本發(fā)明屬于氮化物、碳化物及氧化物薄膜/涂層制備技術領域，具體涉及一種脈沖激光沉積系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)來沉積薄膜的方法。

背景技術：

脈沖激光沉積技術(Pulsed Laser Deposition，PLD)是目前制備鐵電、半導體、電解質(zhì)及金剛石等薄膜的重要技術之一。該技術具有可以制備成分復雜、熔點高及硬度大的薄膜等優(yōu)點。脈沖激光沉積技術的基本原理是將脈沖激光器產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦到靶材表面，瞬間產(chǎn)生高溫高壓等離子體，所產(chǎn)生的等離子體定向局域絕熱膨脹、發(fā)射，并沉積到襯底上而形成薄膜。

隨著對薄膜制備技術要求的提高，采用PLD制備的薄膜也存在著一些急需解決的問題：如，由于激光束斑小，等離子體區(qū)域集中于靶材被燒蝕的區(qū)域前面，直接造成沉積薄膜的厚度和成分的不均勻，并進而影響制備薄膜的性能。雖然用控制系統(tǒng)移動靶材或基片、控制激光斑點在靶材表面掃描在一定程度上改善薄膜的質(zhì)量，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和復雜性也帶來了新的問題。而且，在通常情況下激光聚焦束斑在靶材上刻蝕形成的微柱會導致羽輝偏向入射激光的方向，嚴重影響薄膜厚度以及成分的均勻性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種脈沖激光沉積系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)來沉積薄膜的方法，以解決目前脈沖激光沉積技術制備出的薄膜均勻性較差的問題。

根據(jù)本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種脈沖激光沉積系統(tǒng)，包括真空室、襯底承載架、非平衡磁極輔助靶、激光器和光路系統(tǒng)，其中所述襯底承載架和所述非平衡磁極輔助靶相對設置在所述真空室內(nèi)，所述非平衡磁極輔助靶面向所述真空室內(nèi)側的一面上設置有至少一對磁極且在該對磁極之間形成有非平衡磁場，在該對磁極之間設置有靶材，所述激光器產(chǎn)生的激光通過所述光路系統(tǒng)聚焦至所述靶材表面，以在所述靶材上產(chǎn)生燒蝕等離子體，所述燒蝕等離子體在所述非平衡磁場的作用下做進一步電離并均勻分布至所述靶材表面。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括等離子體發(fā)生器，所述等離子體發(fā)生器與所述真空室連通，用于對注入其內(nèi)的氣體進行等離子體化，并將所述氣體的等離子體輸送至所述真空室內(nèi)。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述襯底承載架為偏置電極，所述偏置電極用于承載襯底，并與偏置電源連接，以在所述偏置電極上形成電場，以吸引等離子體轟擊到襯底上。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述襯底承載架還通過旋轉軸與旋轉裝置連接，以使所述旋轉裝置帶動所述偏置電極轉動。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述系統(tǒng)還包括溫控系統(tǒng)，用于對所述真空室內(nèi)的溫度進行控制。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述非平衡磁極輔助靶包括靶座和磁軛，在所述靶座面向所述真空室內(nèi)的一側上設置有所述靶材，在所述靶座內(nèi)埋設有相對于所述靶材對稱設置的至少一對磁極，該對磁極的極性相反且磁場強度不同。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述非平衡磁極輔助靶還包括導磁板，該導磁板分設于至少一對磁極的兩側，且相對于所述靶材對稱設置。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中所述靶座內(nèi)設置有位于所述靶材下方的冷卻水池。

根據(jù)本發(fā)明實施例的第二方面，提供一種采用上述脈沖激光沉積系統(tǒng)來沉積薄膜的方法，包括：

激光器通過光路系統(tǒng)將激光聚焦至真空室內(nèi)設置的靶材上，以在所述靶材上產(chǎn)生燒蝕等離子體，在設置于所述靶材兩側的磁極對之間形成的非平衡磁場的作用下，所述燒蝕等離子體進一步電離并均勻分布至所述靶材表面；

