CN106222621A - 一种磁控溅射装置及磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁控溅射装置，包括磁力发生机构、至少一靶材与可旋转基底，该磁力发生机构平行于靶材设置，基底相对于靶材设置，所述磁力发生机构产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，使靶材表面形成有环形均匀分布的多个刻蚀区；本发明还涉及一种磁控溅射方法，包括如下步骤：提供靶材，并在靶材表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区；提供可旋转基底，该基底相对于靶材设置，以使基底旋转时经过靶材表面形成的每一条刻蚀区。

Description

一种磁控溅射装置及磁控溅射方法

【技术领域】

本发明涉及物理气相沉积技术领域，尤其涉及一种磁控溅射装置及磁控溅射方法。

【背景技术】

磁控溅射是物理气相沉积的一种，可用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料。磁控溅射通过在靶材阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度，进而实现较高的溅射率。磁控溅射镀膜工艺具有良好的工艺可控性，而且产品工艺可以保持长时间的稳定性，非常适合连续镀膜生产。然而目前常规装置无法精确控制大面积成膜时薄膜的厚度，因此靶材最大宽度有限，因而制备大面积薄膜时，薄膜厚度分布均匀性仍是亟待解决的问题。

【发明内容】

为克服现有磁控溅射制备薄膜均匀性的技术问题，本发明提供一种磁控溅射装置及磁控溅射方法。

本发明解决技术问题的技术方案是提供一种磁控溅射装置，包括磁力发生机构、至少一靶材与可旋转基底，该磁力发生机构平行于靶材设置，基底相对于靶材设置，所述磁力发生机构产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，使靶材表面形成有环形均匀分布的多个刻蚀区。

优选地，所述磁力发生机构包括多个永磁体。

优选地，所述多个永磁体成阵列或一行排布，平行于靶材设置，调节永磁体数目和分布密度，使靶材表面形成有环形均匀分布的多个刻蚀区。

优选地，磁控溅射装置还包括支撑机构，支撑机构分为多个靶材区，每个靶材区固定多个靶材，每个靶材中心到其所在靶材区中心距离相同。

优选地，磁控溅射装置还包括旋转机构、载物机构，所述载物机构连接可旋转基底，旋转机构两端连接所述靶材区中心及基底中心。

优选地，所述旋转机构与载物机构可同步移动至相应所述靶材区，并沿所述靶材区的中心旋转。

优选地，所述靶材宽度范围为小于等于550mm，基底的尺寸直径为400-1300mm。

本发明解决技术问题的技术方案还提供一种磁控溅射方法，包括如下步骤：提供靶材，并在靶材表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区；提供可旋转基底，该基底相对于靶材设置，以使基底旋转时经过靶材表面形成的每一条刻蚀区。

优选地，还包括控制基底的旋转速度小于等于30r/min。

优选地，还包括控制基底的旋转速度，使靶材沉积间隔时间小于10秒。

与现有技术相比，本发明一种磁控溅射装置具有以下优点：磁力发生机构产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，使靶材表面形成有环形分布的多个刻蚀区，使得相对靶材设置的基底在旋转时能经过每一个刻蚀区，避免不同刻蚀区磁场强度不同造成沉积速率不同，从而使基底上每一点的薄膜沉积速率一致，厚度相同，因此能够获得成膜均匀性高的薄膜。

同时设置较多的永磁体，成阵列或一行排布，平行与靶材设置，保证靶材表面形成多个刻蚀区，设置永磁体的数目较多，且分布密集，使得刻蚀区分布均匀规律，因而能够进一步解决大面积尺寸工件制备时成膜不均匀的问题。

支撑机构上设置多个靶材区，每个靶材区可以固定多个靶材，从而可以制备不同膜层交替叠加的薄膜。

设置每个靶材中心到其所在靶材区中心距离相同，并且旋转机构两端连接所述靶材区中心和基底中心，能保证基底旋转时经过靶材表面形成的每一个刻蚀区。

旋转机构与载物机构可沿各个靶材区中心移动，使得完成一个靶材区靶材溅射后，可以便捷移动到下一个靶材区继续进行溅射，避免停止磁控溅射装置运作，重新固定新靶材和基底等操作，能实现大批量的连续生产。

