CN108018533A - 一种多层异靶材膜镀膜系统及其镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层异靶材膜镀膜系统及其镀膜方法，该系统包括真空腔体和真空获得组件，所述真空腔体包括预真空室和工艺腔体，所述工艺腔体内设有包括多个溅射靶的溅射靶组件、加热组件、清洗组件、运动导轨，所述预真空室与所述工艺腔体左右连通并采用可打开的预真空室‑工艺腔室门挡板隔断，所述真空腔体内还设有用于装载工件盘，并能运送所述工件盘于预真空室与工艺腔体之间的扫描运动小车，所述扫描运动小车可在工艺腔体内沿着运动导轨在溅射靶组件、清洗组件及加热组件之间水作平往复运动。该方法是基于上述系统所执行的工艺。本发明具有结构简单、容易操作等优点。

Description

一种多层异靶材膜镀膜系统及其镀膜方法

技术领域

本发明属于磁控溅射技术（Magnetron Sputtering）领域，尤其涉及一种磁控溅射镀膜系统及镀膜方法。

背景技术

磁控溅射镀膜技术是各类镀膜技术中最重要技术之一，广泛应用于微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中。在平面磁控溅射镀膜系统中，薄膜均匀性是衡量薄膜质量和成膜系统性能中一项很重要的指标，如采用磁控溅射技术制作薄膜电阻时对薄膜的厚均匀性要求非常高。然而，如何提高大面积基片的成膜均匀性一直是国内外学者广泛研究的课题，一般通过优化靶材－基片距离、改变基片运动方式、改变镀膜工艺参数、进行膜厚监控等措施加以实现。附图1中所示的基片面积远大于矩形靶材的有效溅射面积，要实现整个基片薄膜沉积的良好均匀性，须通过基片单方向的扫描运动来实现。

现有的平板水平式结构的磁控溅射镀膜装置的预真空室与工艺腔室采用上下结构，基片从预真空室转移到工艺腔室的过程中需要复杂的升降操作和基片转移操作，所采用的基片装载扫描系统的结构和操作都很复杂，制造成本相对也高。此外，磁控溅射沉积薄膜的过程必须在真空环境中进行，现有的对于多层薄膜的制备中，如何防止工艺腔体和膜层不受污染是很重要的；在磁控溅射镀膜系统中，薄膜附着力也是衡量薄膜质量的一个重要因素，而影响薄膜附着力的因素主要有镀膜基板的洁净度、粗糙度、溅射功率、基片台温度等，而现有技术难以制得附着力很好的薄膜。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有平面磁控溅射技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、容易操作的多层异靶材膜镀膜系统及其镀膜方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多层异靶材膜镀膜系统，包括真空腔体和真空获得组件，所述真空腔体包括预真空室和工艺腔体，所述预真空室与所述工艺腔体左右连通并采用可打开的预真空室-工艺腔室门挡板隔断，所述工艺腔体内设有包括多个溅射靶的溅射靶组件、加热组件、清洗组件、运动导轨，其特征在于：所述真空腔体内还设有用于装载工件盘，并能运送工件盘于预真空室与工艺腔体之间的扫描运动小车，所述扫描运动小车可在工艺腔体内沿着运动导轨在溅射靶组件、清洗组件及加热组件之间作水平往复运动，所述真空获得组件用于对预真空室和工艺腔体抽真空。

所述溅射靶组件的各溅射靶间隔安装于所述工艺腔体的顶板上；

所述溅射靶组件的多个溅射靶包括靶-靶之间的挡板机构及靶-基片方向的遮板机构；

所述加热组件包括辐射加热机构、旋转加热烘烤台，所述辐射加热机构设于所述工艺腔体的顶板上，所述旋转加热烘烤台设于所述辐射加热机构的下方；

所述清洗机构安装在位于所述旋转加热烘烤台侧上方的所述工艺腔体侧壁上，所述清洗机构为辅助清洗离子源，所述辅助离子源优选矩形离子源。

本发明还公开了一种基于该多层异靶材膜镀膜系统的镀膜方法，包括：工艺准备、装片进预真空室、低真空获取、转运待镀膜基片、高真空获取、基片加热烘烤、离子源辅助清洗、移动基片至某溅射靶下方、启动小车扫描运动、预溅射、溅射、完成第一层薄膜材料的制备、切换基片与溅射靶的相对位置、依次完成第二层……第N层（N≥2）薄膜材料的制备、工艺完成，其特征在于：所述的转运待镀膜基片步骤，首先要确保预真空室和工艺腔体内的低真空值在同一数量级，打开预真空室-工艺腔室门挡板，扫描运动小车从预真空室运送装有待镀膜基片的工件盘至工艺腔体。

