双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备制造技术

本实用新型专利技术为一种双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备。利用甚低能量的离子在靶材上的动能转换，将靶材原子搬迁出来并在附近的衬底上生长单原子纳米膜或微米膜。同时利用另一离子束在淀积前对靶材或衬底材料进行原位轰击，实现表面材料的原子级清洗；或者轰击正在淀积的薄膜，原位改善薄膜的机械特性和电特性。这种以纳米尺寸的逐原子层淀积的薄膜，实现了不同薄膜层间的原子键合，使得膜层具有了粘附性牢、均匀性和致密性好、极小内应力的优点，大大地提高了薄膜的性能。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种利用离子束轰击靶材淀积薄膜的设备，尤其涉及一种利用双离子束共溅射淀积原子层(ALD)纳米薄膜设备。
技术介绍
离子束溅射镀膜技术为科学研究与生产提供了薄膜涂覆的新工艺、新技术，为高温合金导体薄膜、磁性薄膜器件、薄膜集成电路、薄膜传感器、光学薄膜、金属异质结构的薄膜制备、材料改性中的薄膜制备等广泛的应用提供了新的技术手段。随着离子束镀膜技术应用领域的不断扩展和延伸，对离子束溅射淀积薄膜设备的要求越来越高。然而现在这类设备，仍以单一功能的离子束溅射镀膜机为主，它们仍存在以下不足具备辅助淀积功能的同时不具备共溅射功能，或者具备共溅射功能的同时又不具备辅助淀积功能，或者机器的工作参数与成膜的工艺参数不能分别独立调整，无法单原子层淀积纳米薄膜。这样，这类设备淀积的薄膜存在均匀性不好、膜质疏松、针孔缺陷多、粘附性能差、内应力大、无法生产纳米量级薄膜等缺陷，难以满足制备高性能薄膜的要求。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备。利用甚低能量的离子在靶材上的动能转换，将靶材原子搬迁出来并在附近的衬底上(即工件表面)淀积该原子的材料薄膜。控制双离子束轰击能量，使其在非PVD状态的原子间发生弹性碰撞，在衬底上生长单原子薄膜(纳米膜或微米膜)。同时利用另一离子束在淀积前对靶材或衬底材料进行原位轰击，实现表面材料的原子级清洗；或者轰击正在淀积的薄膜，原位改善薄膜的机械特性和电特性。这种以纳米尺寸的逐原子层淀积的薄膜，实现了不同薄膜层间的原子键合，使得膜层具有了粘附性牢、均匀性和致密性好、极小内应力的优点，极大地提高了薄膜的性能。同时由于采用双离子束共溅射，大大提高了薄膜淀积的产能。为了实现上述目的，本技术的技术方案是一种双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备，由真空室、主离子源、辅助离子源、淀积靶、旋转工件台、电子中和器、挡板、复合真空系统和机架等组成，其特征在于所述真空室是卧式或立式圆筒形，安装于机架上方，并与机架下方的复合真空系统相连接；所述主离子源有两个，对称放置于真空室中心垂直轴线两边与真空室水平轴线成34°～38°夹角的斜面上，且主离子源中心轴线与真空室水平轴线成52°～56°夹角；所述淀积靶有两个，对称分布于主离子源中心轴线与真空室水平轴线相交处；所述旋转工件台位于两个淀积靶中心连线的垂直平分线的上方，旋转工件台的下方安装有可通过位于真空室外的手柄调节的挡板；所述辅助离子源安装在真空室的后方正中下部，其中心轴线与真空室中心垂直轴线成40°夹角；所述电子中和器有三个，其中两个位于两个主离子源的下方，另一个位于辅助离子源的上方。所述的二个主离子源能产生聚焦、发散或者平行的离子束，主离子源的放电室可以直接水冷。所述的辅助离子源能产生平行或发散离子束。所述的二个淀积靶是直接水冷的，每个靶有四个至六个工位，每工位可装一种靶材。所述的旋转工件台能行星旋转或/和绕轴旋转。所述的挡板是一个圆形平面，与工件台面平行且能前后或左右灵活平移。所述的电子中和器是一个能加热钨丝发射电子的装置。本技术具有如下特点1、原位反应淀积包括金属、电介质、多元化合物等不同的八种至十二种材料的单层、多层薄膜。2、实现淀积材料与衬底材料之间和多种薄膜之间的原子键合，极大的提高了膜的粘附性。3、利用辅助离子源发射甚低能量的离子束，轰击正在淀积的薄膜，原位改善薄膜的机械特性和电特性。4、在淀积之前，利用辅助离子源对靶材、衬底材料进行原位离子束轰击，得到逐原子层的剥离清洗，获得材料新鲜的原子层，实现表面材料的原子级清洗。5、共淀积不同单质材料，得到可控组分比的多元化合物，不需特别组分比的化合物靶材。6、与一般的等离子溅射相比，本机工作时，衬底处于高真空的低温环境中，避免了在高温等离子体恶劣环境中淀积薄膜，薄膜质量大大提高。