本實(shí)用新型涉及一種ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置。

背景技術(shù)：

全球的環(huán)境污染與生態(tài)破壞使人們對(duì)全新無(wú)污染的清潔生產(chǎn)給予極大關(guān)注。光催化技術(shù)是一種新興、高效、節(jié)能的現(xiàn)代綠色環(huán)保技術(shù)，光催化技術(shù)是指當(dāng)能量大于光催化劑禁帶寬度的光照射其表面時(shí)，價(jià)帶上的電子躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子，價(jià)帶上則形成光生空穴?？昭ㄅc電子具有氧化還原性，可以將污染物分解為無(wú)毒或毒性較低的物質(zhì)。在眾多的光催化劑中，TiO₂薄膜以其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、高折射率、高介電常數(shù)和高的光催化活性、安全無(wú)毒、無(wú)副作用、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而在光學(xué)薄膜、光催化降解有機(jī)物、太陽(yáng)能電池及防霧自清潔等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前TiO₂薄膜的制備方法主要有：溶膠凝膠法和射頻磁控濺射法。溶膠凝膠法容易在薄膜中引入羥基，OH^?與Er³⁺的強(qiáng)耦合導(dǎo)致了非輻射弛豫。磁控濺射的工作原理是指電子在電場(chǎng)的作用下，在飛向基片過程中與氣體原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出正離子和新的電子，新的電子飛向基片，正離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，其優(yōu)點(diǎn)在于靶材背面的永磁鐵可以產(chǎn)生一個(gè)平行于靶表面的橫向磁場(chǎng)，這樣在陰極靶表面存在一個(gè)正交的電磁場(chǎng)，濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)獲得加速，成為高能電子并在正交的電磁場(chǎng)中作回旋運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中高能電子不斷與氣體原子發(fā)生碰撞電離，而自身不斷失去能量成為低能電子。最終沿著磁力線飄移到陽(yáng)極被吸收。正是由于電子的回旋運(yùn)動(dòng)，大大延長(zhǎng)了電子到達(dá)陽(yáng)極的路徑，使得碰撞電離幾率大大增加，轟擊靶材的正離子的密度因而也大大提高。

磁控濺射根據(jù)靶材磁場(chǎng)位形分布不同，大致可分為平衡式和非平衡式磁控濺射。平衡式磁控濺射是磁控陰極靶的內(nèi)外磁極磁通量大致相等，兩極磁力線閉合于靶面，將電子、等離子體很好的約束在靶面附近，增加電子與惰性氣體的碰撞幾率，提高了離化效率，在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，靶材利用率相對(duì)較高，但由于電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)主要閉合于靶面，基片區(qū)域所受離子轟擊較小。非平衡式磁控濺射是讓磁控陰極靶的外磁極磁通大于內(nèi)磁極，兩極磁力線在靶面不完全閉合，部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區(qū)域，從而部分電子可以沿著磁力線擴(kuò)展到基片，增加基片區(qū)域的等離子體密度和氣體電離率。

傳統(tǒng)的磁控濺射放電能量耦合方式大多屬于CCP（電容耦合等離子體），但是這種方式很難對(duì)等離子體密度和入射到基片臺(tái)的離子能量進(jìn)行單獨(dú)控制。如果等離子體密度較低、刻蝕速率就比較低，阻礙了產(chǎn)量的提高。由于在較寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)（1-40Pa）易獲得高密度、大面積的等離子體，近年來ICP（電感耦合等離子體）被廣泛應(yīng)用于等離子體加工工藝中。ICP（電感耦合等離子體）是通過將射頻電源加在一個(gè)非共振線圈上，線圈再通過絕緣介質(zhì)將射頻能量耦合至等離子體中，其是在主要靶材的表面，固定、粘貼或鑲嵌其它材料薄片,作為輔助靶構(gòu)成復(fù)合靶,實(shí)現(xiàn)摻雜，但是它只能通過改變輔助靶與主要靶的相對(duì)面積來改變沉積薄膜的組分，工藝復(fù)雜，且薄膜致密度低、均勻性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且通過該裝置制備的薄膜純度高、質(zhì)量好。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置，包括真空室、設(shè)于所述真空室頂部的三個(gè)濺射靶、設(shè)于所述真空室內(nèi)的ICP線圈和基片臺(tái)以及與所述真空室相連通的泵機(jī)組，三個(gè)所述濺射靶的直徑均為60mm，三個(gè)所述濺射靶的軸線與水平面之間的夾角均為20°-50°，三個(gè)所述濺射靶沿周向均勻間隔分布，三個(gè)所述濺射靶均聚焦于所述基片臺(tái)的中心，三個(gè)所述濺射靶分別與第一射頻電源、第二射頻電源、第三射頻電源相連接，所述ICP線圈設(shè)于所述濺射靶與所述基片臺(tái)之間，所述ICP線圈連接有第四射頻電源，所述基片臺(tái)連接有直流穩(wěn)壓電源。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括三個(gè)所述濺射靶與所述第一射頻電源、第二射頻電源、第三射頻電源之間分別連接有第一匹配器、第二匹配器、第三匹配器，所述ICP線圈與所述第四射頻電源之間連接有第四匹配器。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括所述ICP線圈的直徑為180mm，所述ICP線圈中心與所述濺射靶之間的距離為40mm。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括所述基片臺(tái)采用不銹鋼材質(zhì)制成，所述基片臺(tái)的直徑為150mm，所述基片臺(tái)中心與所述濺射靶中心之間的距離為80mm。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括所述真空室側(cè)壁上安裝有朗繆爾探針，所述朗繆爾探針連接有第一控制器。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括所述基片臺(tái)上放置有減速場(chǎng)能量分析儀探頭，所述減速場(chǎng)能量分析儀探頭連接有第二控制器。

