基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置及方法制造方法及图纸

基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置及方法,涉及制备掺杂类薄膜的领域,为了解决现有制备掺杂类薄膜技术在放电过程易相互干扰，易出现靶中毒现象，薄膜的成分难以自由调节，沉积效率较低且易引入杂质的问题。本发明专利技术的装置采用双直流电源，通过控制电源U1和电源U2的电压值控制薄膜的掺杂含量。本发明专利技术适用于制备掺杂类薄膜。

Fabrication of Doped Thin Films by Heterogeneous Double Target High Power Pulse Magnetron Sputtering

The device and method for preparing doped thin films based on heterogeneous double target high power pulsed magnetron sputtering involves the field of preparing doped thin films. In order to solve the problem that the existing technology for preparing doped thin films is easy to interfere with each other in the discharge process, easy to cause target poisoning, difficult to adjust the composition of the films freely, low deposition efficiency and easy to introduce impurities. The device adopts a dual DC power supply, and controls the doping content of the film by controlling the voltage values of the power supply U1 and U2. The invention is suitable for preparing doped thin films.

【技术实现步骤摘要】
基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置及方法
本专利技术涉及制备掺杂类薄膜的领域，具体涉及基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的技术。
技术介绍
目前制备掺杂类薄膜主要采用三类方法，(1)采用多个单靶，多个单靶分别形成独立的放电系统，在空间较小的真空环境下进行放电溅射，放电过程容易相互干扰，易出现靶中毒现象；(2)采用多元合金靶材或组合形式靶材进行溅射，薄膜的成分依赖于靶材中各组分含量或面积比例，难以进行自由调节；(3)采用化学气相沉积(CVD)类方法辅助金属靶材进行溅射，沉积效率较低且易引入气体中包含的元素杂质，不利于进行大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，从而提供基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置及方法。本专利技术所述的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置，包括电容C1、电容C2、三极管V1至V4、二极管D1至D4、电源U1、电源U2和负载R；电源U1的正极同时连接电容C1的正极、三极管V1的集电极和二极管D1的阴极，三极管V1的发射极连接三极管V2的集电极，二极管D1的阳极连接二极管D2的阴极，电源U1的负极同时连接电容C1的负极、三极管V2的发射极和二极管D2的阳极，电源U2的正极同时连接电容C2的正极、三极管V3的集电极和二极管D3的阴极，三极管V3的发射极连接三极管V4的集电极，二极管D3的阳极连接二极管D4的阴极，电源U2的负极同时连接电容C2的负极、三极管V4的发射极、二极管D4的阳极和电源U1的负极，负载R的一端同时连接三极管V1的发射极和二极管D1的阳极，负载R的另一端同时连接三极管V3的发射极和二极管D3的阳极；双靶形成负载R，负载R两端的电压即双靶之间的电压。优选的是，放电过程中分两个阶段：三极管V1和三极管V4导通，三极管V2和三极管V3关断，负载R两端的电压由电源U1控制；三极管V2和三极管V3导通，三极管V1和三极管V4关断，负载R两端的电压由电源U2控制。优选的是，三极管V1和三极管V2的基极加有一对相位相反的控制脉冲，三极管V3和三极管V4的基极加有一对相位相反的控制脉冲，三极管V3基极的控制脉冲的相位落后三极管V1基极的控制脉冲的相位的角度为θ，0°<θ<180°。本专利技术所述的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的方法，该方法包括：通过控制电源U1和电源U2的电压值控制薄膜的掺杂含量；该方法采用基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置实现。优选的是，还通过控制电压的正负脉冲脉宽和正负脉冲间隔时间控制薄膜的掺杂含量。优选的是，靶施加设定的基底偏压。优选的是，还通过控制电源U1和电源U2的电压值、电压的正负脉冲脉宽、正负脉冲间隔时间控制薄膜的结构状态。本专利技术的有益效果：与采用多个单靶进行溅射的方法相比，采用本专利技术的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置可针对不同材料，特别是放电特性差异较大的材料进行掺杂薄膜的制备，能够保证不同材料靶材分别在适当参数区间内放电溅射，适用材料包括金属、合金、石墨等。在一个完整脉冲放电过程中，双靶通过阴阳极转换方式分别形成独立的脉冲放电通道，放电过程稳定，具有高度协调性和同步性，薄膜的均匀性得到有效保证。与采用多元合金靶材或组合形式靶材进行溅射的方法相比，本专利技术的方法通过调节放电过程中放电电压等参数，可以对薄膜的成分结构灵活控制，避免了现有采用合金靶材制备的薄膜的成分相对固定的问题，本专利技术不依赖靶的结构和靶材成分，适用范围更广，可控性更强。与采用CVD类方法辅助金属靶材进行溅射的方法相比，本专利技术制备薄膜的过程只采用磁控溅射一种方法，不引入反应气体，不需要后续处理和多种方法共同制备，制备工艺简洁，提高效率的同时避免了杂质污染和环境因素干扰；本专利技术同时具备高功率脉冲磁控溅射方法的优点，放电过程离化率高、薄膜结构致密、性能优良，同时通过对正负脉宽、正负脉冲间隔、频率等参数的调整可以有效提高薄膜溅射沉积的效率。附图说明图1是具体实施方式一中的基于单直流电源控制的双极性脉冲电源的电路原理图；图2是具体实施方式一中的基于单直流电源控制的双极性脉冲电源的工作电信号波形图；图3是本专利技术的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置的电路原理图；图4是实施例中的双靶电压变化波形曲线；a)为Ag靶电压450V，b)为Ag靶电压500V，c)为Ag靶电压550V；图5是实施例中的不同Ag靶电压下Ag-DLC薄膜SEM图像；a)为Ag靶电压450V，b)为Ag靶电压500V，c)为Ag靶电压550V。具体实施方式具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置，包括电容C1、电容C2、三极管V1至V4、二极管D1至D4、电源U1、电源U2和负载R；电源U1的正极同时连接电容C1的正极、三极管V1的集电极和二极管D1的阴极，三极管V1的发射极连接三极管V2的集电极，二极管D1的阳极连接二极管D2的阴极，电源U1的负极同时连接电容C1的负极、三极管V2的发射极和二极管D2的阳极，电源U2的正极同时连接电容C2的正极、三极管V3的集电极和二极管D3的阴极，三极管V3的发射极连接三极管V4的集电极，二极管D3的阳极连接二极管D4的阴极，电源U2的负极同时连接电容C2的负极、三极管V4的发射极、二极管D4的阳极和电源U1的负极，负载R的一端同时连接三极管V1的发射极和二极管D1的阳极，负载R的另一端同时连接三极管V3的发射极和二极管D3的阳极；双靶形成负载R，负载R两端的电压即双靶之间的电压。双极性高功率脉冲电源的每一个周期循环中，脉冲在正负脉冲之间变换。正负脉冲的切换时间可设置和调整，目的是纠正带电粒子在正脉冲区间的放电完毕后形成的惯性，确保等离子体在正脉冲和负脉冲阶段具有大致相同的成分。其原理是基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)整流控制的单相全桥逆变电路，由四个桥臂，两个半桥电路构成。如图1所示，三极管V1、V4组成一对桥臂，三极管V2、V3组成另一对桥臂，V1、V2基极加有一对相反的控制脉冲，V3、V4基极的控制脉冲相位也相反，V3基极的控制脉冲相位落后V1基极的控制脉冲相位θ角(0°<θ<180°)，图2中uG1至uG4分别为三极管V1至V4基极的控制脉冲，u0和i0分别为负载的电压和电流。放电溅射过程中双靶即为负载为R，每一个周期，脉冲在正负脉冲之间变换，脉冲波形、电压电流波形等电信号特征保持一致。基于单直流电源控制的双极性脉冲电源的周期放电中，正负脉冲电压值相同，多见于中频溅射及孪生靶溅射，可有效提高薄膜沉积效率，抑制靶材中毒。但对于异质靶材而言，靶材放电特性的差异导致在同一电压参数下，无法保证双靶同时进行稳定放电溅射，难以控制薄膜中各组分的含量，不适于进行掺杂类薄膜的制备。因此在双极性脉冲电源电路控制基础上进行改进，引入双直流电源分别控制正负脉冲电压的方式，提出“双直流-脉冲电源”供电系统，实现放电过程中双靶放电状态分别可控的目的。如图3所示，在V1和V3桥路之间断开连接，在V3和V4桥路端接入另一直流电源，这样使原本由单直流电源控制变为双直流电源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置，其特征在于，包括电容C1、电容C2、三极管V1至V4、二极管D1至D4、电源U1、电源U2和负载R；电源U1的正极同时连接电容C1的正极、三极管V1的集电极和二极管D1的阴极，三极管V1的发射极连接三极管V2的集电极，二极管D1的阳极连接二极管D2的阴极，电源U1的负极同时连接电容C1的负极、三极管V2的发射极和二极管D2的阳极，电源U2的正极同时连接电容C2的正极、三极管V3的集电极和二极管D3的阴极，三极管V3的发射极连接三极管V4的集电极，二极管D3的阳极连接二极管D4的阴极，电源U2的负极同时连接电容C2的负极、三极管V4的发射极、二极管D4的阳极和电源U1的负极，负载R的一端同时连接三极管V1的发射极和二极管D1的阳极，负载R的另一端同时连接三极管V3的发射极和二极管D3的阳极；双靶形成负载R，负载R两端的电压即双靶之间的电压。

