ICP增强多靶磁控溅射装置及使用该装置制备TiO2薄膜的方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种ICP增强多靶磁控溅射装置，包括真空室、设于真空室顶部的三个溅射靶、设于真空室内的ICP线圈和基片台以及与真空室相连通的泵机组，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的中心，三个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，ICP线圈设于溅射靶与基片台之间，ICP线圈连接有第四射频电源，基片台连接有直流稳压电源。本发明专利技术还涉及一种使用该装置制备TiO2薄膜的方法。本发明专利技术拥有三个溅射靶，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，制备出的薄膜致密、纯度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种ICP增强多靶磁控溅射装置及使用该装置制备TiO2薄膜的方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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及使用该装置制备TiO2薄膜的方法，制备方法简单，且薄膜的纯度高、质量好。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术一个较佳实施例中，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。本专利技术一个较佳实施例中，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。本专利技术一个较佳实施例中，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。本专利技术一个较佳实施例中，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。本专利技术一个较佳实施例中，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。本专利技术一个较佳实施例中，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。一种使用ICP增强多靶磁控溅射装置制备TiO2薄膜的方法进一步包括以下步骤：（1）在其中一个溅射靶上安装直径为60mm、纯度为99.99%的TiO2靶材，在另一个溅射靶上安装直径为60mm、纯度为99.99%的Er2O3靶材，清洗过的基片放置于基片台上；（2）将真空室真空抽至5.5×10-4Pa，然后将氩气充入真空室中，保持氩气的流量为30sccm，调节真空室的压力为1Pa；（3）在安装有TiO2靶材的溅射靶上施加13.56MHz射频电源，固定射频功率为200W；在安装有Er2O3靶材的溅射靶上施加60MHz射频电源，射频功率为50W-250W；在ICP线圈上施加13.56MHz射频电源，固定射频功率为300W；开启直流稳压电源；（4）经过一个半小时的溅射，关闭射频电源和直流稳压电源，结束镀膜。本专利技术一个较佳实施例中，使用ICP增强多靶磁控溅射装置制备TiO2薄膜的方法进一步包括所述步骤（1）中，所述基片为1cm×1cm的Si基片，所述基片用丙酮、无水乙醇和去离子水依次进行超声波清洗5分钟。本专利技术一个较佳实施例中，使用ICP增强多靶磁控溅射装置制备TiO2薄膜的方法进一步包括所述步骤（4）中，还包括利用朗缪尔探针、减速场能量分析仪探头和发射光谱仪进行监测。本专利技术具有以下有益效果：（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）配有多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于，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之间的距离为80mm。5.根据权利要求1所述的ICP增强多靶磁控溅射装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的ICP增强多靶磁控溅射装...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳奇，胡一波，金成刚，吴雪梅，诸葛兰剑，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32