[发明专利]制备非晶及纳米微晶薄膜的基片低温冷却装置

说明书

技术领域

本发明涉及磁控溅射非晶态及纳米微晶态各种功能薄膜的制备装置，特别是一种制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷却装置。

背景技术

磁控溅射技术是一种被广泛采用的薄膜制备手段，其特点在于其制备的膜层附着力好且膜层厚度易于控制，但是由于在溅射过程中靶材溅射成分原子(或分子)带有很高的定向动能(一般10ev-50ev)轰向基片，同时在溅射过程中溅射气氛处于等离子体状态，来自于阴极靶位附近电离区的电子，在阴一阳极之间的电场加速作用下轰向基片，产生轫致辐射，这两种作用都会使基片产生升温效应，特别是当溅射功率增大时，该两种造成基片升温的效应均同步增大，进而基片升温效应非常显著，而基片温度是影响薄膜结构的最重要因素，当基片温度增大时，溅射成分在基片表面的迁移一扩散能力增强，促使薄膜结构呈现晶化颗粒度加大的趋势。在用磁控溅射方法制备非晶态或纳米微晶态薄膜时，目前国内外通行采用的方法是通过溅射参数的调节，诸如：小功率/小成膜率溅射，加大溅射气氛压强，增大靶基距等手段使成膜时尽量降低基片的热升温效应，以此来获得非晶态或纳米微晶态的薄膜结构。

由此可知，磁控溅射制备非晶态或纳米微晶态结构薄膜时，对溅射参数的选择非常苟刻，即使制备出非晶态或纳米微晶态薄膜，由于其溅射功率的选则要相对很低，使得膜层制备时间大大增加，而且由于设备溅射参数的不确定度的影响，这也加大了非晶态或纳米微晶态薄膜的制备难度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种提供制备非晶及纳米微晶薄膜的基片低温冷却装置，该装置在高功率/高成膜率下，通过控制液氮在冷却腔内的流动快慢，实现了基片溅射过程中的低温状态及该低温状态可控可调，大大缩短了非晶及纳米微晶薄膜的制备时间，保证了非晶态及纳米微晶态薄膜结构上的高度可靠性。

本发明的技术解决方案是：制备非晶态及纳米微晶态薄膜的基片低温冷却装置，其特点在于：由基片冷却腔、基片冷却腔液氮注入管、数字化气体流量控制器、液氮瓶口密封橡胶塞装置、液氮瓶氮气注入管、数字化气体流量控制器、流量显示仪、高压氮气瓶组成，基片冷却腔作为溅射室的一部分位于靶位的正上方，基片冷却腔与液氮瓶由基片冷却腔液氮注入管连接，液氮瓶内液氮注入管端口直通罐底部，数字化气体流量控制器的输出端与液氮瓶由液氮瓶氮气注入管连接，液氮瓶氮气注入管在液氮瓶内的端口位于液氮液面上方。数字化气体流量控制器的输入端与高压氮气瓶的压力表由高压氮气瓶氮气导出管连接。流量显示仪与数字化气体流量控制器连接用以控制、调节压入液氮瓶内的氮气流量。当不进行溅射成膜时，即装置处于静态工作状态时，高压氮气瓶的总开关及氮气瓶压力表的开关均处于关闭状态。在溅射成膜时即动态工作过程中，高压氮气瓶的总开关及氮气瓶压力表的开关均处于开启状态，接通流量控制显示仪的电源并将数字化气体流量控制器的状态置于阀控状态(开启)，通过调节由液氮瓶口密封橡胶塞装置密封的液氮瓶的氮气注入流量，以此来改变液氮瓶内氮气对液氮液面的压力，进而液氮在这一压力作用下沿冷却腔液氮注入管流入基片不锈钢冷却腔，这样就可有效将溅射过程中基片的热升温效应产生的热量通过液氮吸热气化，从冷却腔的排出口带走。

本发明的原理是：由于磁控溅射过程中靶材溅射成分(原子或分子)对基片有数量级为10ev-50ev的定向动能轰击，也由于位于阴极电离区的电子在阴-阳极之间电场加速的作用下对基片的轫致辐射效应，使得成膜过程中基片会产生升温效应，特别是在高功率/高成膜率下，上述两种升温效应均同步增大，致使基片升温过大，膜结构向呈现晶化程度增大趋势发展，使得难于快速有效地制备非晶态或纳米微晶态薄膜。采用本发明，由于液氮有极低的温度(零下196摄氏度)，它在基片冷却腔内的流动可非常有效地将基片升温效应产生的热量通过基片冷却腔排出口带出，使溅射过程中基片始终处于一个恒定低温状态，有效抑制了溅射原子(或分子)在基片上的表面扩散及体扩散能力，大大增加了膜层的成核率，致使薄膜结构呈现非晶或低颗粒度的纳米微晶结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明在制备非晶态及纳米微晶态薄膜的制备过程中，克服了常温溅射下，对参数诸如小功率/小成膜率、大压强、大靶基距等的必要要求。在高功率/高成膜率下，通过控制液氮在冷却腔内的流动快慢，实现了基片溅射过程中的低温状态及该低温状态可控可调，进而实现非晶态及纳米微晶态薄膜的制备，大大缩短了非晶及纳米微晶薄膜的制备时间，并保证了非晶态及纳米微晶态薄膜结构上的高度可靠性。

附图说明