【技术特征摘要】
1.基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置，其特征在于，包括电容C1、电容C2、三极管V1至V4、二极管D1至D4、电源U1、电源U2和负载R；电源U1的正极同时连接电容C1的正极、三极管V1的集电极和二极管D1的阴极，三极管V1的发射极连接三极管V2的集电极，二极管D1的阳极连接二极管D2的阴极，电源U1的负极同时连接电容C1的负极、三极管V2的发射极和二极管D2的阳极，电源U2的正极同时连接电容C2的正极、三极管V3的集电极和二极管D3的阴极，三极管V3的发射极连接三极管V4的集电极，二极管D3的阳极连接二极管D4的阴极，电源U2的负极同时连接电容C2的负极、三极管V4的发射极、二极管D4的阳极和电源U1的负极，负载R的一端同时连接三极管V1的发射极和二极管D1的阳极，负载R的另一端同时连接三极管V3的发射极和二极管D3的阳极；双靶形成负载R，负载R两端的电压即双靶之间的电压。2.根据权利要求1所述的基于异质双靶高功率脉冲磁控溅射制备掺杂类薄膜的装置，其特征在于，放电过程中分两个阶段：三极管V1和三极管V4导通，三极管V2和三极管V3关断，负载R两端的电压由电源U1控制；三极管V2和三极管V3导通，三极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浪平，王淏，王小峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23