CN104112640A - 一种磁控溅射设备及磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射设备及磁控溅射方法，其包括反应腔室、溅射电源和驱动源，在反应腔室内的顶部设置有靶材，溅射电源与靶材电连接，用以在磁控溅射过程中向靶材输出溅射功率；在反应腔室内，且位于靶材的下方设置有基座，用以承载被加工工件；驱动源用于驱动基座上升或下降；而且，磁控溅射设备还包括控制单元，控制单元用于在磁控溅射的过程中控制驱动源驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变。本发明提供的磁控溅射设备，其通过借助控制单元在磁控溅射的过程中控制驱动源驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，可以实现使靶材与基座的间距始终保持在最优值，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率。

Description

一种磁控溅射设备及磁控溅射方法

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种磁控溅射设备及磁控溅射方法。

背景技术

在微电子产品行业，磁控溅射技术是生产集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED等产品的重要手段之一，在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。近年来，市场对高质量产品日益增长的需求，促使企业对磁控溅射设备进行不断地改进。

图1为现有的磁控溅射设备的结构示意图。如图1所示，磁控溅射设备包括反应腔室10、磁控管14和溅射电源15。其中，在反应腔室10的顶部设置有靶材11，溅射电源15与靶材11电连接，在磁控溅射过程中，溅射电源15向靶材11输出溅射功率，以使在反应腔室10内形成的等离子体刻蚀靶材11；磁控管14设置在靶材11的上方，用以在磁控溅射的过程中提高等离子体中的粒子轰击靶材的效率；而且，在反应腔室10的内部，且位于靶材11的下方设置有基座12，用以承载基片13，并且在基座12的底部设置有升降驱动16，用以驱动基座12上升或下降，从而使基片13的上表面与靶材11的下表面之间的间距H(以下简称靶基间距)达到最优值。所谓靶基间距的最优值，是指获得理想的薄膜均匀性、沉积速率等的工艺结果所对应的靶基间距。

然而，由于靶材11的厚度会在磁控溅射的过程中逐渐减小，直至完全耗尽，导致靶基间距会随靶材11的厚度的减小而发生改变，这使得在磁控溅射过程中靶基间距的实时值与靶基间距的最优值(靶材使用初期时设定的靶基间距)之间存在偏差，例如，若靶材11的厚度范围在5～15mm，则靶基间距的实时值与靶基间距的最优值之间的最大偏差的范围在5～15mm，从而给薄膜均匀性等工艺结果带来了不良影响，而且这种不良影响针对短程的磁控溅射设备(通常靶基间距在50mm左右)尤为明显。另外，如图2所示，为靶基间距与沉积速率的对应关系图。由图可知，在靶基间距自55mm增加至61mm的过程中，沉积速率自下降至由此可知，在磁控溅射过程中，靶基间距的改变还会导致沉积速率降低，从而降低了工艺的稳定性和重复性。

为此，人们通常根据靶基间距的改变量调整沉积时间，即，在磁控溅射的过程中，通过延长沉积时间来克服沉积速率变慢的问题。但这又会存在下述问题，即：由于需要根据靶基间距的实时改变量而不断地调整沉积时间，这不仅增加了操作人员编写工艺参数的难度，而且根本未解决靶基间距的改变对薄膜均匀性造成的不良影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种磁控溅射设备及磁控溅射方法，其在磁控溅射过程中可以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率。

为实现本发明的目的而提供一种磁控溅射设备，其包括反应腔室、溅射电源和驱动源，在所述反应腔室内的顶部设置有靶材，所述溅射电源与所述靶材电连接，用以在磁控溅射过程中向所述靶材输出溅射功率；在所述反应腔室内，且位于所述靶材的下方设置有基座，用以承载被加工工件；所述驱动源用于驱动所述基座上升或下降；而且，所述磁控溅射设备还包括控制单元，所述控制单元用于在磁控溅射的过程中控制所述驱动源驱动所述基座上升，以使所述靶材与基座的间距始终保持预定值不变。

其中，所述控制单元包括计时模块、存储模块和控制模块，其中，所述计时模块用于计时刻蚀时间；所述存储模块用于存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；所述控制模块用于从所述计时模块读取刻蚀时间，且从所述存储模块中读取与所述刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并控制所述驱动源驱动所述基座上升与所述靶材刻蚀深度值相等的位移值。