本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置進(jìn)一步包括所述ICP線圈外套有絕緣陶瓷包覆層。

本實(shí)用新型具有以下有益效果：

（1）擁有三個(gè)濺射靶，可根據(jù)所需要制備的薄膜材料選擇不同的靶材，包括各種金屬、半導(dǎo)體、絕緣氧化物、陶瓷、聚合物等物質(zhì),可使用兩個(gè)以上的由不同材料制備的陰極靶同時(shí)進(jìn)行濺射，通過調(diào)節(jié)不同陰極靶上濺射放電電流來改變薄膜的組分，對(duì)三個(gè)獨(dú)立的磁控濺射靶分別施加不同頻率的射頻功率源，增加濺射速率，提高成膜結(jié)構(gòu)特性，并可根據(jù)需求選擇不同數(shù)量的濺射靶來進(jìn)行工作，最多可以達(dá)到三靶共濺射的條件，三個(gè)濺射靶靶位中心聚焦于基片臺(tái)中心，實(shí)現(xiàn)了共聚焦磁控濺射，可獲得均勻、較大面積的薄膜。

（2）基片臺(tái)上方設(shè)置ICP線圈，大幅度提高了離化率和等離子體密度，能有效調(diào)節(jié)等離子體電子能量分布，提高等離子體通量，增加等離子體均勻性。

（3）利用直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)基片臺(tái)偏壓，優(yōu)化離子能量分布，增強(qiáng)了靶材逸出原子的動(dòng)能，加快了濺射速率，提高了薄膜的純度和膜層的附著力。

（4）配有多個(gè)等離子體診斷窗口，為朗繆爾探針、減速場(chǎng)能量分析儀探頭、發(fā)射光譜儀等診斷手段提供便利，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體性質(zhì)，研究不同等離子體參數(shù)對(duì)成膜質(zhì)量的影響。

（5）通過本裝置制備出的薄膜致密、均勻性好。

（6）通過本裝置制備出的薄膜的純度高、質(zhì)量很好。

（7）通過本裝置制備薄膜時(shí)易于調(diào)節(jié)參數(shù)使薄膜的禁帶寬度減小，提高可見光響應(yīng)，從而能夠拓寬光譜吸收范圍。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的第一濺射靶、第二濺射靶和第三濺射靶安裝在真空室的弧形蓋板上的俯視圖；

圖3是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的ICP線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是采用本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的裝置制備出的薄膜的SEM樣品表面形貌圖；

