CN103147055A

CN103147055A - 一种直列多靶磁控溅射镀膜装置

Info

Publication number: CN103147055A
Application number: CN2013100678301A
Authority: CN
Inventors: 杜晓松; 林庆浩; 邱栋; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-06-12

Abstract

一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，涉及溅射镀膜技术领域。系采用长宽比大于3的矩形溅射靶，在箱式真空室中，将3个以上的矩形溅射靶平行共轴排成一列，所有靶的宽度方向都平行于真空室的长边，靶间距小于矩形靶宽度的2倍。矩形溅射靶上方设置有直线运动结构，基片架和基片加热器固定于直线运动机构之上，并在步进电机的驱动下沿真空室的长边作直线往复运动，直线往复运动的起始点、终止点和运动速度由一个控制器进行编程设置，从而实现单层、多层、周期性重复结构薄膜的制备。该多靶磁控溅射台具有真空室尺寸和靶的尺寸都较小，而所制备的薄膜的均匀面积较大的特点，并且还兼有抽气速度快、镀膜效率高等其他优点。

Description

一种直列多靶磁控溅射镀膜装置

技术领域

本发明涉及溅射镀膜技术领域，具体涉及一种多靶磁控溅射镀膜装置。

背景技术

磁控溅射技术广泛用于制备各种光学、电子、机械等薄膜，在实际应用中，所需制备的薄膜往往是多层的、甚至是周期性排列的（如：超晶格薄膜）、需要在不破坏真空的条件下一次完成。因此，多靶溅射系统应运而生，它通过在真空室内以一定的方式放置多个靶，配以工件盘的适当运动，能够实现多个靶位的依次溅射甚至是共溅射。但是，在同一个真空室内安装多个靶，也不可避免地增大了真空室的容积，需要采用更大口径的真空泵，设备的成本大大增加。

现有的多靶溅射台绝大多数采用圆形真空室和旋转基片架的几何配置，靶通常为2～4个，且多为平面圆形靶，按结构可分为以下几类：

1）行星运动式：多个圆形靶均匀分布在真空室底板上方的同一个圆周上，1～6个圆形基片在该圆周的上方（也可有一定的偏心距）进行行星运动（即公-自转同步运动），参见文献Multilayer optical coating fabrication by dc magnetron reactive sputtering,SPIE,678:134,1986。

2）公-自转分步运动式：靶和基片的几何布局与行星运动式相同，只是基片架的公转运动和自转运动是分开的，即开始仅仅进行公转，以使得基片转位而对准某个溅射靶，其后的溅射过程基片仅仅进行自转。

3）基片固定自转式：基片安装于底板中心的正上方，基片仅进行自转而不公转。多个圆形溅射靶安装于真空室的底板或侧壁上，呈一定的倾斜角而使得靶对准基片。此种结构的最大特点是方便进行多靶共溅射。参见文献：多靶直流磁控共溅射系统的研制，真空电子技术，1997，No.2:29。

4）侧壁-圆筒基片架公转式：多个圆形或矩形靶位于圆形真空室的侧壁上，真空室内有一圆筒形的基片架，圆筒旋转通过溅射靶而使得其上的基片沉积上相应的薄膜。参见文献：Multilayer growth in the APS rotary deposition system，SPIE,6705，2007。由四个靶对称布局所构成的非平衡磁控溅射台也多采用这种结构，参见文献：High-rate deposition of optical coatingsby closed-field magnetron sputtering，SPIE，5963，2005。

5）侧壁-圆柱基片架行星运动式：多个矩形靶位于圆形真空室的侧壁上，多个柱状的基片架在真空室内作行星运动，与侧壁-圆筒基片架公转式相比，可以安放更多的基片。参见文献：Dependence of microstructure and hardness of TiAlN/VN hard coatings on the type of substraterotation,Vacuum,86：699-702,2007。

以上多靶磁控溅射镀膜装置存在着如下不足：

1）磁控溅射靶的形状多为平面圆形，不利于提高薄膜的均匀性和获得大面积的均匀薄膜。

对于任何一台磁控溅射镀膜设备而言，薄膜均匀性都是一个重要的共性指标。虽然可以通过增大靶的面积来获得更加均匀的薄膜，但这是以增加靶材成本甚至设备成本为代价，花费太大。

平面磁控溅射靶的形状主要有圆形和矩形两种。由于圆形靶所溅出的原子在空间中呈同心圆分布，中心和边缘处的差异很大。对于与靶同样大小的基片而言，常规的溅射技术所制备的薄膜在基片中心和边缘处的膜厚差异可达30-40%。