其中，所述靶材刻蚀深度值采用如下公式获得：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}},$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材的质量；m为与所述刻蚀时长相对应的靶材的剩余质量；ρ为靶材的密度；S为靶材下表面的面积。

其中，所述刻蚀时长采用如下公式获得：

$T=\frac{W}{P},$

其中，T为刻蚀时长；W为所述溅射电源输出的功；P为所述溅射电源输出的溅射功率。

其中，所述驱动源包括伺服电机或步进电机。

其中，所述控制单元包括上位机或PLC。

其中，所述溅射电源包括直流电源、中频电源或射频电源。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种磁控溅射方法，其包括以下步骤：

驱动基座上升或下降，以将靶材与基座的间距调整至预定值；

向靶材输出溅射功率，以开始进行磁控溅射；

驱动基座上升，以使靶材与基座的间距在磁控溅射过程中始终保持预定值不变。

其中，在驱动基座上升的步骤中，还包括以下步骤：

预先存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；

计时刻蚀时间；

读取刻蚀时间，以及与所述刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并驱动所述基座上升与所述靶材刻蚀深度值相等的位移值。

其中，所述靶材刻蚀深度值采用如下公式获得：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}},$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材的质量；m为与所述刻蚀时长相对应的靶材的剩余质量；ρ为靶材的密度；S为靶材下表面的面积。

其中，所述刻蚀时长采用如下公式获得：

$T=\frac{W}{P},$

其中，T为刻蚀时长；W为预定输出的功；P为溅射功率。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控溅射设备，其通过借助控制单元在磁控溅射的过程中控制驱动源驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，可以实现在磁控溅射的过程中使靶材与基座的间距始终保持在最优值，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。

本发明提供的磁控溅射方法，其通过驱动基座上升，以使靶材与基座的间距在磁控溅射过程中始终保持预定值不变，可以实现在磁控溅射的过程中使靶材与基座的间距始终保持在最优值，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。

附图说明

图1为现有的磁控溅射设备的结构示意图；

图2为靶基间距与沉积速率的对应关系图；

图3为本发明提供的磁控溅射设备的结构示意图；

图4为本发明提供的磁控溅射设备的原理框图；以及

图5为本发明提供的磁控溅射方法的流程框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的磁控溅射设备及磁控溅射方法进行详细描述。

图3为本发明提供的磁控溅射设备的结构示意图。图4为本发明提供的磁控溅射设备的原理框图。请一并参阅图3和图4，磁控溅射设备包括反应腔室20、溅射电源25、驱动源27和控制单元26。其中，在反应腔室20的顶部设置有靶材21，溅射电源25与靶材21电连接，在磁控溅射过程中，溅射电源25向靶材21输出溅射功率，以使在反应腔室20内形成的等离子体刻蚀靶材21，溅射电源25可以包括直流电源、中频电源或射频电源；磁控管24设置在靶材21的上方，用以在磁控溅射的过程中提高等离子体中的粒子轰击靶材的效率；而且，在反应腔室20的内部，且位于靶材21的下方设置有基座22，用以承载被加工工件23；驱动源27用于驱动基座22上升或下降，其可以采用诸如伺服电机或步进电机等的驱动装置；控制单元26用于在磁控溅射的过程中控制驱动源27驱动基座22上升，以使靶材21与基座22的间距H始终保持预定值不变，该预定值可以根据具体需要设定为可获得理想的薄膜均匀性、沉积速率等的工艺结果的最优值，因此，通过借助控制单元26在磁控溅射的过程中控制驱动源驱动基座上升，以使靶基间距始终保持最优值不变，可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。

在本实施例中，控制单元26可以采用上位机或PLC等，且包括计时模块261、存储模块262和控制模块263。其中，计时模块261用于计时刻蚀时间，所谓刻蚀时间，是指刻蚀靶材21的时间；存储模块262用于存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；控制模块263用于从计时模块261读取刻蚀时间，且从存储模块262中读取与刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并控制驱动源27驱动基座22上升与靶材刻蚀深度值相等的位移值。

