本發(fā)明屬于氮化物、碳化物及氧化物薄膜/涂層制備技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

脈沖激光沉積技術(shù)(Pulsed Laser Deposition，PLD)是目前制備鐵電、半導(dǎo)體、電解質(zhì)及金剛石等薄膜的重要技術(shù)之一。該技術(shù)具有可以制備成分復(fù)雜、熔點(diǎn)高及硬度大的薄膜等優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光沉積技術(shù)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(shù)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(jìn)而影響制備薄膜的性能。雖然用控制系統(tǒng)移動(dòng)靶材或基片、控制激光斑點(diǎn)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(fù)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(dǎo)致羽輝偏向入射激光的方向，嚴(yán)重影響薄膜厚度以及成分的均勻性。

技術(shù)實(shí)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(shù)制備出的薄膜均勻性較差的問題。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shè)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(cè)的一面上設(shè)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(shè)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(jìn)一步電離并均勻分布至所述靶材表面。

在一種可選的實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)方式中，所述襯底承載架還通過旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)裝置連接，以使所述旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)所述偏置電極轉(zhuǎn)動(dòng)。

在另一種可選的實(shí)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(jìn)行控制。

在另一種可選的實(shí)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(cè)上設(shè)置有所述靶材，在所述靶座內(nèi)埋設(shè)有相對于所述靶材對稱設(shè)置的至少一對磁極，該對磁極的極性相反且磁場強(qiáng)度不同。

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

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

根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(shè)置的靶材上，以在所述靶材上產(chǎn)生燒蝕等離子體，在設(shè)置于所述靶材兩側(cè)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(jìn)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(shí)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(yīng)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(yīng)氣體和工作氣體進(jìn)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(shè)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(jìn)一步等離子體化并均勻擴(kuò)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(dǎo)致等離子體在靶材表面的分布嚴(yán)重不均勻的問題，進(jìn)而可以保證擴(kuò)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(shè)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(jìn)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(dòng)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(jié)合強(qiáng)度；

4、本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中由旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)襯底承載架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)襯底承載架上襯底旋轉(zhuǎn)，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(jìn)行控制，可以對薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制；

6、本發(fā)明通過在一對磁極的兩側(cè)設(shè)置一對導(dǎo)磁板，并使該對導(dǎo)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(shè)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(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)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(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)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(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)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(gè)實(shí)施例流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實(shí)施例的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例中技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)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(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)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(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)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(shè)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(cè)的一面上設(shè)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(shè)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(shè)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(jìn)一步等離子體化并均勻擴(kuò)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(dǎo)致等離子體在靶材表面的分布嚴(yán)重不均勻的問題，進(jìn)而可以保證擴(kuò)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(shí)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(dǎo)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(cè)的一面上設(shè)置有靶材15，在所述靶座10內(nèi)埋設(shè)有相對于所述靶材15對稱設(shè)置的至少一對磁極16，該對磁極16的極性相反且磁場強(qiáng)度不同，例如左側(cè)磁極的極性為N-S，右側(cè)磁極的極性為S-N，左側(cè)磁極的磁場強(qiáng)度大于右側(cè)磁極的磁場強(qiáng)度。在圖2所示的非平衡磁極輔助靶4中導(dǎo)磁板14成對設(shè)置，成對設(shè)置的導(dǎo)磁板14分設(shè)于至少一對磁極16的兩側(cè)，且相對于靶材15對稱設(shè)置。本發(fā)明通過在一對磁極的兩側(cè)設(shè)置一對導(dǎo)磁板，并使該對導(dǎo)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(shè)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(jìn)水口11和出水口12分別與冷卻機(jī)連接。本發(fā)明通過在靶座內(nèi)設(shè)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(dòng)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(jié)合強(qiáng)度。襯底承載架6還可以通過旋轉(zhuǎn)軸7與旋轉(zhuǎn)裝置連接，以使旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)所述襯底承載架6轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明通過在薄膜沉積過程中由旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)襯底承載架旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)襯底承載架上襯底旋轉(zhuǎn)，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(jìn)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(jìn)行控制，可以對薄膜的沉積特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

本實(shí)施例中，以存在兩個(gè)等離子體發(fā)生器5，其中一個(gè)等離子體發(fā)生器對反應(yīng)氣體(如氧氣、氮?dú)饣蚱渌麣怏w)進(jìn)行等離子體化，另一個(gè)等離子體發(fā)生器對工作氣體(如Ar氬氣)進(jìn)行等離子體化為例。在沉積薄膜過程中，可以首先啟動(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)襯底表面的清洗。接著，向另一個(gè)等離子體發(fā)生器5中注入反應(yīng)氣體，此時(shí)兩個(gè)等離子體發(fā)生器5可以分別對工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化。由于兩個(gè)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(yīng)等離子體都可以被輸送到真空室1中。需要注意的是：當(dāng)沉積薄膜需要兩種以上反應(yīng)氣體時(shí)，可以對應(yīng)增設(shè)等離子體發(fā)生器。

其中，等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其可以包括設(shè)置在等離子體發(fā)生器腔內(nèi)的水冷管117、進(jìn)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(dǎo)氣管104，其中水冷管117的入水口109可以與冷卻機(jī)(圖中未示出)的出水口連通，其出水口108可以與冷卻機(jī)(圖中未示出)的入水口連通；進(jìn)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(jìn)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(cè)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(dǎo)氣管104連通。等離子體發(fā)生器105開始工作時(shí)，可以首先打開射頻電源106，此時(shí)金屬管電極112和線圈電極114通電，然后通過進(jìn)氣管111向等離子體發(fā)生器腔體內(nèi)注入對應(yīng)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(jìn)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(dǎo)氣管104輸送到真空室100內(nèi)。在沉積結(jié)束后，可以打開冷卻機(jī)，以使冷卻機(jī)通過水冷管117對等離子體發(fā)生器進(jìn)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(gè)實(shí)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(shè)置的靶材表面，以在所述靶材上產(chǎn)生燒蝕等離子體，在設(shè)置于所述靶材兩側(cè)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(jìn)一步電離并均勻分布至所述靶材表面。

本實(shí)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(shè)置的靶材表面之前，該方法還可以包括以下準(zhǔn)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(cè)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(jìn)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(jìn)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(shè)置的靶材表面之后，該方法還可以包括：開啟旋轉(zhuǎn)裝置，使旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)襯底承載架以3-10轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。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(yīng)氣體和工作氣體，以使該等離子體發(fā)生器分別對反應(yīng)氣體和工作氣體進(jìn)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(dòng)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(shí)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(dòng)轟擊沉積至襯底上。

由上述實(shí)施例可見，本發(fā)明通過設(shè)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(jìn)一步等離子體化并均勻擴(kuò)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(dǎo)致等離子體在靶材表面的分布嚴(yán)重不均勻的問題，進(jìn)而可以保證擴(kuò)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(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)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(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)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(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)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(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。