在所述预溅射、所述溅射过程中，当所述运动扫描小车向左进行扫描运动时，保证装载基片的工件盘的最右端至少到达与工作靶材的最左端平齐的位置；当所述运动扫描小车向右进行扫描运动时，保证所述工件盘的最左端至少达到与工作靶材的最右端平齐的位置。

所述基片加热烘烤，通过将装有基片的工件盘放置到所述旋转加热烘烤台上，采用辐射加热机构对基片进行烘烤除水分。

所述的基片清洗为离子源清洗基片，保持装有基片的工件盘放置在旋转加热烘烤台上，确保所述旋转加热烘烤台处于旋转状态再进行清洗，去除基片表面的脏污及氧化物。

所述的工艺准备包括基片的酒精清洗、丙酮清洗、超声清洗、基片预烘烤等步骤。

所述的移动基片至某溅射靶下方，不限定某个具体的靶，可根据靶材安装及多层薄膜的制备顺序灵活选择。

所述的预溅射、溅射工艺包含工艺参数的设定，及扫描运动小车扫描速度的设定，不同种薄膜材料的溅射可根据需要设定不同的工艺参数及合适的扫描速度。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的溅射镀膜系统的预真空室与工艺腔体左右连通，并用可打开的挡板隔断，使得基片可仅通过扫描小车运载于预真空室和工艺腔体内，整个系统结构简单，容易操作，工艺腔体不暴露大气，多层薄膜能在真空环境下连续沉积，大大降低了因腔体和基片污染造成的薄膜质量差的根本问题。

2、本发明中具有载片扫描运动小车，通过小车的扫描运动解决了大面积薄膜沉积均匀性差的问题。

3、本发明中具有辅助离子源，用于对基片进行等离子清洗，去除基片表面的脏污及氧化物，极大的提高薄膜与基底的附着力。

4、本发明中具有多个溅射靶，可安装多种靶材，灵活溅射多种薄膜，溅射靶之间通过挡板保护防交叉污染。

5、本发明中具有一种多层薄膜制备工艺，通过控制工艺步骤以提高多层异靶材膜的沉积质量。

6、本发明在溅射镀膜时的对所述运动扫描小车运动的限制，能够进一步提高镀膜的均匀性。

附图说明

图1是平面矩形磁控溅射靶尺寸与镀膜基片尺寸比较示意图。

图2是本发明在实施例中一种多层异靶材膜系统的结构原理示意图。

图3是本发明在实施例中载片扫描运动小车向左侧做扫描运动图。

图4是本发明在实施例中载片扫描运动小车向右侧做扫描运动图。

图5是本发明在实施例中一种多层异靶材膜镀膜工艺流程图。

图中各标号表示：

100、工艺腔体；111、第一磁控溅射靶； 112、第二磁控溅射靶；113、第三磁控溅射靶；114、第四磁控溅射靶；115、红外辐射加热机构；116、预真空室-工艺腔室门挡板；117、扫描运动小车；118、运动导轨；119、旋转加热烘烤台；120、辅助清洗离子源； 121、第一靶材；122、第二靶材；123、第三靶材；124、第四靶材；125、阳极盖；126、防交叉污染挡板；127、有效辉光区域面；128、工件盘；129、传动轮；130、基片；200、预真空室；401、待镀膜基片；402、溅射跑道。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