在本实施例中，上述刻蚀时长可以分别采用下述公式获得，即：

$T=\frac{W}{P}$

其中，T为刻蚀时长；W为溅射电源25输出的功；P为溅射电源25输出的溅射功率。

而且，靶材刻蚀深度值可以采用如下公式获得，即：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}}$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材21的质量；m为与刻蚀时长相对应的靶材21的剩余质量；ρ为靶材21的密度；S为靶材21的下表面的面积。

在实际应用中，可以通过磁控溅射实验获得刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系，具体可以包括以下步骤：

步骤1，设定已知参数。根据工艺需要设定溅射电源25输出的溅射功率P，并记录刻蚀前靶材21的质量M、靶材21的密度ρ以及靶材21的下表面的面积S。

步骤2，设定刻蚀时长，即，设定采样靶材刻蚀深度值的时间间隔。在本实施例中，刻蚀时长是通过预先设定每个时间间隔内溅射电源25输出的功而获得的，具体地，设定采样次数n，以及第i次采样溅射电源25输出的功W_i，其中，i，i＝1，2，...，n；而后，根据上述公式计算出第i次采样刻蚀时长T_i。

步骤3，开始进行磁控溅射工艺；并且，在经过第i次采样刻蚀时长T_i，即，溅射电源25输出了功W_i之后，中止磁控溅射工艺并打开反应腔室20，且对此时靶材21的剩余质量m_i进行测量，然后，利用上述公式计算出第i次采样靶材刻蚀深度值d_i。

步骤4，建立分别以刻蚀时长和靶材刻蚀深度值为坐标的坐标系，并对第i次采样刻蚀时长T_i和第i次采样靶材刻蚀深度值d_i进行描点，从而获得表示刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系的趋势曲线。

需要说明的是，在实际应用中，可以借助上位机采用手动输入的方式设定并记录相应的参数，上位机将这些参数传输至存储模块262和控制模块263，以进行相应的存储和计算。容易理解，仅需进行一次上述实验即可获得刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系，并将其存储在存储模块262中。

还需要说明的是，在本实施例中，刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系是通过上述磁控溅射实验获得的，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他任意方式获得刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系。

而且，刻蚀时长也并不局限于本实施例中通过预先设定每个时间间隔内溅射电源25输出的功而获得，在实际应用中，还可以根据具体需要直接设定刻蚀时长。此外，靶材刻蚀深度值也并不局限于本实施例中通过测量靶材21的剩余质量而获得，还可以通过测量靶材的剩余厚度等的方式而获得。

进一步需要说明的是，本实施例提供的磁控溅射设备可以借助控制单元采用向驱动源发送脉冲指令等方式来实现在磁控溅射过程中自动控制驱动源驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，但是，在每次开始进行磁控溅射工艺之前，需要手动或借助上位机等控制设备自动控制驱动源驱动基座上升或下降至初始位置，该初始位置即为靶材与基座的间距的预定值。而且，若靶材是经过刻蚀后的旧靶材，则需要首先测量出该旧靶材的刻蚀深度值，再调节基座的初始位置，以更精确地设定靶材与基座的间距。此外，在每次更换靶材时，需要重新设定溅射电源输出的功，以使溅射电源输出的功与刻蚀时长相对应。

综上所述，本实施例提供的磁控溅射设备，其通过借助控制单元在磁控溅射的过程中控制驱动源驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，可以实现在磁控溅射的过程中使靶材与基座的间距始终保持在最优值，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。

作为另一个技术方案，图5为本发明提供的磁控溅射方法的流程框图。请参阅图5，本实施例提供的磁控溅射方法，其包括以下步骤：

驱动基座上升或下降，以将靶材与基座的间距调整至预定值；

向靶材输出溅射功率，以开始进行磁控溅射；

驱动基座上升，以使靶材与基座的间距在磁控溅射过程中始终保持预定值不变。

在本实施例中，在驱动基座上升的步骤中，还包括以下步骤：

预先存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；

计时刻蚀时间；

读取刻蚀时间，以及与刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并驱动基座上升与靶材刻蚀深度值相等的距离值。