7、与一般的等离子溅射相比，本机工作时，机器的工作参数与成膜的工艺参数可以分别独立调整，互不影响，可以选择多种工艺参数淀积薄膜，扩大应用范围。8、提供不同淀积材料粒子的动态混合淀积薄膜的新工艺新技术，用于开发新型薄膜材料的研究。例如电介质材料与金属氧化物材料动态混合淀积薄膜等。由于本技术利用双离子束共淀积薄膜，以及利用辅助离子束对靶材或衬底材料进行原位离子束清洗，或者原位改善薄膜的机械特性和电特性。这样制备的薄膜膜质优良，除用于制造优良的薄膜传感器之外，还可用于薄膜集成电路、高温超导薄膜、磁性薄膜、光电子器件薄膜、微电子器件薄膜、光学薄膜等优质薄膜的制备，同时还提供了新型薄膜材料淀积的新工艺、新技术。附图说明以下结合附图对本技术进一步说明。图1为本技术实施例的整体示意图。图2为本技术实施例的右视图。具体实施方式如图1、2所示一种双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备，由真空室1，主离子源2、3，辅助离子源4，淀积靶5、6，旋转工件台7，电子中和器8、9、10，复合真空系统11，机架12，挡板13、辅助送气接口14、15，手柄16组成。其中，真空室1是卧式或立式圆筒形真空室，安装于机架12上方，并与机架12下方的复合真空系统11的入口相连接，由复合真空系统11对其抽真空。所述主离子源2、3对称放置于真空室1中心垂直轴线两边与真空室1水平轴线成34°～38°夹角的斜面上，且主离子源2、3中心轴线与真空室1水平轴线成52°～56°夹角。主离子源2、3能通过离子光学系统单独或同时产生束流密度较大的聚焦离子束、发散离子束或者束流密度较小的平行离子束，同时对工件进行共淀积，这样能改善薄膜的均匀性、致密性，加快淀积速度，提高生产效益。主离子源2、3的放电室直接接入水冷系统进行冷却。所述淀积靶5、6对称分布于主离子源2、3中心轴线与真空室1水平轴线相交处，该处为面对着主离子源2、3的中心靶面位置。淀积靶2、3是直接接入水冷系统的，可以用流动的水流直接对其进行冷却。淀积靶2、3均设置四个至六个工位，每工位可装一种靶材，因此，可以对不同的八种至十二种材料进行同时淀积，得到多元化合物薄膜。所述旋转工件台7位于两个淀积靶2、3中心连线的垂直平分线的上方，旋转工件台7能行星旋转或/和绕轴旋转，以获得±2％～±5％的膜厚均匀性。旋转工件台7的下方安装有可通过位于真空室1外的手柄16调节的挡板13，它是一个圆形平面，与旋转工件台13平行，能前后或左右灵活移动，当对真空室1内的靶材进行清洁时，调节手柄16使挡板13遮挡旋转工件台7上的工件表面，使其免受污染。所述辅助离子源4安装在真空室1的后方正中下部，其中心轴线与真空室1中心垂直轴线成40°夹角。在淀积之前，利用辅助离子源4产生平行离子束或发散离子束，对安装于旋转工件台7上的工件表面进行原位离子束轰击，得到逐原子层的剥离清洗，获得工件表面材料新鲜的原子层，实现表面材料的原子级清洗；利用主离子源2、3产生的离子束可以在淀积前对安装于淀积靶2、3上的靶材进行轰击，以实现靶材表面的原子级清洗。通过上述方法的清洗，对生产优质薄膜非常有好处。同时还可利用辅助离子源4发射甚低能量的离子束，轰击正在淀积的薄膜，能原位改善薄膜的粘附性、内应力等机械特性和电特性。所述电子中和器8、9、10是一种能加热钨丝发射电子的装置。其中电子中和器8位于主离子源2的下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双离子束共溅射淀积原子层纳米薄膜设备，由真空室、主离子源、辅助离子源、淀积靶、旋转工件台、电子中和器、挡板、复合真空系统和机架组成，其特征在于：所述真空室是卧式或立式圆筒形，安装于机架上方，并与机架下方的复合真空系统相连接；所述主离子源有两个，对称放置于真空室中心垂直轴线两边与真空室水平轴线成３４°～３８°夹角的斜面上，且主离子源中心轴线与真空室水平轴线成５２°～５６°夹角；所述淀积靶有两个，对称分布于主离子源中心轴线与真空室水平轴线相交处；所述旋转工件台位于两个淀积靶中心连线的垂直平分线的上方，旋转工件台的下方安装有可通过位于真空室外的手柄调节的挡板；所述辅助离子源安装在真空室的后方正中下部，其中心轴线与真空室中心垂直轴线成４０°夹角；所述电子中和器有三个，其中两个位于两个主离子源的下方，另一个位于辅助离子源的上方。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷卫武，
申请(专利权)人：雷卫武，
类型：实用新型
国别省市：43[中国|湖南]