CN108690962A - 磁控溅射设备及磁控溅射沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁控溅射设备，包括第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室均包括磁控管和偏置磁场装置；偏置磁场装置用于在各自承载基片的卡盘表面形成水平磁场，该水平磁场用于在基片上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；磁控管包括磁性相反的内磁极和外磁极；第一腔室和第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相同，第一腔室和第二腔室的磁控管的产生的磁场方向相反；或者，第一腔室和第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相反，第一腔室和第二腔室的磁控管产生的磁场方向相同。该磁控溅射设备可以获得均匀性较好的面内各向异性的磁性薄膜。

Description

磁控溅射设备及磁控溅射沉积方法

技术领域

本发明属于薄膜沉积技术领域，具体涉及一种磁控溅射设备及磁控溅射沉积方法。

背景技术

随着科学技术的发展，信息处理速度和传输频率也越来越高，电子元器件也越来越想着高频化、薄膜化、微型化以及集成化方向发展。虽然集成电路制造工艺可以显著地减小处理器尺寸，但是，一些核心元器件(如集成电感、噪声抑制器)在高频化、薄膜化、微型化以及集成化方面面临诸多困难，为此，具有高磁化强度、高磁导率、高共振频率以及高电阻率的软磁薄膜材料引起人们越来越多的关注。

虽然软磁材料主要考虑的是磁导率、饱和磁化强度Ms、低矫顽力Hc和损耗，但是，左右软磁材料发展的一个主要因素是它的截止频率。由于软磁薄膜的截止频率高于块体的截止频率，更能适应在高频下的应用，因此，软磁薄膜的应用相对较广泛。软磁薄膜的截止频率与其面内单轴各向异性场相关，因此，可通过调控软磁薄膜的面向单轴各向异性场的数值来调节其截止频率。

目前，通常采用磁控溅射腔室沉积磁性薄膜，但是，因为缺乏有效调节软磁薄膜的面内单轴各向异性场的手段，现有的磁控溅射腔室并不能沉积面内各向异性的磁性薄膜。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种磁控溅射设备及磁控溅射沉积方法，可以获得均匀性较好的面内各向异性的磁性薄膜。

为解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明提供了一种磁控溅射设备，包括第一腔室和第二腔室；所述第一腔室和所述第二腔室均包括磁控管和偏置磁场装置；所述偏置磁场装置用于在各自承载基片的卡盘表面形成水平磁场，该水平磁场用于在基片上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；所述磁控管包括磁性相反的内磁极和外磁极；所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相同，所述磁控管产生的磁场方向相反；或者所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相反，所述磁控管产生的磁场方向相同。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管的结构相同。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置的结构相同。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管均沿旋转轴进行旋转，用于对靶材表面进行扫描，且所述旋转轴与靶材的中心在同一直线上。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管均固定设置。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管的内磁极和外磁极均为环形磁极；所述内磁极设置在所述外磁极的环形空间内，且在各个位置处二者的间隙相等。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的数量为多个，且二者数量相同；所处磁控溅射设备还包括传输腔室和位于所述传输腔室内的机械手；多个所述第一腔室和多个所述第二腔室围绕所述传输腔室交替间隔设置，且均与所述传输腔室相连通；所述机械手用于在所述传输腔室、所述第一腔室和所述第二腔室之间传输基片。

优选地，所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置均包括环绕所述卡盘设置的磁体组；所述磁体组包括两段呈圆弧状的磁体，二者对称环绕在所述卡盘的两侧，且其中一段磁体N极与其中另一段磁体中的S极均朝向所述卡盘。

本发明还提供一种磁控溅射沉积方法，采用本发明提供的上述磁控溅射设备，所述磁控溅射沉积方法包括以下步骤：

S1，将基片传输至所述第一腔室内，预设沉积第一厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积；

S2，将所述基片传输至所述第二腔室内，预设沉积第二厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积；