同时选择大尺寸的靶材和基底，可快速生产大面积薄膜，缩短了生产周期，有利于高效批量生产。

与现有技术相比，本发明一种磁控溅射方法具有以下优点：在靶材表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区，能使基在旋转时经过每一个刻蚀区，保证基底上每一点薄膜的沉积速率一致，保证成膜厚度的均匀性。

通过控制基底的旋转速率为小于等于30r/min，能保证相邻薄膜沉积间隔时间小于10s，也能使薄膜能有效沉积在基底上。

控制相邻薄膜沉积间隔时间能减小大面积薄膜制备时的界面作用，从而减小对薄膜的机械性能、力学性能及导电性能等影响。

【附图说明】

图1是本发明磁控溅射装置结构示意图，磁控溅射装置包括支撑机构、磁力发生机构、旋转机构，支撑机构划分为多个靶材区，磁力发生机构包括多个永磁体。

图2是图1所示各靶材区示意图。

图3是图1所示支撑机构固定的靶材，与靶材对应设置的基底的俯视图。

图4(a)是图1所示永磁体产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，靶材刚开始溅射时状态。

图4(b)是图1所示永磁体产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，靶材溅射过程中状态。

图5(a)是图1所示旋转机构连接在一个靶材区和一个基底时的结构示意图。

图5(b)是图1所示旋转机构移动到另一个靶材区和另一基底时的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明结合以下具体实施例进行阐述。

请参考图1，本发明磁控溅射装置1，包括支撑机构11、靶材12、磁力发生机构13、电源机构14、载物机构15、旋转机构16及基底151。支撑机构11上固定靶材12，支撑机构11收容磁力发生机构13。电源机构14设置在支撑机构11上，并与靶材12连接。载物机构15对应设置于支撑机构11下方，载物机构15上放置基底151。旋转机构16上端连接支撑机构11，下端连接载物机构15。磁力发生机构13平行于靶材设置，基底151相对于靶材12设置。以上所述各组件的上下方位描述，仅作说明，不对磁控溅射装置1组件位置连接设置限制。

支撑机构11用于支撑、收容、固定或承载组件，可选用支撑架、支撑板、支撑杆及支撑平台等，可以是方形、圆形或多边形。

请参考图2，支撑机构11划分为至少一个靶材区，本实施方式中，有五个靶材区，靶材区111、第一靶材区112、第二靶材区113、第三靶材区114、第四靶材区115彼此独立设置。在靶材区111可固定至少一个靶材12。当在靶材区111固定一个靶材12时，靶材中心121与靶材区中心1111重合。当在靶材区111固定两个靶材12时，靶材区中心1111在两个靶材中心121连线的中点处设置。当在靶材区111固定多个靶材12(大于两个靶材12)时，靶材区中心1111与以多个靶材中心121组成的多边形外接圆的圆心重合设置。因此当靶材区111固定一个靶材12时，靶材中心121到靶材区中心1111的距离为零。当固定两个或两个以上靶材12时，每个靶材中心121到靶材区中心1111的距离相同。

靶材12是所需溅射成膜的材料，可选用铜、银、铁及铝等金属、半导体或绝缘体任意一种或几种。靶材区111固定多个材料不同的靶材12时，可以沉积形成多种不同薄膜层交替叠加的薄膜。靶材区111固定的多个靶材12中少数个材料相同，且相邻设置时，可以沉积形成其中一种材料厚度较大的薄膜。靶材区111固定的多个靶材12，其中少数个材料相同，且不相邻设置时，可以沉积形成此种材料膜层较多的交替叠加的薄膜。

