CN108385079A - 磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统 - Google Patents

磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：包括蒸发室和反应室；所述反应室包括基板转架，在基板转架外侧壁上设置有基板安装位，基板安装位包括对称设置在基板转架外侧壁上的上固定槽和下固定槽；所述磁控溅射蒸发室固定设有靶材承载部，在其上承载靶材；磁控溅射蒸发室的侧壁上设有磁控溅射阴极，磁控溅射阴极与其对应的电源连接；所述原子层沉积蒸发室设置有与基板转架相对、平行的气体分配器，所述气体分配器包括进气管道和配气盘，所述配气盘固定设置在所述进气管道的出口。本发明实现磁控溅射、原子层沉积的成膜一体化，满足不同膜层厚度要求的样品的一次性制备。

Description

磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，属于镀膜技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，真空镀膜技术得到了飞速的发展。镀膜技术可以改变工件表面性能，提高工件耐磨损、抗氧化和耐腐蚀等性能，从而延长工件的使用寿命，镀膜技术也可以实现光学、电学、半导体薄膜器件的制备，具有很高的经济价值。真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。
溅射镀膜是在七十年代初建立的一种技术，最初用来沉积金属和光学薄膜。但是随着技术的逐步完善，溅射镀膜也被应用到半导体材料的制备当中。磁控溅射的基本原理是：在阴极（靶材）和阳极（基板）之间加以电场，向真空室内通入惰性气体和反应气体，在电场的作用下，真空室内的气体电离，产生离子。离子又在电场的作用下被加速，并向阴极靶材运动，由于施加在阴极和阳极之间的电场很强，电离的离子具有较高的动能并轰击阴极靶材，将靶材上的物质以分子和分子团的形式溅射出来并射向阳极基板，并沉积在基板上。磁控溅射的优点：
（1）沉积速度快、基片温升低、对膜层的损伤小；
（2）对于大部分材料，只要能支撑靶材，就可以实现溅射；
（3）溅射所获得的薄膜与基板结合较好；
（4）溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；
（5）溅射工艺可重复性好，可以在大面积基板上获得厚度均匀的薄膜；
（6）能够精确控制膜层的厚度，同时可通过改变参数条件控制组成薄膜的颗粒大小；
（7）不同的金属、合金、氧化物能够进行混合，同时溅射于基板上；
（8）易于实现工业化。
但磁控溅射技术无法精确控制纳米级薄膜的膜厚。原子层沉积（atomiclayerdeposition，ALD）是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，具有精确的厚度控制、沉积厚度均匀性和一致性等特点，可达到在单原子层水平上完全可控。
目前，现有的真空蒸镀系统只能完成有机源和金属源的蒸发成膜。虽然磁控溅射系统、电子束蒸镀系统也可以通过过渡舱连接到蒸镀室，但这类设备无法将磁控溅射系统和电子束蒸镀系统置于蒸镀室内部且机械制造复杂。在多层膜系的溅射镀膜过程中，如果其中存在一层或几层膜厚<5nm的极薄膜层，溅射镀膜无法精确控制膜厚。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，实现磁控溅射、原子层沉积的成膜一体化，满足不同膜层厚度要求的样品的一次性制备。
按照本发明提供的技术方案，所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：包括蒸发室和反应室，蒸发室包括对称设置于反应室相对两侧的磁控溅射蒸发室和对称设置于反应室另一相对两侧的原子层沉积蒸发室；
所述反应室包括基板转架，基板转架设置于反应室正中心位置，用于承载基板；在所述基板转架外侧壁上设置有基板安装位，基板安装位包括对称设置在基板转架外侧壁上的上固定槽和下固定槽，上固定槽与基板转架固定连接，下固定槽借助基板转架上设置的安装槽形成活动连接；所述基板转架与旋转机构连接，旋转机构用于驱动基板转架均速转动；所述反应室还包括与所述反应室连通的气路，所述气路包括靠近所述基板转架设置的第一O2气路和/或第一N2气路，用于为薄膜结晶提供补偿气体；
所述磁控溅射蒸发室固定设有靶材承载部，在其上承载靶材；磁控溅射蒸发室的侧壁上设有磁控溅射阴极，磁控溅射阴极与其对应的电源连接；
所述原子层沉积蒸发室设置有与基板转架相对、平行的气体分配器，所述气体分配器包括进气管道和配气盘，所述配气盘固定设置在所述进气管道的出口；所述配气盘包括两个平行设置的第一配气盘和第二配气盘，第一配气盘上均匀设置有多个第一出气孔，第二配气盘上错列设置有多个第二出气孔。
进一步地，所述上固定槽和下固定槽都为U型槽体结构。
进一步地，所述上固定槽和下固定槽绕基板转架设置有多组。
进一步地，所述第一O2气路和第一N2气路上设有气体流量控制器。
进一步地，所述反应室还包括与所述反应室连通的真空获取装置。
进一步地，所述反应室还包括与所述基板转架对应的加热装置和/或冷却装置。
进一步地，所述靶材为圆柱形靶材或平面靶材。
进一步地，所述磁控溅射阴极为平面矩形阴极或平面圆形阴极。
进一步地，所述磁控溅射蒸发室还包括辅助沉积离子源，所述辅助沉积离子源的开口朝向所述基片转架。
进一步地，所述磁控溅射蒸发室还包括与所述磁控溅射蒸发室连通的气路，各气路上均设有气体流量控制器。
本发明有益效果 ：本发明将磁控溅射阴极靶材、原子层沉积设置在蒸发室内，磁控溅射正极设置在蒸镀室内，实现磁控溅射、原子层沉积的成膜方式的一体化，操作集中化，使整个蒸镀设备的结构紧凑、简单、便于操作。
附图说明
图1-1为本发明所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统的结构示意图。