而矩形靶具有两条直边形的溅射跑道，因此溅出原子在空间呈条状分布，即直边所对应的空间区域的溅出原子的分布非常接近。因此，只需将基片平行于矩形靶放置并使得基片沿靶的短边方向直线扫过靶面，即可获得大面积的均匀薄膜。薄膜均匀的宽度略小于矩形靶的直边，而长度方向不受靶的尺寸限制。所以，对于同等面积的圆形靶和矩形靶，由于矩形靶的直边长度远大于圆形靶的直径，因此可获得更大的薄膜均匀性。

2）上述多靶溅射镀膜装置的第4、5种，基片架为圆筒形或圆柱形，尽管可以安放很多个小基片，镀膜的效率很高，但无法满足大基片镀膜的需要。

3）上述多靶溅射镀膜装置的第1、4、5种，基片架上都可以安装多个基片，生产效率高，都是为达成量产而进行的工业镀膜机的设计。但在科学实验时，往往只需在一个基片上镀膜，这样无论是行星式还是转筒式的基片架，基片在公转一周的时间里，只有一次机会能镀上薄膜，镀膜效率很低。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种新型多靶溅射镀膜装置，以不同于现有多靶溅射镀膜装置的真空室结构及基片运动方式，使得在一个尽量小的真空室内可以安装多个溅射靶，以实现大面积的薄膜均匀性，提高镀膜的效率，并同时具有真空室容积小、抽气速度快的特点。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，如图1、2所示，包括1个真空室，真空室内设置有n个矩形溅射靶3、1个基片架、1个基片加热器、1个直线运动机构，真空室外具有1个步进电机；其特征在于，所述真空室为箱式真空室，n个矩形溅射靶相互平行并共轴排成一列，靶间距小于矩形靶宽度的2倍，所有矩形溅射靶的宽度方向都平行于真空室的长边；矩形溅射靶上方设置有一个直线运动结构，基片架和基片加热器固定于直线运动机构之上，并在步进电机的驱动下能够沿真空室的长边作直线往复运动，直线往复运动的起始点、终止点和运动速度由一个控制器进行编程设置，其最大行程覆盖了所有矩形溅射靶。

上述直列多靶磁控溅射镀膜装置中，所述矩形溅射靶的个数n≥3。

上述直列多靶磁控溅射镀膜装置中，所述矩形溅射靶的长度大于等于矩形靶的宽度的3倍。

上述直列多靶磁控溅射镀膜装置中，所述n个矩形溅射靶的磁控溅射电源为直流电源、射频电源、中频电源或脉冲电源，或是以上几种电源的任意组合。

上述直列多靶磁控溅射镀膜装置中，所述直线运动机构为丝杠式或皮带式或链条式。

本发明提供的直列多靶磁控溅射镀膜装置的主要特点是多个矩形溅射靶沿其短边方向平行排列成一条直线，而让基片架在该直线上方来回往复运动，以实现多个靶的依次溅射或交替溅射，从而完成单层膜、多层膜、甚至周期性重复结构薄膜的制备。该种结构的直列多靶磁控溅射镀膜装置，不仅可以获得大面积的均匀薄膜，而且通过压缩靶间距，能有效减少真空室的容积。特别是当采用5个以上的溅射靶直联，以及矩形溅射靶的长宽比较大（如大于6）时，该种直列多靶溅射镀膜装置所具有的小真空室容积和大薄膜均匀性的特点就更为突出。

附图说明

图1为本发明的直列多靶磁控溅射镀膜装置结构示意图（俯视）。

图2为本发明的直列多靶磁控溅射镀膜装置结构示意图（侧视）。

图1、2中：1为抽气口；2为光杆；3为矩形溅射靶；4为丝杠；5为溅射气体进气口；6为基片架；7为基片；8为步进电机；9为基片加热器；10为挡板。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