所述燒蝕等離子體沉積至所述靶材下方的襯底上。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，所述方法還包括：

向等離子體發(fā)生器中分別注入反應氣體和工作氣體，以使所述等離子體發(fā)生器分別對所述反應氣體和工作氣體進行等離子體化，并將生成的等離子體輸送給所述真空室內(nèi)；

所述等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體沉積到所述襯底上。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過設置非平衡磁極輔助靶，可以使激光器燒蝕靶材表面產(chǎn)生的等離子體在磁極對之間形成的非平衡磁場的作用下進一步等離子體化并均勻擴展至靶材的表面，從而可以有效解決由于聚集光束過于集中導致等離子體在靶材表面的分布嚴重不均勻的問題，進而可以保證擴散至襯底承載架附近的等離子體的均勻性，提高薄膜沉積均勻度；

2、本發(fā)明通過設置等離子體發(fā)生器，在將氣體提供給真空室之前先將氣體進行等離子體化，額外提供等離子體轟擊到樣品架上的襯底上，由此可以提高沉積薄膜的密度；

3、本發(fā)明通過向襯底承載架提供偏置電壓，可以使襯底承載架上襯底處于偏置狀態(tài)下，從而可以主動吸引真空室內(nèi)等離子體轟擊襯底表面，提高薄膜致密度以及改善薄膜與襯底的結合強度；

4、本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中由旋轉裝置帶動襯底承載架旋轉，從而帶動襯底承載架上襯底旋轉，可以保證襯底上沉積的等離子體的均勻度；

5、本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中對真空室內(nèi)的溫度進行控制，可以對薄膜的沉積特性和微觀結構進行控制；

6、本發(fā)明通過在一對磁極的兩側設置一對導磁板，并使該對導磁板相對于靶材對稱，可以改善磁力線分布；

7、本發(fā)明通過在靶座內(nèi)設置位于靶材下方的冷卻水池，可以避免非平衡磁極輔助靶工作溫度過高，由此可以保證非平衡磁極輔助靶的正常工作。

附圖說明

圖1是本發(fā)明脈沖激光沉積系統(tǒng)的一個實施例結構示意圖；

圖2是本發(fā)明脈沖激光沉積系統(tǒng)中非平衡磁極輔助靶的一個實施例結構示意圖；

圖3是本發(fā)明脈沖激光沉積系統(tǒng)中等離子體發(fā)生器的一個實施例結構示意圖；

圖4是本發(fā)明采用圖1所示脈沖激光沉積系統(tǒng)來沉積薄膜的方法的一個實施例流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術方案，并使本發(fā)明實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明實施例中技術方案作進一步詳細的說明。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術語“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語的具體含義。

參見圖1，為本發(fā)明脈沖激光沉積系統(tǒng)的一個實施例結構示意圖。該脈沖激光沉積系統(tǒng)可以包括真空室1、激光器2、光路系統(tǒng)3、非平衡磁極輔助靶4、等離子體發(fā)生器5、襯底承載架6和溫控系統(tǒng)9，其中所述襯底承載架6和所述非平衡磁極輔助靶4相對設置在所述真空室1內(nèi)，所述非平衡磁極輔助靶4面向所述真空室1內(nèi)側的一面上設置有至少一對磁極16且在該對磁極16之間形成有非平衡磁場，在該對磁極16之間設置有靶材15，所述激光器2產(chǎn)生的激光通過所述光路系統(tǒng)3聚焦至所述靶材15表面，以在所述靶材15上產(chǎn)生燒蝕等離子體。本發(fā)明通過設置非平衡磁極輔助靶，可以使激光器燒蝕靶材表面產(chǎn)生的等離子體在磁極對之間形成的非平衡磁場的作用下進一步等離子體化并均勻擴展至靶材的表面，從而可以有效解決由于聚集光束過于集中導致等離子體在靶材表面的分布嚴重不均勻的問題，進而可以保證擴散至襯底承載架附近的等離子體的均勻性，提高薄膜沉積均勻度。