镀膜装置实施例：

如图2所示，所述的一种多层异靶材膜装置及其镀膜工艺，镀膜装置包含工艺腔体100，预真空室200，预真空室-工艺腔室门挡板116，第一磁控溅射靶111，第二磁控溅射靶112，第三磁控溅射靶113，第四磁控溅射靶114，红外辐射加热机构115，扫描运动小车117，运动导轨118，旋转加热烘烤台119，辅助清洗离子源120。所述的第一磁控溅射靶111上装有第一靶材121，所述的第二磁控溅射靶112上装有第二靶材122，所述的第三磁控溅射靶113上装有第三靶材123，所述的第四磁控溅射靶114上装有第四靶材124。所述的磁控溅射靶111、112、113、114之间通过防交叉污染挡板126（遮板）保护。所述扫描运动小车117上装有工件盘128，所述工件盘128上装有镀膜基片130。所述扫描运动小车117通过传动轮129在所述运动导轨118上做反复扫描运动。所述的红外辐射加热机构115和所述的辅助清洗离子源120工作时，装载基片130的工件盘128都位于旋转加热烘烤台119上。

如图3所示，所述的一种多层异靶材膜装置及其镀膜工艺中，考虑到第二磁控溅射靶112的有效辉光区域面127小于装在基片130的工件盘128的尺寸，扫描运动小车117向左侧运动时，为确保第二磁控溅射靶112的有效辉光区域面127扫过所有基片130表面，所述工件盘128的右端至少需要达到-x1的位置，此时所述工件盘128的左端至少达到-x3的位置。

同理，如图4所示，所述的一种多层异靶材膜装置及其镀膜工艺中，考虑到第二磁控溅射靶112的有效辉光区域面127小于装在基片130的工件盘128的尺寸，扫描运动小车117向右侧运动时，为确保第二磁控溅射靶112的有效辉光区域面127扫过所有基片130表面，所述工件盘128的左端至少需要达到x1的位置，此时所述工件盘128的右端至少达到x3的位置。

镀膜工艺实施例：

本专有技术中，镀膜工艺实施例提供一种溅射沉积TiW/Cu/Ni/Au多层薄膜的工艺。所述的磁控溅射靶121装TiW靶材，所述的磁控溅射靶122装Cu靶材，所述的磁控溅射靶123装Ni靶材，所述的磁控溅射靶124装Au靶材。

如图5所示，所述的一种多层异靶材膜装置及其镀膜工艺，镀膜工艺主要包含24个工艺步骤，依次是工艺准备501，装片进预真空室502，低真空获取503，转运待镀膜基片504，高真空获取505，基片加热烘烤506，离子源清洗基片507，移动基片至靶121下方508，启动小车扫描运动509，靶121预溅射510，靶121溅射511，移动基片至靶122下方512，靶122预溅射513，靶122溅射514，移动基片至靶123下方515，靶123预溅射516，靶123溅射517，移动基片至靶124下方518，靶124预溅射519，靶124溅射520，单次工艺完成521，取走已镀膜基片522，转运待镀膜基片523，重复上述工艺步骤524。

所述工艺准备501步骤中，包含包括基片的酒精清洗、丙酮清洗、超声清洗、基片预烘烤等内容。

所述低真空获取503步骤中，预真空室200中的低真空值至少达到P1≤10Pa，所述低真空获取503步骤包含了预真空室200和工艺腔室100的低真空获取。

所述的转运待镀膜基片504步骤，首先要确保预真空室200和工艺腔室100内的低真空值在同一数量级，打开预真空室-工艺腔室门挡板116，扫描运动小车117进入预真空室200，运送基片架上的待镀膜基片401至工艺腔室100。

所述的高真空获取505步骤中，工艺腔室100的本底真空值至少满足P0≤1×10-4Pa。

所述的基片加热烘烤506步骤中，首先通过扫描运动小车117将装有基片130的工件盘128放置到旋转加热烘烤台119上，旋转加热烘烤台119可以不旋转。

所述的离子源清洗基片507步骤中，保持装有基片130的工件盘128放置在旋转加热烘烤台119上，考虑到辅助清洗离子源120对基片的刻蚀均匀性，确保旋转加热烘烤台119处于旋转状态。