请参考图1及图3，磁力发生机构13是能够产生磁力线1315的机构或组件。磁力发生机构13包括多个永磁体131。设置多个永磁铁131的形状相同，其中永磁体131可以是长方体、立方体、圆柱体等形状。永磁体131成阵列排布或一行排布设置，且N、S极连续交替分布，并平行于靶材12设置。

请一并参考图4(a)及图4(b)，一个N极永磁体1311与一个S极永磁体1313形成一对永磁体131。在一对永磁体131产生的外部多条磁力线1315由N极发出，再回到S极，磁力线1315映射在靶材12表面。磁力线中线轴1317处磁场强度最大，靶材12表面首先在磁力线中线轴1317处出现溅射，形成刻蚀区123。永磁体131这样地排布设置能使靶材12表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区123。1米范围分布的刻蚀区123的数目为10-1000条。同一个刻蚀区123上薄膜的沉积速率一致。永磁体131对数越多，靶材12表面的刻蚀区123数目越多。

电源机构14至少包括一个电源。设置电源数目跟靶材12数目对应，一个电源连接一个靶材12。因此当固定两个靶材12时，设置两个电源，两个电源分别与两个靶材12连接。调节电源的功率来控制对应连接的靶材12的溅射速率。电源功率高，靶材12溅射速率大。

载物机构15用于承载待溅射的基底151，包括但不限于平台、托盘、碗状、船形或杯状的容器。

载物机构15划分为多个载物区(图未示)，每个载物区固定一个基底151，且每个载物区的中心与基底中心1511重合设置。载物机构15可旋转，基底151由载物机构15带动下可以在二维平面内顺时针或逆时针旋转。基底151是用于形成所需薄膜的衬底，可选用玻璃、陶瓷、硅片、金属及二氧化钛薄膜等。基底151的形状根据所需形成的薄膜形状而定，可以是圆形或方形等。

载物机构15连接传送装置(图未示)，传送装置用于传输基底151。具体为沉积完一个基底151后，将沉积有薄膜的基底151输送出磁控溅射装置1的真空腔(图未示)，并传送下一个待沉积基底151至载物机构15上。

请参考图5(a)，旋转机构16上端连接在待溅射靶材12所在靶材区中心1111，下端连接待薄膜沉积的基底中心1511a。请一并参考图5(b)，旋转机构16可以在支撑机构1的各个靶材区111间移动。

具体在完成一个靶材区111的薄膜沉积后，旋转机构16与载物机构15同步移动到第一靶材区112，旋转机构16下端移动至第一基底151b所在载物区，旋转机构16上端固定在第一靶材区中心1121处，下端固定于第一基底中心1511b，并相对于第一靶材区中心1121旋转，开始进行溅射。这样地设置能够避免靶材12溅射完成后，可以便捷移动到第一靶材区112继续进行溅射，避免停止磁控溅射装置1运作，重新固定靶材12，开启程序等操作，能连续制备薄膜。其中旋转机构16是否需要移动，以及其移动路径，是由相应操作人员根据基底151上所要沉积镀制薄膜的成分、厚度、种类及堆叠结构等来设置磁控溅射装置1相应的参数而确定的。

设置靶材区111固定一个靶材12时，靶材中心121与靶材区中心1111重合；设置靶材区111固定多于一个靶材12时，各靶材中心121到靶材区中心1111距离相同；同时旋转机构16上端连接靶材区中心1111，下端连接基底中心1511，这样地设置是为了在基底151旋转时，基底151上每一个点都经过靶材12上每一个刻蚀区123。保证了虽然不同刻蚀区123薄膜的沉积速率不同，但由于基底151上每一个点都经过了全部刻蚀区123，避免不同刻蚀区123磁场强度不同造成沉积速率不同，从而使基底151上每一点的薄膜沉积速率一致，厚度相同。因而能解决大尺寸工件制备时均匀性问题。设置较多对永磁体131，阵列排布或呈一行排布，使永磁体131分布密集，能使靶材12表面多个刻蚀区123分布均匀，进一步解决大尺寸工件生产时薄膜均匀性问题。