圖5是采用本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的裝置制備出的薄膜的SEM樣品截面圖；

圖6是采用本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例的裝置制備出的薄膜的XPS Ti2p能譜圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說明本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實(shí)用新型有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1、圖2所示，一種ICP增強(qiáng)多靶磁控濺射裝置，包括真空室2、設(shè)于真空室2頂部的三個(gè)濺射靶、設(shè)于真空室2內(nèi)的ICP線圈4和基片臺(tái)6以及與真空室2相連通的泵機(jī)組8，三個(gè)濺射靶的直徑均為60mm，三個(gè)濺射靶的軸線與水平面之間的夾角均為20°-50°，三個(gè)濺射靶沿周向均勻間隔分布，三個(gè)濺射靶均聚焦于基片臺(tái)6的中心，實(shí)現(xiàn)了共聚焦磁控濺射，三個(gè)濺射靶分別與第一射頻電源10、第二射頻電源12、第三射頻電源14相連接，ICP線圈4設(shè)于濺射靶與基片臺(tái)6之間，ICP線圈4連接有第四射頻電源16，基片臺(tái)6連接有直流穩(wěn)壓電源18。本實(shí)用新型可根據(jù)所需要制備的薄膜材料選擇不同數(shù)量的濺射靶和在不同濺射靶上安裝不同的靶材，靶材包括各種金屬、半導(dǎo)體、絕緣氧化物、陶瓷、聚合物等物質(zhì)，選擇廣泛，本實(shí)用新型可以進(jìn)行至多三個(gè)靶的共濺射方式，通過調(diào)節(jié)不同濺射靶上濺射放電電流，來改變所需沉積薄膜的組分，可沉積所需組分的化合物、混合物等薄膜，調(diào)節(jié)方便，適用范圍廣，在濺射時(shí)，除了通入氬氣作為工作氣體，還可在放電氣氛中加入氮?dú)?、氧氣或其他活性氣體以形成靶材物質(zhì)與氣體分子的化合物薄膜。

本實(shí)用新型優(yōu)選真空室2包括底端封閉、上端開口的不銹鋼筒體20、與不銹鋼筒體20固定的弧形蓋板22，三個(gè)濺射靶均安裝在弧形蓋板22上。進(jìn)一步優(yōu)選不銹鋼筒體20的直徑為460mm、高度為260mm，弧形蓋板的直徑為460mm、高度為200mm。不銹鋼筒體20和弧形蓋板22上開有多個(gè)法蘭窗口（圖中未示出），供濺射靶連接和用作各種診斷窗口。

本實(shí)用新型優(yōu)選三個(gè)濺射靶分別為第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28，第一濺射靶24與第一射頻電源10之間連接有第一匹配器30，第二濺射靶26與第二射頻電源12之間連接有第二匹配器32，第三濺射靶28與第三射頻電源14之間連接有第三匹配器34，ICP線圈4與第四射頻電源16之間連接有第四匹配器36。由于放電過程中的電極和等離子體具有感抗，射頻電源也存在一個(gè)50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，導(dǎo)致了射頻電源和負(fù)載之間的不匹配，本實(shí)用新型通過給每個(gè)射頻電源都連接了相應(yīng)頻率的匹配器，在放電時(shí)可以隨時(shí)調(diào)節(jié)第一匹配器30、第二匹配器32、第三匹配器34、第四匹配器36來穩(wěn)定放電，使得第一射頻電源10、第二射頻電源12、第三射頻電源14、第四射頻電源16輸出的功率能分別有效地傳輸?shù)降谝粸R射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28、ICP線圈4上，使第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28、ICP線圈4盡可能的獲得最大功率。優(yōu)選第一射頻電源10為13.56MHz射頻電源，第二射頻電源12為60 MHz射頻電源，第三射頻電源14為13.56MHz射頻電源，當(dāng)然還可以根據(jù)具體需求來選擇加在第一射頻電源10、第二射頻電源12和第三射頻電源14上的功率。

ICP線圈4在射頻電流的驅(qū)動(dòng)下，激發(fā)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生回旋電場(chǎng)，電子在回旋電場(chǎng)的加速下作回旋運(yùn)動(dòng)，與氣體分子碰撞將其電離。由于電子的回旋運(yùn)動(dòng)增加了與氣體分子的碰撞，增大了等離子體的密度。增大的等離子體密度還能增大到達(dá)基片正離子的電流密度，大量吸附粒子同時(shí)在基片表面擴(kuò)散更容易重新成核，從而提高薄膜的致密度。本實(shí)用新型優(yōu)選ICP線圈4采用單匝線圈，ICP線圈4的直徑為180mm，ICP線圈4中心與第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28之間的距離均為40mm。如圖3所示，進(jìn)一步優(yōu)選在ICP線圈4外套有絕緣陶瓷包覆層38，能有效抑制等離子體中的電子通過ICP線圈4向接地端流動(dòng)。

基片臺(tái)6采用不銹鋼材質(zhì)制成，基片臺(tái)6的直徑為150mm，基片臺(tái)6中心與第一濺射靶24、第二濺射靶26、第三濺射靶28之間的距離均為80mm?；_(tái)6通過直流穩(wěn)壓電源18加直流偏壓，實(shí)現(xiàn)-600V-600V，這樣可以方便地控制離子的能量和運(yùn)動(dòng)方向，有效提高了薄膜的純度和膜層的附著力，適應(yīng)不同需求的鍍膜條件。