本實施例中，非平衡磁極輔助靶4可以如圖2所示，其可以包括靶座10、磁軛13、導磁板14、靶材15和磁極16，其中在所述靶座10面向所述真空室1內(nèi)側的一面上設置有靶材15，在所述靶座10內(nèi)埋設有相對于所述靶材15對稱設置的至少一對磁極16，該對磁極16的極性相反且磁場強度不同，例如左側磁極的極性為N-S，右側磁極的極性為S-N，左側磁極的磁場強度大于右側磁極的磁場強度。在圖2所示的非平衡磁極輔助靶4中導磁板14成對設置，成對設置的導磁板14分設于至少一對磁極16的兩側，且相對于靶材15對稱設置。本發(fā)明通過在一對磁極的兩側設置一對導磁板，并使該對導磁板相對于靶材對稱，可以改善非平衡磁力線分布的均勻性。此外，所述靶座10內(nèi)設置有位于所述靶材15下方的冷卻水池17，冷卻水池17通過進水口11和出水口12分別與冷卻機連接。本發(fā)明通過在靶座內(nèi)設置位于靶材下方的冷卻水池，可以避免非平衡磁極輔助靶工作溫度過高，由此可以保證非平衡磁極輔助靶的正常工作。

另外，脈沖激光沉積系統(tǒng)中的等離子體發(fā)生器5可以與真空室1連通，用于對注入其內(nèi)的氣體進行等離子體化，并將所述氣體的等離子體輸送至真空室1內(nèi)。本發(fā)明通過設置等離子體發(fā)生器，在將氣體提供給真空室之前先將氣體進行等離子體化，可以額外提供等離子體轟擊到樣品架上的襯底上，由此可以提高沉積薄膜的密度。襯底承載架6可以為偏置電極，所述偏置電極用于承載襯底，并與偏置電源8連接，以在所述偏置電極上形成電場。本發(fā)明通過向襯底承載架提供偏置電壓，可以使襯底承載架上襯底處于偏置狀態(tài)下，從而可以主動吸引真空室內(nèi)等離子體轟擊襯底表面，提高薄膜致密度以及改善薄膜與襯底的結合強度。襯底承載架6還可以通過旋轉軸7與旋轉裝置連接，以使旋轉裝置帶動所述襯底承載架6轉動。本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中由旋轉裝置帶動襯底承載架旋轉，從而帶動襯底承載架上襯底旋轉，可以保證襯底上沉積的等離子體的均勻度。溫控系統(tǒng)9可以用于對所述真空室內(nèi)的溫度進行控制，本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中對真空室內(nèi)的溫度進行控制，可以對薄膜的沉積特性和微觀結構進行控制。

本實施例中，以存在兩個等離子體發(fā)生器5，其中一個等離子體發(fā)生器對反應氣體(如氧氣、氮氣或其他氣體)進行等離子體化，另一個等離子體發(fā)生器對工作氣體(如Ar氬氣)進行等離子體化為例。在沉積薄膜過程中，可以首先啟動等離子體發(fā)生器5，向等離子體發(fā)生器5中注入工作氣體，以使等離子體發(fā)生器5對工作氣體進行等離子體化，生成工作等離子體，并且生成的工作等離子體在輸送至真空室1后，在偏置功率的作用下，直接轟擊到襯底上，由此可以實現(xiàn)襯底表面的清洗。接著，向另一個等離子體發(fā)生器5中注入反應氣體，此時兩個等離子體發(fā)生器5可以分別對工作氣體和反應氣體進行等離子體化。由于兩個等離子體發(fā)生器5分別與真空室1連通，因此工作等離子體和反應等離子體都可以被輸送到真空室1中。需要注意的是：當沉積薄膜需要兩種以上反應氣體時，可以對應增設等離子體發(fā)生器。

