CN107099777B - 磁控溅射装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理气相沉积技术领域，公开了一种磁控溅射装置及其方法，解决了靶材利用率低的问题。所述装置包括：控制模块；靶材承载部，配置为在其上承载靶材；磁体承载部，配置为在其上承载磁体；外框，配置为在其内设置磁体承载部和闭环轨道，其中磁体承载部沿闭环轨道往复运动，以及闭环轨道的平面与靶材平面垂直；多个感应传感器，分别设置在沿闭环轨道的多个预定位置，配置为当磁体承载部运动到任一预定位置时，将与该预定位置相对应的位置信号传送给控制模块；控制模块，配置为根据所接收的位置信号驱动磁体承载部和外框，使磁体承载部在距靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。本发明实施例适用于磁控溅射过程中。

Description

磁控溅射装置及其方法

技术领域

本发明涉及物理气相沉积技术领域，具体地涉及一种磁控溅射装置及其方法。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，磁控溅射广泛地应用于集成电路、液晶显示器以及薄膜太阳能等领域。磁控溅射通过在靶材背板后方引入磁场，利用磁场来束缚带电粒子，增加靶材表面的等离子体的密度，提高靶材溅射的速率。带电荷的粒子(Ar+)在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的中性靶材原子(或分子)沉积在基片上成膜；产生的二次电子被磁场力束缚在靠近靶面的等离子体区域内，围绕靶面做运动。电子在运动过程中不断地与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子轰击靶材，从而实现高速率沉积。但也正是磁场强弱分布的问题，导致靶材局部消耗相对过快，降低靶材的利用率。

均匀的磁场可以由磁体的高速往复运动产生。当磁体运动到轨道的边缘位置时，需要停滞后再返回。当磁体停滞时，由于中心磁场弱，边缘磁场强，会在靶材两端留下“W”形的凹痕，如图1所示。随着靶材的消耗，靶材容易在“W”形凹痕的最低处被击穿，从而造成整个靶材使用寿命的结束，严重时会打到背板，导致产品报废，而在其他位置靶材未得到充分利用，靶材的利用率较低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的靶材边缘消耗过快，其他区域的靶材不能充分利用，靶材利用率低的问题，提供一种磁控溅射装置及其方法，该装置延长了靶材的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种磁控溅射装置，包括：

控制模块，以及

靶材承载部，配置为在其上承载靶材；

磁体承载部，配置为在其上承载磁体；

外框，配置为在其内设置所述磁体承载部和闭环轨道，其中所述磁体承载部沿所述闭环轨道往复运动，以及所述闭环轨道的平面与所述靶材平面垂直；

多个感应传感器，分别设置在沿所述闭环轨道的多个预定位置，配置为当所述磁体承载部运动到任一预定位置时，将与该预定位置相对应的位置信号传送给所述控制模块；以及

所述控制模块，配置为根据所接收的位置信号驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

进一步地，所述闭环轨道由两条平行等长的直线轨道与两个弧度相同的弧形轨道组成，其中所述弧形轨道的切线在所述闭环轨道外。

进一步地，所述预定位置包括：两个弧形轨道与两个直线轨道的四个交接位置，以及两个弧形轨道的两个中点位置。

进一步地，所述控制模块驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动，且所述外框在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部的运动方向相反。

进一步地，所述装置还包括：

第一伺服马达，配置为为所述磁体承载部的运动提供驱动力；

第一连接件，与所述第一伺服马达和所述磁体承载部连接。

进一步地，所述装置还包括：

第二伺服马达，配置为为所述外框的运动提供驱动力；

第二连接件，与所述第二伺服马达和所述外框连接。

进一步地，所述弧形轨道为半圆形轨道。

本发明第二方面提供一种磁控溅射方法，所述方法应用于上述所述的磁控溅射装置，所述方法包括：

驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

进一步地，所述驱动所述磁体承载部和所述外框包括：

驱动所述磁体承载部按同一水平速率沿所述闭环轨道往复运动；以及

驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动，且所述外框在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部的运动方向相反。

进一步地，所述方法还包括：

当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道运动到所述弧形轨道时，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道加速运动；

当驱动所述磁体承载部运动到所述弧形轨道的中点位置时，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道减速运动；

当驱动所述磁体承载部由所述弧形轨道运动到所述直线轨道时，驱动所述磁体承载部沿所述直线轨道匀速运动；其中，所述加速运动、减速运动和匀速运动时的水平速率均相同。

进一步地，所述驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动包括：

当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道运动到所述弧形轨道时，驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率运动。