所述的启动小车扫描运动509步骤中，小车的扫描运动小车117的扫描速度须控制在50～200mm/s内。

所述的靶121预溅射510，靶121溅射511，靶122预溅射513，靶122溅射514，靶123预溅射516，靶123溅射517，靶124预溅射519，靶124溅射520等步骤中，溅射功率范围控制在1000～2000W，工艺气体Ar压力范围控制在5～10mTorr。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种多层异靶材膜镀膜系统，包括真空腔体和真空获得组件，所述真空腔体包括预真空室（200）和工艺腔体（100），所述工艺腔体（100）内设有包括多个溅射靶的溅射靶组件、加热组件、清洗组件、运动导轨（118），其特征在于：所述预真空室（200）与所述工艺腔体（100）左右连通并采用可打开的预真空室-工艺腔室门挡板（116）隔断，所述真空腔体内还设有用于装载工件盘（128），并能运送所述工件盘（128）于所述预真空室（200）与所述工艺腔体（100）之间的扫描运动小车（117），所述扫描运动小车（117）可在所述工艺腔体（100）内沿着所述运动导轨（118）在所述溅射靶组件、所述清洗组件及所述加热组件之间作水平往复运动，所述真空获得组件用于对所述预真空室（200）和所述工艺腔体（100）抽真空。

2.如权利要求1所述的多层异靶材膜镀膜系统，其特征在于：所述溅射靶组件的各溅射靶间隔安装于所述工艺腔体（100）的顶板上。

3.如权利要求2所述的多层异靶材膜镀膜系统，其特征在于：所述溅射靶组件的多个溅射靶包括靶-靶之间的挡板机构及靶-基片方向的遮板机构。

4.如权利要求1-3任一项所述的多层异靶材膜镀膜系统，其特征在于：所述加热组件包括辐射加热机构（115）、旋转加热烘烤台（119），所述辐射加热机构（115）设于所述工艺腔体（100）的顶板上，所述旋转加热烘烤台（119）设于所述辐射加热机构（115）的下方。

5.如权利要求4所述的多层异靶材膜镀膜系统，其特征在于：所述清洗机构安装在位于所述旋转加热烘烤台（119）侧上方的所述工艺腔体（100）侧壁上，所述清洗机构为辅助清洗离子源（120）。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述多层异靶材膜镀膜系统的镀膜方法，包括：工艺准备、装片进预真空室（200）、低真空获取、转运待镀膜基片、高真空获取、基片加热烘烤、基片清洗、移动基片至溅射靶下方、启动小车扫描运动、预溅射、溅射、完成第一层薄膜材料的制备、切换基片与溅射靶的相对位置、依次完成第二层至第N层薄膜材料的制备、工艺完成，其中N≥2，其特征在于：所述的转运待镀膜基片步骤，首先要确保预真空室（200）和工艺腔体（100）内的低真空值在同一数量级，打开预真空室-工艺腔室门挡板（116），扫描运动小车（117）从所述预真空室（200）运送装有待镀膜基片的工件盘（128）至所述工艺腔体（100）。

7.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：在所述预溅射、所述溅射过程中，当所述扫描运动小车（117）向左进行扫描运动时，保证装载基片的工件盘（128）的最右端至少到达与工作靶材的最左端平齐的位置；当所述扫描运动小车（117）向右进行扫描运动时，保证所述工件盘（128）的最左端至少达到与工作靶材的最右端平齐的位置。

8.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的工艺准备包括基片的酒精清洗、丙酮清洗、超声清洗、基片预烘烤。

9.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述低真空获取步骤包含了预真空室（200）和工艺腔体（100）的低真空获取，所述预真空室（200）中的低真空值达到P1≤10Pa。

10.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的基片加热烘烤步骤中，通过将装有基片的工件盘（128）放置到旋转加热烘烤台（119）上，采用辐射加热机构（115）对基片进行烘烤除水分。

11.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的基片清洗为离子源清洗基片，保持装有基片的工件盘（128）放置在旋转加热烘烤台（119）上，确保所述旋转加热烘烤台（119）处于旋转状态再进行清洗。

12.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的移动基片至某溅射靶下方，不限定某个具体的靶，根据靶材安装及多层薄膜的制备顺序灵活选择。

13.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的预溅射、溅射工艺包含工艺参数的设定及扫描运动小车（117）扫描速度的设定，且不同种薄膜材料的溅射可根据需要设定不同的工艺参数及合适的扫描速度。

14.如权利要求6所述的镀膜方法，其特征在于：所述的高真空获取步骤中，所述工艺腔体（100）的本底真空值满足P0≤10^-4Pa。