本发明实施例优选为支撑机构11上设置一个靶材区111。靶材区111内优选地固定两个靶材12，分别为铜和铝。对应地设置两个电源，分别连接铜和铝。载物机构15优选为设置一个载物区，载物区固定基底151优选为半圆形。

固定两个靶材12铜和铝，以及基底151a，设置电源机构14的功率，旋转基底151，启动程序，基底151上沉积形成交替叠层的铜/铝薄膜，传送装置输送已沉积铜/铝薄膜基底151a出真空腔，并传送下一个待沉积基底151b，然后将基底151b固定于载物机构上15，重复上述操作，获得大尺寸的薄膜。

采用所述磁控溅射装置1制备所述铜/铝薄膜的磁控溅射方法具体制备工艺流程包括步骤S1前处理、步骤S2设置条件及步骤S3膜的制备，其工艺具体实施步骤为：

步骤S1，前处理：将待沉积的两种元素单质铜和铝固定在靶材区111上，并分别连接两个电源。调节铜和铝的中间间隔，尽量减少两者的间隔，从而减少相邻薄膜沉积间隔时间。调节永磁体131的数量和分布密度，使固定有靶材12的靶材区111的区域，对应平行设置的永磁体131数量多，分布更加均匀。将半圆形的基底151进行清洗、干燥处理后，再固定在载物机构15合适位置上，基底151相对铜和铝平行设置，保证旋转机构16与基底中心1511重合，基底151在二维平面内以基底中心1511为圆心逆时针或顺时针圆周旋转。本发明实施例磁控溅射装置1的两个靶材12的间隔优选为小于等于40mm。靶材12的宽度在1m范围内，本发明实施例优选为小于等于550mm。基底151的直径范围为400-1300mm。选择大尺寸的靶材12和基底151，可快速生产大尺寸的薄膜，缩短了生产时间，有利于高效批量生产。

步骤S2，设置条件：对真空腔抽真空，抽至10^-5Pa，然后在持续抽真空的同时通入惰性气体，本实施例优选为氩气，使得内部气压保持在0.1-5Pa范围内。打开两个电源，调节电源至所需功率，设置基底151的转速为小于等于30r/min，本发明实施例优选为10-15r/min。

步骤S3，膜的制备：启动程序，旋转基底151，依次交替镀膜。具体过程为当基底151旋转时，完成铜沉积后，基底151旋转至铝的下方，会在铜薄膜层上面沉积铝薄膜层，形成依次交替沉积的叠层，得到铜/铝薄膜。在磁控溅射成膜过程中需要通过控制旋转速度来调节铜和铝的沉积厚度及间隔时间。旋转的速度越慢，沉积厚度越厚。旋转速度越快，沉积间隔时间越短。

设置两个靶材12的间隔减少，是为了减少磁控溅射成膜过程中，相邻薄膜间的界面作用。因为需要的铜/铝薄膜是两种依次叠层而成，不可避免的在两种材料间产生了界面，而此铜/铝薄膜必须要求很小的界面作用，来减少对铜/铝薄膜的机械性能、力学性能、导电性能等的影响。

通过提高基底151旋转速度，可进一步降低界面作用。但当速度大于30r/min时，大尺寸沉积成膜的效果不佳。这是由于旋转速度大于30r/min时，离心力较大，使沉积在基底151的铜原子或铝原子脱离，无法沉积成膜。因此需要控制基底15旋转速度小于等于30r/min。本发明实施例优选为10-15r/min。从而控制相邻薄膜的沉积间隔时间小于10秒，进而使界面作用在接受范围内，同时能避免铜原子或铝原子脱离因离心力过大而脱离，使得薄膜能有效沉积在基底151上。旋转基底151沉积至所需要的厚度，然后由传送装置输送出真空腔，再由传送装置传送下一片待沉积的基底151b至载物机构15上，并固定于载物机构15合适位置，重复上述操作获得大尺寸薄膜。