通过上述技术方案，所述磁控溅射装置通过多个感应传感器对磁体的运动速度进行调整，驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动，从而改善对靶材轰击的均匀性，解决了靶材边缘消耗过快，其他区域的靶材不能充分利用，靶材利用率低的问题，提高靶材的寿命。

附图说明

图1是现有技术中靶材边缘消耗不均匀形成的W形凹痕的示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种磁控溅射装置的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的另一种磁控溅射装置的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种磁控溅射方法的流程图；

图5是本发明一实施例提供的一种磁控溅射装置的截面图。

附图标记说明

100 磁体 101 磁体承载部

102 闭环轨道 103 第一连接件

104 第一伺服马达 105 第二连接件

200 外框 201 第二伺服马达

202/203/204/205/206/207 感应传感器

300 靶材 301 靶材承载部

401 控制模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施例提供一种磁控溅射装置，如图2所示为本发明一实施例提供的一种磁控溅射装置的结构示意图，该磁控溅射装置包括：

控制模块401，以及

靶材承载部301，配置为在其上承载靶材300；

磁体承载部101，配置为在其上承载磁体100；

外框200，配置为在其内设置所述磁体承载部101和闭环轨道102，其中所述磁体承载部101沿所述闭环轨道102往复运动，以及所述闭环轨道102的平面与所述靶材300平面垂直；

多个感应传感器202/203/204/205/206/207，分别设置在沿所述闭环轨道102的多个预定位置，配置为当所述磁体承载部101运动到任一预定位置时，将与该预定位置相对应的位置信号传送给所述控制模块401；以及

所述控制模块401，配置为根据所接收的位置信号驱动所述磁体承载部101和所述外框200，使所述磁体承载部101在距所述靶材300所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

所述磁控溅射装置通过多个感应传感器对磁体的运动速度进行调整，驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动，从而改善对靶材轰击的均匀性，解决了靶材边缘消耗过快，其他区域的靶材不能充分利用，靶材利用率低的问题，提高靶材的寿命。

其中，所述闭环轨道由两条平行等长的直线轨道与两个弧度相同的弧形轨道组成，其中所述弧形轨道的切线在所述闭环轨道外。所述弧形轨道的弧度不做限定，只要两边的弧线轨道的弧度相等即可，例如，两个弧形轨道可以为两个半圆。例如，所述闭环轨道可以为线性滑轨/导轨，或者是履带，此处并不做限定。

其中，磁体100的长度与靶材300的长度相等。靶材承载部301和磁体承载部101可以实现磁体100与靶材300均平行于该磁控溅射装置的底座所在平面(例如地面)而平行设置，磁体100设置在靶材300的上方，磁体100沿闭环轨道102平行于靶材300运动。另外，所述靶材为平面靶。

例如，靶材承载部301可以包括卡槽或支撑架等，用于承载并固定靶材300。该靶材承载部301可以是可调节的固定装置，由此可用来承载不同规格的靶材300。靶材300根据需要可以是不同类型的材料，例如金属材料(单质或合金材料)，并且可以被制备为需要的形状，例如长方形。

其中，所述外框200的长度大于靶材的长度，宽度大于靶材的宽度，高度大于闭环轨道的高度与磁体的高度之和，且所述外框200的材质有硬度要求，例如，可以为不锈钢材质。另外，所述磁体100与所述靶材承载部301之间的距离大于所述外框200的高度。

另外，多个感应传感器设置的多个预定位置包括：两个弧形轨道与两个直线轨道的4个交接位置，以及两个弧形轨道的两个中点位置。例如，如图2所示，在两个弧形轨道与两个直线轨道的4个交接位置设置的感应传感器202/204/205/207，在两个弧形轨道的两个中点位置设置的感应传感器203/206。其中，所述感应传感器可以为光电型传感器，包括：发光器件(例如，激光发光器件)与探测器。当有反光面(磁体)接近时，该光电型传感器接收到反射光信号，来获取磁体100的位置信号。该光电型传感器也是非接触型的，不会磨损检测对象且不会影响磁体的正常运动。