本實(shí)用新型優(yōu)選泵機(jī)組8為機(jī)械泵和渦輪分子泵的組合，先用機(jī)械泵將真空室2預(yù)抽至10-20Pa，再用渦輪分子泵繼續(xù)將真空抽至5×10^-4Pa，這個(gè)真空度稱為本底真空。

濺射過程中產(chǎn)生的等離子體存在許多工藝上的可變量，比如等離子體溫度、等離子體密度、離子能量、各種離子與激發(fā)基團(tuán)等，這些因素影響著等離子體與材料的相互作用、決定著所要沉積薄膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，而這些因素又取決于產(chǎn)生等離子體的條件，比如氣壓、電源頻率、功率、氣體流量等。因此對(duì)放電過程中的等離子體進(jìn)行診斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過程的控制十分重要。本實(shí)用新型優(yōu)選真空室2側(cè)壁上安裝有朗繆爾探針40，朗繆爾探針40連接有第一控制器42，第一控制器42與第一電子計(jì)算機(jī)44相連來控制和記錄數(shù)據(jù)，基片臺(tái)6上放置有減速場(chǎng)能量分析儀探頭46，減速場(chǎng)能量分析儀探頭46連接有第二控制器48，第二控制器48與第二電子計(jì)算機(jī)50相連來控制和記錄數(shù)據(jù)，還包括發(fā)射光譜儀52，發(fā)射光譜儀與第二電機(jī)計(jì)算機(jī)50相連。朗繆爾探針40可以診斷電子密度溫度、等離子體電位、電子能量分布等參數(shù)；減速場(chǎng)能量分析儀探頭46可以診斷基片臺(tái)6表面離子能量分布、離子通量、懸浮電位等參數(shù)；發(fā)射光譜儀52可以診斷等離子體光譜，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體性質(zhì)，建立薄膜結(jié)構(gòu)、性能與等離子體特性之間的關(guān)聯(lián)。

使用本裝置制備TiO₂薄膜的方法，包括以下步驟：

（1）在第一濺射靶24上安裝直徑為60mm、純度為99.99%的TiO₂靶材，在第二濺射靶26上安裝直徑為60mm、純度為99.99%的Er₂O₃靶材，對(duì)1cm×1cm的Si基片用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水依次進(jìn)行超聲波清洗5分鐘，清洗過的基片放置于基片臺(tái)6上；

（2）采用組合的機(jī)械泵和渦輪分子泵將真空室2真空抽至5.5×10^-4Pa，然后將氬氣充入真空室2中，保持氬氣的流量為30sccm，調(diào)節(jié)真空室2的壓力為1Pa；

（3）在第一濺射靶24上施加13.56MHz射頻電源，固定射頻功率為200W；在第二濺射靶26上施加60MHz射頻電源，射頻功率為50W；在ICP線圈4上施加13.56MHz射頻電源，固定射頻功率為300W；開啟直流穩(wěn)壓電源18；

（4）在濺射的過程中，利用朗繆爾探針40、減速場(chǎng)能量分析儀探頭46和發(fā)射光譜儀52進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過一個(gè)半小時(shí)的濺射，關(guān)閉射頻電源和直流穩(wěn)壓電源18，結(jié)束鍍膜。

圖4是在第一濺射靶24上施加施加射頻功率200W、第二濺射靶26上施加射頻功率50W、ICP線圈4上施加射頻功率300W條件下樣品的SEM表面形貌圖。由圖可見，所制備的薄膜表面致密均勻，無(wú)孔洞。

圖5是在第一濺射靶24上施加施加射頻功率200W、第二濺射靶26上施加射頻功率50W、ICP線圈4上施加射頻功率300W條件下樣品的SEM截面圖。由圖可知，薄膜的厚度為596nm，薄膜的沉積速率為6.8nm/min。

采用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)各樣品的表面進(jìn)行了元素分析，圖6是第一濺射靶24上功率200W、第二濺射靶26上功率50W、ICP線圈4上功率300W條件下Ti2p的高分辨譜圖，可以看出Ti2p主要由Ti的2p_3/2和2p_1/2峰構(gòu)成，結(jié)合能分別為458.6ev和464.9ev。這表明Ti元素是以TiO₂的Ti⁴⁺形式存在的，說明本實(shí)用新型制備的薄膜主要由TiO₂構(gòu)成，薄膜的純度高、質(zhì)量很好。

以上依據(jù)本實(shí)用新型的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)人員完全可以在不偏離本項(xiàng)實(shí)用新型技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)實(shí)用新型的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定技術(shù)性范圍。