与现有技术相比，本发明一种磁控溅射装置具有以下优点：磁力发生机构产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，使靶材表面形成有环形分布的多个刻蚀区，使得相对靶材设置的基底在旋转时能经过每一个刻蚀区，避免不同刻蚀区磁场强度不同造成沉积速率不同，从而使基底上每一点的薄膜沉积速率一致，厚度相同，因此能够获得成膜均匀性高的薄膜。

同时设置较多的永磁体，成阵列或一行排布，平行与靶材设置，保证靶材表面形成多个刻蚀区，设置永磁体的数目较多，且分布密集，使得刻蚀区分布均匀规律，因而能够进一步解决大面积尺寸工件制备时成膜不均匀的问题。

支撑机构上设置多个靶材区，每个靶材区可以固定多个靶材，从而可以制备不同膜层交替叠加的薄膜。

设置每个靶材中心到其所在靶材区中心距离相同，并且旋转机构两端连接所述靶材区中心和基底中心，能保证基底旋转时经过靶材表面形成的每一个刻蚀区。

旋转机构与载物机构可沿各个靶材区中心移动，使得完成一个靶材区靶材溅射后，可以便捷移动到下一个靶材区继续进行溅射，避免停止磁控溅射装置运作，重新固定新靶材和基底等操作，能实现大批量的连续生产。

同时选择大尺寸的靶材和基底，可快速生产大面积薄膜，缩短了生产周期，有利于高效批量生产。

与现有技术相比，本发明一种磁控溅射方法具有以下优点：在靶材表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区，能使基在旋转时经过每一个刻蚀区，保证基底上每一点薄膜的沉积速率一致，保证成膜厚度的均匀性。

通过控制基底的旋转速率为小于等于30r/min，能保证相邻薄膜沉积间隔时间小于10s，也能使薄膜能有效沉积在基底上。

控制相邻薄膜沉积间隔时间能减小大面积薄膜制备时的界面作用，从而减小对薄膜的机械性能、力学性能及导电性能等影响。

以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于：包括磁力发生机构、至少一靶材与可旋转基底，该磁力发生机构平行于靶材设置，基底相对于靶材设置，所述磁力发生机构产生磁力线，磁力线映射到靶材表面，使靶材表面形成有环形均匀分布的多个刻蚀区。

2.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于：所述磁力发生机构包括多个永磁体。

3.如权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于：所述多个永磁体成阵列或一行排布，平行于靶材设置，调节永磁体数目和分布密度，使靶材表面形成有环形均匀分布的多个刻蚀区。

4.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于：磁控溅射装置还包括支撑机构，支撑机构分为多个靶材区，每个靶材区固定多个靶材，每个靶材中心到其所在靶材区中心距离相同。

5.如权利要求4所述的磁控溅射装置，其特征在于：磁控溅射装置还包括旋转机构、载物机构，所述载物机构连接可旋转基底，旋转机构两端连接所述靶材区中心及基底中心。

6.如权利要求5所述的磁控溅射装置，其特征在于：所述旋转机构与载物机构可同步移动至相应所述靶材区，并沿所述靶材区的中心旋转。

7.如权利要求1-4任一项所述的磁控溅射装置其特征在于：所述靶材宽度范围为小于等于550mm，基底的尺寸直径为400-1300mm。

8.一种磁控溅射方法，其特征在于：包括如下步骤：提供靶材，并在靶材表面形成环形均匀分布的多个刻蚀区；提供可旋转基底，该基底相对于靶材设置，以使基底旋转时经过靶材表面形成的每一条刻蚀区。

9.如权利要求8所述的磁控溅射方法，其特征在于：还包括控制基底的旋转速度小于等于30r/min。

10.如权利要求9所述的磁控溅射方法，其特征在于：还包括控制基底的旋转速度，使靶材沉积间隔时间小于10秒。