在一个实施例中，如图3所示，所述磁控溅射装置还包括：

第一伺服马达104，配置为为所述磁体承载部101的运动提供驱动力；

第一连接件103，与所述第一伺服马达104和所述磁体承载部101连接；

第二伺服马达201，配置为为所述外框200的运动提供驱动力；

第二连接件105，与所述第二伺服马达201和所述外框200连接。

在一个实施例中，所述控制模块401通过第一伺服马达104驱动所述磁体承载部101按同一水平速率沿所述闭环轨道102往复运动，通过第二伺服马达201驱动所述外框200在垂直方向上以所述磁体承载部101的垂直速率往复运动，且所述外框200在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部101的运动方向相反，以保持所述磁体100与所述靶材承载部301的垂直距离不变。例如，以所述磁体承载部101在所述闭环轨道102上逆时针往复运动为例，当所述磁体承载部101从上面的直线轨道运动到下面的直线轨道，或者从下面的直线轨道运动到上面的直线轨道时，通过第二伺服马达201驱动所述外框200在垂直方向上以所述磁体承载部101的垂直速率往复运动，从而保证所述磁体100与所述靶材承载部301的垂直距离不变。

与现有技术中的直线轨道相比，所述磁体承载部在直线轨道的终点两端会停下来，导致靶材两端溅射不均匀，而磁体承载部在闭环轨道上无需停止下来，且一直以同一水平速率往复运动，减少磁体的磁感线在靶材两端边缘的停滞时间，避免靶材边缘消耗过快；另外，由于所述磁体与所述靶材承载部的垂直距离不变，磁感线在靶材处的分布强度基本不变，保证磁感线分布的均匀性，从而保证靶材消耗的均匀性，增加靶材的寿命。

本实施例提供一种磁控溅射方法，应用于上述实施例中的磁控溅射装置，如图4所示为本发明一实施例提供的一种磁控溅射方法的流程图，所述方法包括：

41、驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

通过驱动所述磁体承载部和所述外框，保证所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动，从而改善对靶材轰击的均匀性，解决了靶材边缘消耗过快，其他区域的靶材不能充分利用，靶材利用率低的问题，提高靶材的寿命。

其中，所述驱动所述磁体承载部和所述外框包括：

驱动所述磁体承载部按同一水平速率沿所述闭环轨道往复运动；以及驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动，且所述外框在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部的运动方向相反。

下面以图5所示的磁控溅射装置的截面图为例，对本发明实施例的一种磁控溅射方法进行详细描述。本实施例提供的磁控溅射装置仅作为示例，并不能限定磁控溅射装置。在图5所示的磁控溅射装置中，所述闭环轨道为由两条平行等长的直线轨道与两个直径相同的半圆形轨道组成，其中半圆形轨道的直径为R，所述磁控溅射装置中的外框的高度为L1，靶材承载部与磁体承载部的距离为L，且L>L1。

另外，如图5所示，在两个半圆形轨道与两个直线轨道的四个交接位置处，即分别对应于图5中的A点，D点，C点和F点处设置感应传感器；两个半圆形轨道的两个中点位置处，即分别对应于图5中的B点和E点处设置感应传感器。

以磁体承载部在闭环轨道上逆时针往复移动为例，当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道以水平速率V匀速运动到所述弧形轨道时，即如图5中的A点或D点时，感应传感器获取到磁体承载部在A点或D点相对应的位置信号，所述感应传感器将该位置信号发送给控制模块，所述控制模块根据所接收的位置信号，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道加速运动；当驱动所述磁体承载部运动到所述弧形轨道的中点位置时，即如图5中的B点或E点时，感应传感器获取到磁体承载部在B点或E点相对应的位置信号，所述感应传感器将该位置信号发送给控制模块，所述控制模块根据所接收的位置信号，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道减速运动；当驱动所述磁体承载部由所述弧形轨道运动到所述直线轨道时，即如图5中的C点或F点时，感应传感器获取到磁体承载部在C点或F点相对应的位置信号，所述感应传感器将该位置信号发送给控制模块，所述控制模块根据所接收的位置信号，驱动所述磁体承载部沿所述直线轨道仍以水平速率V匀速运动。

其中，A点到B点加速移动等效于在垂直方向上初速度为0，以一加速度a加速运动，B点的速度方向刚好垂直向下，且大小为2V，其中水平速率为V。

B点到C点减速移动，垂直方向上以初速度2V减速到0(与A点到B点刚好相反)，到达C点时，垂直方向上速度为0，水平方向上的速度为V，之后以速度V进行水平方向的匀速运动。

之后，磁体承载部移动到D点时，图5中D点到E点与图5中A点到B点的移动原理相同，图5中E点到F点与图5中B点到C点的移动原理相同，此处不再赘述。当磁体承载部移动到图5中F点，以速度V匀速移动到A点，完成一个往复。