执行上述步骤S1～S2至少一次。

优选地，所述第一厚度等于第二厚度。

本发明具有下述有益效果：

在本发明提供的磁控溅射设备，第一腔室和第二腔室均设置有偏置磁场装置，在偏置磁场装置的作用下可以沉积面内各向异性的磁性膜层；并且由于第一腔室和第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相同，磁控管的产生的磁场方向相反；或者，第一腔室和第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相反，磁控管的产生的磁场方向相同，因此，在第一腔室和第二腔室内基片的同一位置沉积的薄膜厚度是互补的(即一个厚度较厚一个厚度较薄)，故，可先在第一腔室中在基片上沉积一定厚度的薄膜，之后，再将该基片放置在第二腔室中沉积一定厚度的薄膜，可以补偿在第一腔室中形成的薄膜的厚度差，从而最终获得均匀性好的薄膜。

在本发明提供的磁控溅射沉积方法，其采用本发明提供的磁控溅射设备，可以先在第一腔室中在基片上沉积一定厚度的薄膜，之后，再将该基片放置在第二腔室中沉积一定厚度的薄膜，可以补偿在第一腔室中形成的薄膜的厚度差，从而最终获得均匀性好的薄膜。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的磁控溅射设备的结构示意图。

图2a为图1所示的磁控溅射设备的第一腔室的剖视图；

图2b为图1所示的磁控溅射设备的第一腔室沉积薄膜的原理示意图；

图3为图1所示的磁控溅射设备的第二腔室沉积薄膜的原理示意图；

图4为采用图1所示的磁控溅射设备的沉积薄膜的示意图；

图5a为第一磁控管或第二磁控管的第一种结构示意图；

图5b为第一磁控管或第二磁控管的第二种结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的磁控溅射设备的第二腔室沉积薄膜的原理示意图

图7为本发明实施例3提供的磁控溅射沉积方法的流程图。

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，下面结合附图对本发明提供的磁控溅射设备及磁控溅射沉积方法进行详细描述。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的磁控溅射设备的结构示意图。请参阅图1，本发明实施例提供的磁控溅射设备包括第一腔室10和第二腔室11，第一腔室10和第二腔室11均包括磁控管和偏置磁场装置，偏置磁场装置用于在承载基片的卡盘表面形成水平磁场，该水平磁场用于在基片上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；磁控管包括磁性相反的内磁极和外磁极。

第一腔室10和第二腔室11的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相同，磁控管产生的磁场方向相反。

具体地，请参阅图2a和图2b，第一腔室10包括第一磁控管101和第一偏置磁场装置20，第一磁控管101包括磁性相反的内磁极101a和外磁极101b；请参阅图3，第二腔室11包括第二磁控管111和第二偏置磁场装置70，第二磁控管111包括磁性相反的内磁极111a和外磁极111b，第一磁控管101和第二磁控管111产生的磁场方向相反，更具体地，第一磁控管101的内磁极101a为S极，外磁极101b为N极，因此，其产生的磁场方向如图2b中的L1所示，自腔室的边缘区域向腔室的中心区域；第二磁控管111的内磁极111a为N极，外磁极111b为S极，因此，其产生的磁场方向如图3中的L2所示，自腔室的中心区域向腔室的边缘区域。

请参阅图2a、图2b和图3，第一偏置磁场装置20(第二偏置磁场装置70)包括环绕卡盘1设置的磁体组；磁体组包括两段呈圆弧状的磁体201和202(701和702)，二者对称环绕在卡盘1的两侧，且其中一段磁体201(701)的N极与其中另一段磁体202(702)的S极均朝向卡盘1。

请参阅图2b，在第一腔室10中，通过第一磁控管101对靶材30溅射，第一磁控管101在靠近磁体201的腔室空间(图2b中的左侧空间)内形成的磁场在靠近磁体201一侧(图2b中的左侧)呈S极，而磁体201朝向卡盘1的一侧的为N极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体201的吸引作用而向左偏移；同理，第一磁控管101在靠近磁体202的腔室空间(图2b中的右侧空间)内形成的磁场在靠近磁体202一侧(图2b中的右侧)呈S极，而磁体202朝向卡盘1的一侧的也为S极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体202的排斥作用也向左偏移；因此，在第一腔室10中形成的磁性薄膜的厚度从右至左逐渐增厚。