图1-2为本发明所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统的分解状态示意图。
图1-3为本发明所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统的横剖面示意图。
图2-1为所述反应室的结构示意图。
图2-2为所述基板转架的结构示意图。
图3-1为所述磁控溅射蒸发室的结构示意图。
图3-2为所述磁控溅射蒸发室的主视图。
图4为所述原子层沉积蒸发室的结构示意图。
附图标记说明：1-反应室、2-磁控溅射蒸发室、3-原子沉积蒸发室、11-基板转架、12-旋转机构、13-第一O2气路、14-第一N2气路、15-基板安装位、16-加热装置、17-真空获取装置、21-靶材承载部、22-靶材、23-磁控溅射阴极、24-辅助沉积离子源、25- Ar气路、26-第二N2气路、27-第二O2气路、31-气体分配器、32-第一配气盘、33-第二配气盘、34-匹配器。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1-1、图1-2、图1-3所示，本发明所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，包括蒸发室和反应室1，蒸发室包括对称设置于反应室1相对两侧的磁控溅射蒸发室2和对称设置于反应室1另一相对两侧的原子层沉积蒸发室3。
如图2-1、图2-2所示，所述反应室1包括基板转架11，基板转架11设置于反应室正中心位置，用于承载基板；在所述基板转架11外侧壁上设置有基板安装位15，基板安装位15包括对称设置在基板转架11外侧壁上的上固定槽和下固定槽，上固定槽和下固定槽都为U型槽体结构，上固定槽和下固定槽绕基板转架11设置有多组，上固定槽与基板转架固定连接，下固定槽借助基板转架11上设置的安装槽形成活动连接；所述基板转架11与旋转机构12连接，旋转机构12用于驱动基板转架11均速转动；所述反应室1还包括与所述反应室1连通的气路，气路上设有气体流量控制器；所述气路包括靠近所述基板转架11设置的第一O2气路13和/或第一N2气路14，用于为薄膜结晶提供补偿气体；氧化物/或氮化物中溅射出的氧原子/或氮原子飞向基板的过程中，受粒子平均自由程和多次碰撞的影响，动量减小，会有部分不能达到基板，通过在靠近基板转架处设置O2气路和/或N2气路，保证及时的、足够的气体补偿，提高薄膜结晶质量。
所述反应室1还包括与所述反应室1连通的真空获取装置17。
所述反应室1还包括与所述基板转架11对应的加热装置16和/或冷却装置，对工作状态的基板转架11进行加热和/或冷却。通过加热装置16对基板进行加热，可进一步提高基板表面薄膜的附着力。
如图3-1、图3-2所述，所述磁控溅射蒸发室2固定设有靶材承载部21，在其上承载靶材22；靶材22可以为圆柱形靶材或平面靶材，用以向设置在反应室1内的基板溅射预定膜材。磁控溅射蒸发室2的侧壁上设有磁控溅射阴极23，磁控溅射阴极23为平面矩形阴极或平面圆形阴极，用以产生离子轰击靶材。磁控溅射阴极23与其对应的电源连接，电源包括直流电源、射频电源或直流脉冲电源。
所述磁控溅射蒸发室2还包括辅助沉积离子源24，所述辅助沉积离子源24的开口朝向所述基片转架11。辅助沉积离子源24至少具备基片预清洗、薄膜辅助沉积功能，可以是考夫曼离子源或其他类型离子源。在进行磁控溅射的过程中，通过该辅助沉积离子源轰击基板，可提高基板表面薄膜的附着力。
所述磁控溅射蒸发室2还包括与所述磁控溅射蒸发室连通的气路，各气路上均设有气体流量控制器。所述气路包括：Ar气路25，用于为磁控溅射提供工作气体；第二O2气路和/或第二N2气路26，为沉积含氮和/或氧的化合物薄膜时，提供辅助溅射气体。为磁控溅射提供工作气体的Ar气路、为磁控溅射提供辅助溅射气体的O2气路和/或N2气路均靠近靶材，可促进等离子体的形成与维持，尤其是沉积化合物薄膜时，用于提供磁控溅射的辅助溅射气体的O2气路和/或N2气路较重要，可使化合物靶材在溅射初期得到有效的氧或氮组分补偿，进一步改善薄膜质量。
所述原子层沉积蒸发室3设置有与基板转架11相对、平行的气体分配器31，所述气体分配器31包括进气管道和配气盘，所述配气盘固定设置在所述进气管道的出口；所述配气盘包括两个平行设置的第一配气盘32和第二配气盘33，均为平面矩形盘，第一配气盘32上均匀设置有多个第一出气孔，第二配气盘33上错列设置有多个第二出气孔，且第一出气孔的孔径为2mm，第二出气孔的孔径为0.3mm。原子层沉积蒸发室3侧壁上设有匹配器34，用以调整电源系统阻抗匹配。
本发明也可以根据实际镀膜需要，设计多个磁控溅射蒸发室，将多个靶集成在一个腔体内，可以在一个腔体中实现多层薄膜的连续不间断制备，多层薄膜可以是金属薄膜、合金薄膜、化合物薄膜或其组合，不同的溅射靶可以连接不同的靶电源，既可以进行单个靶溅射的多次工艺，也可以进行多个溅射靶的多次工艺及共溅射工艺。
本发明所述磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统工作步骤：
S1：将待镀样品基板裁切，并将裁切后的基板固定在基板转架上；
S2：开启本发明磁控溅射原子层沉积真空镀膜设备，抽真空，采用辅助沉积离子源对基板进行预清洗，调整所述设备至可镀膜工艺条件；
S3：开启磁控溅射阴极电源，所述阴极产生的等离子体轰击靶材，溅射出来的离子在电场作用下运动到基板表面沉积成膜；
S4：镀制到极薄膜层时，关闭磁控溅射阴极，开启原子层沉积系统，使用一第一反应气体进行原子层沉积制程，以形成一第一反应气体原子沉积层；
S5：将该第一反应气体作用完的剩余气体抽除，使用一第二反应气体进行原子层沉积制程，以形成一第二反应气体原子沉积层；
S6：将该第二反应气体作用完的剩余气体抽除，关闭原子层沉积系统；
S7：开启磁控溅射阴极，开始其余膜层的溅射镀膜。