在本实施例中，上述刻蚀时长可以分别采用下述公式获得，即：

$T=\frac{W}{P}$

其中，T为刻蚀时长；W为溅射电源25输出的功；P为溅射电源25输出的溅射功率。

而且，靶材刻蚀深度值可以采用如下公式获得，即：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}}$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材21的质量；m为与刻蚀时长相对应的靶材21的剩余质量；ρ为靶材21的密度；S为靶材21的下表面的面积。

在实际应用中，可以通过磁控溅射实验获得刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系，该磁控溅射实验的具体步骤在上述实施例中已有了详细地描述，在此不再赘述。而且，在实际应用中，还可以采用其他任意方式获得刻蚀时长、靶材刻蚀深度值以及刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系。

需要说明的是，本实施例提供的磁控溅射方法可以实现在磁控溅射的过程中自动驱动基座上升，以使靶材与基座的间距始终保持预定值不变，但是，在每次开始进行磁控溅射工艺之前，需要手动或自动驱动基座上升或下降至初始位置，该初始位置即为靶材与基座的间距的预定值。而且，若靶材是经过刻蚀后的旧靶材，则需要首先测量出该旧靶材的刻蚀深度值，再调节基座的初始位置，以更精确地设定靶材与基座的间距。此外，在每次更换靶材时，需要重新设定向靶材输出的功，以使向靶材输出的功与刻蚀时长相对应。

本实施例提供的磁控溅射方法，其通过驱动基座上升，以使靶材与基座的间距在磁控溅射过程中始终保持预定值不变，可以实现在磁控溅射的过程中使靶材与基座的间距始终保持在最优值，从而可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁控溅射设备，其包括反应腔室、溅射电源和驱动源，在所述反应腔室内的顶部设置有靶材，所述溅射电源与所述靶材电连接，用以在磁控溅射过程中向所述靶材输出溅射功率；在所述反应腔室内，且位于所述靶材的下方设置有基座，用以承载被加工工件；所述驱动源用于驱动所述基座上升或下降；其特征在于，

所述磁控溅射设备还包括控制单元，所述控制单元用于在磁控溅射的过程中控制所述驱动源驱动所述基座上升，以使所述靶材与基座的间距始终保持预定值不变。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述控制单元包括计时模块、存储模块和控制模块，其中

所述计时模块用于计时刻蚀时间；

所述存储模块用于存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；

所述控制模块用于从所述计时模块读取刻蚀时间，且从所述存储模块中读取与所述刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并控制所述驱动源驱动所述基座上升与所述靶材刻蚀深度值相等的位移值。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材刻蚀深度值采用如下公式获得：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}},$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材的质量；m为与所述刻蚀时长相对应的靶材的剩余质量；ρ为靶材的密度；S为靶材下表面的面积。

4.根据权利要求2或3所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述刻蚀时长采用如下公式获得：

$T=\frac{W}{P},$

其中，T为刻蚀时长；W为所述溅射电源输出的功；P为所述溅射电源输出的溅射功率。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述驱动源包括伺服电机或步进电机。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述控制单元包括上位机或PLC。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述溅射电源包括直流电源、中频电源或射频电源。

8.一种磁控溅射方法，其特征在于，包括以下步骤：

驱动基座上升或下降，以将靶材与基座的间距调整至预定值；

向靶材输出溅射功率，以开始进行磁控溅射；

驱动基座上升，以使靶材与基座的间距在磁控溅射过程中始终保持预定值不变。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射方法，其特征在于，在驱动基座上升的步骤中，还包括以下步骤：

预先存储刻蚀时长与靶材刻蚀深度值的对应关系；

计时刻蚀时间；

读取刻蚀时间，以及与所述刻蚀时间相等的刻蚀时长所对应的靶材刻蚀深度值，并驱动所述基座上升与所述靶材刻蚀深度值相等的位移值。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述靶材刻蚀深度值采用如下公式获得：

$d=\frac{M-m}{\mathrm{\ρS}},$

其中，d为靶材刻蚀深度值；M为刻蚀前靶材的质量；m为与所述刻蚀时长相对应的靶材的剩余质量；ρ为靶材的密度；S为靶材下表面的面积。

10.根据权利要求8所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述刻蚀时长采用如下公式获得：

$T=\frac{W}{P},$

其中，T为刻蚀时长；W为预定输出的功；P为溅射功率。