图1为本发明的直列多靶磁控溅射镀膜装置的俯视图，图2是其侧视图。真空室为长方形，长550mm，宽280mm，高320mm，为箱式结构，整个前面板为一个整门（图中未画出）。真空室中装了三个180mm×50mm的矩形溅射靶，中间一个是射频靶，而左右两侧是直流靶。三个靶水平安装在真空室底板上并相互平行排列，三个靶的短边都平行于真空室的长边，靶间距为80mm。三个矩形靶两两之间分别具有一个挡板，每个挡板具有两个工位，分别挡住一侧的矩形靶而暴露另一侧的矩形靶，每个挡板独立可控。三个矩形靶的上部沿真空室长边方向水平安装有三个导轨，其中前后两根是光杆，基片架架在这两根光杆上而防止其跌落。中间一根是丝杠，由真空室外的步进电机驱动而旋转。基片架上有一对啮齿与丝杠啮合，步进电机的旋转带动基片架沿丝杠直线移动，步进电机可以正旋和反旋，驱动基片架沿真空室长边方向做直线往复运动。步进电机的旋转由PLC单片机（图中未画出）控制，使得基片架直线运动的速度在0～60mm/min内可调，PLC单片机可以设置直线运动的起点和折返点，使得基片架在这两点之间进行直线往复运动。往复运动的最大行程为430mm，横跨在三个矩形靶上。基片架以及其上的基片加热器为矩形，尺寸为110mm×110mm，可以安装的最大基片尺寸为100mm×100mm。基片的宽度（100mm）略小于矩形靶的长边（120mm），加上基片所采用的横切矩形靶的运动方式，可以保证整个基片的薄膜非均匀性优于±5%。

该直列多靶磁控溅射镀膜装置的最大特点是在一个尽量小的真空室中（550mm×280mm×320mm，相当于Φ440mm的圆形真空室），采用面积尽量小的靶（180mm×50mm，相当于Φ107mm圆形靶），实现了100mm×100mm大面积的薄膜均匀性。由于真空室较小，采用F-250型的分子泵作为主泵，可以在开高阀4小时后将真空抽到4×10^-4Pa。

而背景技术中所介绍的其他结构的多靶磁控溅射台难以实现该技术指标。如采用常规的圆形靶溅射技术，若需实现100mm×100mm矩形薄膜（相当于141mm的圆形薄膜）的膜厚均匀性达到±5%，靶的直径至少应在250mm以上（溅射环直径约为180mm），加上靶的基座，圆形真空室的直径大于600mm。靶的面积和真空室的容积（真空室的高度不变）分别增大了4.46倍和0.86倍。

再如采用圆形真空室和矩形靶相结合的配置（参见文献：潘磊，等，磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜，强激光与粒子束，2010,22:1535），安放180mm×50mm的三个矩形靶，真空室的直径至少应大于450mm，略大于本实施例的真空室容积。由于基片架采用了行星运动方式，尽管薄膜均匀性会比本实施例有所改进，但所制备的薄膜的面积要小一些（Φ100mm VS100mm×100mm）。而且该配置还存在着镀膜效率低的问题，基片在公转一周的时间里只有一次机会扫过靶面而镀上薄膜。以Φ450mm的真空室为例，基片公转的半径约为112.5mm，公转周长为707mm，而靶的宽度仅为50mm。所以，镀膜效率约为50/707=7%。而本发明的直列多靶磁控溅射镀膜装置可以使得基片在一个靶的两侧来回反复扫描，以本实施例100mm长的基片扫过50mm宽的矩形靶为例，镀膜效率为50/（100+50）=33.3%，提高了3.75倍。以上是镀制单层薄膜的情况，本发明的多靶溅射镀膜装置也可制备双层及以上的重复周期薄膜，如同潘磊等给出的文献一样。此时，圆形真空室和矩形溅射靶相结合的配置对于双层周期薄膜的镀膜效率为14%。而本实施例中，镀膜效率最低是利用两侧的两个金属靶镀制双层重复薄膜，由于中间夹有一个射频靶，基片运动的无效行程最长。但即使是这样，镀膜的效率也为2×50/（100+50×3+80×2）=24%。

Claims

1.一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，包括1个真空室，真空室内设置有n个矩形溅射靶3、1个基片架、1个基片加热器、1个直线运动机构，真空室外具有1个步进电机；其特征在于，所述真空室为箱式真空室，n个矩形溅射靶相互平行并共轴排成一列，靶间距小于矩形靶宽度的2倍，所有矩形溅射靶的宽度方向都平行于真空室的长边；矩形溅射靶上方设置有一个直线运动结构，基片架和基片加热器固定于直线运动机构之上，并在步进电机的驱动下能够沿真空室的长边作直线往复运动，直线往复运动的起始点、终止点和运动速度由一个控制器进行编程设置，其最大行程覆盖了所有矩形溅射靶。

2.根据权利要求1所述的一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述矩形溅射靶的个数n≥3。

3.根据权利要求1所述的一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述矩形靶的长度大于等于矩形靶的宽度的3倍。

4.根据权利要求1所述的一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述n个矩形溅射靶的磁控溅射电源为直流电源、射频电源、中频电源或脉冲电源，或是以上几种电源的任意组合。

5.根据权利要求1所述的一种直列多靶磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述直线运动机构为丝杠式、皮带式或链条式。