求的襯底溫度一般較高，因此應(yīng)盡量提高系統(tǒng)襯底溫度的設(shè)計(jì)值，如果襯底溫度高于1000℃，這樣就能滿足大部分CVD法沉積薄膜對襯底溫度的要求。
對某些薄膜材料體系而言，給沉積中的薄膜襯底加偏壓會明顯提高薄膜的沉積速率和增加薄膜的密度，對薄膜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)等也有一定作用。本襯底偏壓子系統(tǒng)與濺射子系統(tǒng)一樣，既可用直流偏壓又可用交流偏壓。
因此，該設(shè)備主要具有如下特點(diǎn)(1)通過濺射方式提供薄膜組成元素，避免CVD法中有時(shí)使用的揮發(fā)性氣體和金屬有機(jī)物，與傳統(tǒng)CVD法相比，供氣系統(tǒng)變得非常簡單，而且能顯著減少環(huán)境污染。
(2)等離子體增強(qiáng)系統(tǒng)能夠使被濺射出來的中性粒子帶電，隨后使之增加能量，進(jìn)行分解或離解，也即使濺射出來的中性粒子離子化；使濺射出來的帶電粒子增加活性，促進(jìn)分解或離解，也即增強(qiáng)濺射離子的離子化程度；使工作氣體和反應(yīng)氣體容易分解或離解，也即使氣體離子化；增加濺射粒子和離子、反應(yīng)氣體的離子的反應(yīng)活性，提高沉積速率。
(3)磁場約束系統(tǒng)能夠約束等離子體，從而進(jìn)一步強(qiáng)化等離子體的上述作用。
(4)根據(jù)不同的薄膜材料體系和應(yīng)用目標(biāo)，能靈活又經(jīng)濟(jì)地在PVD、CVD、PVD&CVD、射頻電感耦合等離子體輔助、電磁場約束增強(qiáng)、射頻磁控濺射、直流磁控濺射和襯底偏壓等成膜技術(shù)和操作模式中選用和切換，顯著節(jié)約在薄膜基礎(chǔ)研究階段的設(shè)備和時(shí)間投入。


圖1為該氣相沉積薄膜系統(tǒng)示意圖，其中1為真空子系統(tǒng)、2為濺射子系統(tǒng)(包括陰極21、襯底22、襯底架23、擋板24)、3為氣體混合及輸入子系統(tǒng)(包括輸氣口31、布?xì)猸h(huán)32)、4為等離子體輔助子系統(tǒng)(包括射頻線圈41、射頻源42、匹配裝置43)、5為電磁場約束子系統(tǒng)、6為襯底加熱及控溫子系統(tǒng)、7為襯底偏壓子系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面用該復(fù)合系統(tǒng)成功制備的納米晶TiN/無定形Si3N4(nc-TiN/a-Si3N4)納米復(fù)合薄膜為例，來介紹上述設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)施方式，但不僅只限于該實(shí)施方式。
nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合薄膜主要由Si3N4非晶態(tài)基體和分布在基體中的TiN納米晶組成，具有很高的硬度、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和很低的摩擦系數(shù)，以及優(yōu)良的抗摩擦和抗氧化性能。
當(dāng)用CVD法制備該薄膜時(shí)，一般需采用TiCl4和SiCl4或SiH4等氣體來提供Ti組元和Si組元，這些氣體都具有揮發(fā)性，存在安全隱患；排出的尾氣也會污染環(huán)境；含Cl氣體具有腐蝕性，會損害制膜系統(tǒng)和薄膜性能；另外，工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)時(shí)放大CVD裝置的代價(jià)昂貴。
當(dāng)用PVD法制備該薄膜時(shí)，雖然能避免CVD法的不足，但該法不能提供足夠高的化學(xué)活性和激活能，來驅(qū)動Ti-Si-N三元體系中的熱力學(xué)偏析。根本無法制備該復(fù)合薄膜。
使用本復(fù)合系統(tǒng)沉積該薄膜時(shí)，能綜合利用CVD法和PVD法的優(yōu)點(diǎn)和避免其不足，也即通過濺射定制的TiSi合金靶來提供Ti組元和Si組元，避免使用CVD法中的揮發(fā)性含Cl氣體；該復(fù)合系統(tǒng)中配置的射頻線圈能產(chǎn)生高密度等離子體，促進(jìn)濺射出來的Ti粒子和Si粒子離子化和反應(yīng)氣體N2離解、分解，提高成膜粒子的化學(xué)活性和激活能；電磁場線圈具有約束等離子體的作用，能強(qiáng)化等離子體的上述作用。
權(quán)利要求1.電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)，其特征在于包括真空子系統(tǒng)(1)、濺射子系統(tǒng)(2)、氣體混合及輸入子系統(tǒng)(3)、等離子體輔助子系統(tǒng)(4)、電磁場約束子系統(tǒng)(5)、襯底加熱及控溫子系統(tǒng)(6)和襯底偏壓子系統(tǒng)(7)組成；所述的電磁場約束子系統(tǒng)圍繞在等離子體輔助子系統(tǒng)外部。
2.按權(quán)利要求1所述的電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)，其特征在于所述的濺射子系統(tǒng)包括陰極(21)、襯底(22)、襯底架(23)、擋板(24)，濺射子系統(tǒng)采用陰極在下，襯底在上的方式布置。
3.按權(quán)利要求1所述的電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)，其特征在于所述的氣體混合及輸入子系統(tǒng)包括輸氣口(31)、布?xì)猸h(huán)(32)。
4.按權(quán)利要求1所述的電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)，其特征在于所述的等離子體輔助子系統(tǒng)包括射頻線圈(41)、射頻源(42)、匹配裝置(43)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電磁場約束電感耦合等離子體增強(qiáng)氣相沉積薄膜系統(tǒng)，屬于薄膜材料制備設(shè)備領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括真空子系統(tǒng)(1)、濺射子系統(tǒng)(2)、氣體混合及輸入子系統(tǒng)(3)、等離子體輔助子系統(tǒng)(4)、電磁場約束子系統(tǒng)(5)、襯底加熱及控溫子系統(tǒng)(6)和襯底偏壓子系統(tǒng)(7)組成；該系統(tǒng)能針對不同的薄膜材料體系、結(jié)構(gòu)性能和應(yīng)用目標(biāo)，靈活又經(jīng)濟(jì)地改變或切換成膜技術(shù)和操作模式進(jìn)行各種試驗(yàn)。
文檔編號C23C14/35GK2633899SQ0323269
公開日2004年8月18日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者范秋林, 曹韞真, 胡行方, 于云, 章俞之, 肖興成, 宋力昕 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所