Claims (10)

1.一种磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：包括蒸发室和反应室（1），蒸发室包括对称设置于反应室（1）相对两侧的磁控溅射蒸发室（2）和对称设置于反应室（1）另一相对两侧的原子层沉积蒸发室（3）；
所述反应室（1）包括基板转架（11），基板转架（11）设置于反应室（1）正中心位置，用于承载基板；在所述基板转架（11）外侧壁上设置有基板安装位（15），基板安装位（15）包括对称设置在基板转架（11）外侧壁上的上固定槽和下固定槽，上固定槽与基板转架固定连接，下固定槽借助基板转架（11）上设置的安装槽形成活动连接；所述基板转架（11）与旋转机构（12）连接，旋转机构（12）用于驱动基板转架（11）均速转动；所述反应室（1）还包括与所述反应室（1）连通的气路，所述气路包括靠近所述基板转架（11）设置的第一O2气路（13）和/或第一N2气路（14），用于为薄膜结晶提供补偿气体；
所述磁控溅射蒸发室（2）固定设有靶材承载部（21），在其上承载靶材（22）；磁控溅射蒸发室（2）的侧壁上设有磁控溅射阴极（23），磁控溅射阴极（23）与其对应的电源连接；
所述原子层沉积蒸发室（3）设置有与基板转架（11）相对、平行的气体分配器（31），所述气体分配器（31）包括进气管道和配气盘，所述配气盘固定设置在所述进气管道的出口；所述配气盘包括两个平行设置的第一配气盘（32）和第二配气盘（33），第一配气盘（32）上均匀设置有多个第一出气孔，第二配气盘（33）上错列设置有多个第二出气孔。
2.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述上固定槽和下固定槽都为U型槽体结构。
3.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述上固定槽和下固定槽绕基板转架（11）设置有多组。
4.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述第一O2气路（13）和第一N2气路（14）上设有气体流量控制器。
5.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述反应室（1）还包括与所述反应室（1）连通的真空获取装置（17）。
6.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述反应室（1）还包括与所述基板转架（11）对应的加热装置（16）和/或冷却装置。
7.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述靶材（22）为圆柱形靶材或平面靶材。
8.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述磁控溅射阴极（23）为平面矩形阴极或平面圆形阴极。
9.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述磁控溅射蒸发室（2）还包括辅助沉积离子源（24），所述辅助沉积离子源（24）的开口朝向所述基片转架（11）。
10.如权利要求1所述的磁控溅射原子层沉积真空镀膜系统，其特征是：所述磁控溅射蒸发室（2）还包括与所述磁控溅射蒸发室连通的气路，各气路上均设有气体流量控制器。
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