另外，当磁体承载部在闭环轨道的上面的直线轨道时，磁体与靶材承载部的距离为L，当磁体承载部在闭环轨道的下面的直线轨道时，磁体与靶材承载部的距离为L+2R，为了保证磁体与靶材承载部的距离不变，当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道运动到所述弧形轨道时，即当接收到处于如图5中的A点或D点相对应的位置信号时，驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率移动，且移动方向与所述磁体承载部移动的方向相反，例如当磁体承载部从上面的直线轨道移动到下面的直线轨道，或者从下面的直线轨道移动到上面的直线轨道时，所述外框在垂直方向上向上或向下移动2R的距离，且移动速率为磁体承载部的垂直速率。例如，当磁体承载部从A点加速移动到B点，所述外框在垂直方向上向上加速移动，在垂直方向上初速度为0，以一加速度a加速移动，移动到B点的速度为2V，只是移动方向与所述磁体承载部相反。当磁体承载部从B点减速移动到C点时，所述外框在垂直方向上向上减速移动，移动速度与磁体承载部的垂直速度相同，方向相反。当磁体承载部从C点匀速移动到D点时，所述外框不移动。当所述磁体承载部从D点移动到F点时，所述外框的移动原理与所述外框从A点到C点的移动原理相同，只是方向向下。基于上述方式，通过驱动所述外框移动来补偿磁体在半圆形轨道垂直方向上的偏移距离，保证了磁体与靶材承载部的距离一直为L。

通过控制所述磁体承载部按同一水平速率沿所述闭环轨道往复移动，以及保证所述磁体与所述靶材承载部的垂直距离不变，从而改善对靶材轰击的均匀性，解决了靶材边缘消耗过快，其他区域的靶材不能充分利用，靶材利用率低的问题，提高靶材的寿命。

另一方面，对靶材轰击的均匀性，也可以保证被加工基板上薄膜的均匀性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于，包括：

控制模块，以及

靶材承载部，配置为在其上承载靶材；

磁体承载部，配置为在其上承载磁体；

外框，配置为在其内设置所述磁体承载部和闭环轨道，其中所述磁体承载部沿所述闭环轨道往复运动，以及所述闭环轨道的平面与所述靶材平面垂直，其中，所述闭环轨道由两条平行等长的直线轨道与两个弧度相同的弧形轨道组成，其中，所述弧形轨道的切线在所述闭环轨道外；

多个感应传感器，分别设置在沿所述闭环轨道的多个预定位置，配置为当所述磁体承载部运动到任一预定位置时，将与该预定位置相对应的位置信号传送给所述控制模块；以及

所述控制模块，配置为根据所接收的位置信号驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述预定位置包括：两个弧形轨道与两个直线轨道的四个交接位置，以及两个弧形轨道的两个中点位置。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述控制模块驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动，且所述外框在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部的运动方向相反。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一伺服马达，配置为为所述磁体承载部的运动提供驱动力；

第一连接件，与所述第一伺服马达和所述磁体承载部连接。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二伺服马达，配置为为所述外框的运动提供驱动力；

第二连接件，与所述第二伺服马达和所述外框连接。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述弧形轨道为半圆形轨道。

7.一种磁控溅射方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1-6任一项所述的磁控溅射装置，所述方法包括：

驱动所述磁体承载部和所述外框，使所述磁体承载部在距所述靶材所在平面预定距离的平面中按同一水平速率往复运动。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述驱动所述磁体承载部和所述外框包括：

驱动所述磁体承载部按同一水平速率沿所述闭环轨道往复运动；以及

驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动，且所述外框在垂直方向上的运动方向与所述磁体承载部的运动方向相反。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述方法还包括：

当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道运动到所述弧形轨道时，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道加速运动；

当驱动所述磁体承载部运动到所述弧形轨道的中点位置时，驱动所述磁体承载部沿所述弧形轨道减速运动；

当驱动所述磁体承载部由所述弧形轨道运动到所述直线轨道时，驱动所述磁体承载部沿所述直线轨道匀速运动；其中，所述加速运动、减速运动和匀速运动时的水平速率均相同。

10.根据权利要求8所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率往复运动包括：

当驱动所述磁体承载部由所述直线轨道运动到所述弧形轨道时，驱动所述外框在垂直方向上以所述磁体承载部的垂直速率运动。

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