其中，等離子體發(fā)生器的結構示意圖如圖3所示，其可以包括設置在等離子體發(fā)生器腔內(nèi)的水冷管117、進氣管111、金屬管電極112、陶瓷管113、線圈電極114、等離子體陶瓷集氣管118和導氣管104，其中水冷管117的入水口109可以與冷卻機(圖中未示出)的出水口連通，其出水口108可以與冷卻機(圖中未示出)的入水口連通；進氣管111伸入等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)并通過法蘭115固定在等離子體發(fā)生器腔體上。另外，進氣管111套裝在金屬管電極112內(nèi)，金屬管電極112套裝在陶瓷管113內(nèi)，且在陶瓷管113出口端的外側套裝有線圈電極114，該金屬管電極112和線圈電極114都與射頻電源106連接。陶瓷管113出口端通過等離子體陶瓷集氣管118與伸入真空室100中的導氣管104連通。等離子體發(fā)生器105開始工作時，可以首先打開射頻電源106，此時金屬管電極112和線圈電極114通電，然后通過進氣管111向等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)注入對應的氣體，氣體在金屬管電極112、陶瓷管113和線圈電極114的作用下進行等離子體化，并在等離子體化后依次通過等離子體陶瓷集氣管118、導氣管104輸送到真空室100內(nèi)。在沉積結束后，可以打開冷卻機，以使冷卻機通過水冷管117對等離子體發(fā)生器進行冷卻處理。

參見圖4，為本發(fā)明采用上述脈沖激光沉積系統(tǒng)來沉積薄膜的方法的一個實施例流程圖。該方法可以包括以下步驟：

步驟S401、激光器通過光路系統(tǒng)將激光聚焦至真空室內(nèi)設置的靶材表面，以在所述靶材上產(chǎn)生燒蝕等離子體，在設置于所述靶材兩側的磁極對之間形成的非平衡磁場的作用下，所述燒蝕等離子體進一步電離并均勻分布至所述靶材表面。

本實施例中，在激光器通過光路系統(tǒng)將激光聚焦至真空室內(nèi)設置的靶材表面之前，該方法還可以包括以下準備工作：將原材料制成襯底，并將襯底清洗干凈后固定在襯底承載架上，在非平衡磁控輔助靶面向真空室內(nèi)側的一面上安裝化合物或者金屬靶材。利用真空泵對真空室進行抽真空處理，以使真空室內(nèi)的真空度小于1.0×10^-4Pa。對真空室進行加熱，以使真空室內(nèi)的溫度在200至700℃范圍內(nèi)。

在激光器通過光路系統(tǒng)將激光聚焦至真空室內(nèi)設置的靶材表面之后，該方法還可以包括：開啟旋轉裝置，使旋轉裝置帶動襯底承載架以3-10轉/分的轉速進行旋轉。開啟等離子體發(fā)生器，向等離子體發(fā)生器中分別注入反應氣體和工作氣體，以使該等離子體發(fā)生器分別對反應氣體和工作氣體進行等離子體化，并將生成的等離子體輸送給真空室。通過偏置電極向襯底承載架提供偏置電壓，以使偏置電極的功率在50至500W范圍內(nèi)，從而使襯底承載架主動吸引真空室內(nèi)的等離子體轟擊至襯底上。

步驟S402、所述燒蝕等離子體沉積至所述靶材下方的襯底上。

本實施例中，燒蝕等離子體和等離子體發(fā)生器生成的等離子體都可以被襯底承載架吸引，主動轟擊沉積至襯底上。

由上述實施例可見，本發(fā)明通過設置非平衡磁極輔助靶，可以使激光器燒蝕靶材表面產(chǎn)生的等離子體在磁極對之間形成的非平衡磁場的作用下進一步等離子體化并均勻擴展至靶材的表面，從而可以有效解決由于聚集光束過于集中導致等離子體在靶材表面的分布嚴重不均勻的問題，進而可以保證擴散至襯底承載架附近的等離子體的均勻性，提高薄膜沉積均勻度。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限制。