请参阅图3，在第二腔室11中，通过第二磁控管111对靶材30溅射，第二磁控管111在靠近磁体701的腔室空间(图3中的左侧空间)内形成的磁场在靠近磁体701一侧(图3中的左侧)呈N极，而磁体701朝向卡盘1的一侧的也为N极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体701的排斥作用而向右偏移；同理，第二磁控管111在靠近磁体702的腔室空间(图3中的右侧空间)内形成的磁场在靠近磁体702一侧(图3中的右侧)呈N极，而磁体702朝向卡盘1的一侧的为S极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体702的吸引作用也向右偏移；因此，在第二腔室11中形成的磁性薄膜的厚度从左至右逐渐增厚。

为此，采用本发明实施例提供的磁控溅射设备在应用时，请参阅图4，在第一腔室10中先沉积一定厚度的第一薄膜40，该一定厚度是指在理想情况下沉积厚度均匀的薄膜的厚度，实际上沉积的第一薄膜40的厚度自右侧至左侧逐渐增加；之后，再将基片放置在第二腔室11中沉积一定厚度的第二薄膜50，实际上第二薄膜50的厚度自左侧至右侧逐渐增加，这样，第二薄膜50可以补偿第一薄膜40厚度的厚度差，从而使得最终形成的薄膜(第一薄膜40和第二薄膜50的叠加)的厚度相对均匀。

优选地，在第一腔室10中沉积的一定厚度和在第二腔室11中沉积的一定厚度相等，这样，在第一腔室10和第二腔室11中实际形成的第一薄膜40和第二薄膜50的形貌尽可能地接近，也就能够尽可能地通过第二薄膜50补偿第一薄膜40的厚度差，从而最终获得较均匀的薄膜。

因此，本发明实施例提供的磁控溅射设备，可以先在第一腔室10中在基片S上沉积一定厚度的薄膜，之后，再将该基片S放置在第二腔室11中沉积一定厚度的薄膜，来补偿在第一腔室中形成的薄膜的厚度差，以最终获得均匀性好的薄膜。

在本实施例中，优选地，第一磁控管101和第二磁控管111的结构相同，在这种情况下，第二薄膜50的形貌很好地与第一薄膜40的形貌相同，因此，可以很好地补偿第一薄膜40的厚度差，从而最终获得均匀性很好的薄膜。

进一步优选地，第一偏置磁场装置20和第二偏置磁场装置70的结构相同，在这种情况下，第二薄膜50的形貌可以尽可能地与第一薄膜40的形貌相同，因此，可以尽可能地补偿第一薄膜40的厚度差，从而最终获得均匀性更好的薄膜。

在本实施例中，具体地，第一磁控管101和第二磁控管111均沿旋转轴进行旋转，用于对靶材30表面进行扫描，且旋转轴与靶材30的中心在同一直线上，能够获得面内各向异性达5.67Oe的磁性薄膜，其制作成的微电感可以应用到频率为百MHz的器件上。

但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，第一磁控管101和第二磁控管111也可以均固定设置，这与旋转设置的磁控管相比，可以使得靶材30表面的磁场不再变化，溅射下来的磁性材料的磁场方向不再随磁场变化而变化，更容易由偏置磁场装置诱导出易磁化场和难磁化场，即容易形成面内各向异性场，从而能够获得面内各向异性较强的磁性薄膜，可达39.87Oe，其制作成的微电感可以应用到频率为GHz的器件上，从而可增加磁性薄膜的应用频率范围；另外，不需要设置旋转机构驱动磁控管旋转，因此，腔室结构简单，稳定性好。

在本实施例中，还具体地，请参阅图5a和图5b，第一磁控管101(第二磁控管111)的内磁极101a(111a)和外磁极101b(111b)为环形磁极；内磁极101a(111a)设置在外磁极101b(111b)的环形空间内，且在各个位置处二者的间隙H相等。

另外，图5a中的内磁极101a(111a)和外磁极101b(111b)的形状可以均为对称肾形，且该第一磁控管101(第二磁控管111)相对靶材30来说，其基本上包围了靶材30的大部分面积，这在围绕靶材30的中心O进行旋转时可以实现全靶腐蚀。图5b中的内磁极101a(111a)和外磁极101b(111b)与图5a相比，二者的区别仅在于图5b中的形状均为非对称肾形。当然，本发明并不局限于该两种形状。

在本实施例中，还具体地，第一腔室10和第二腔室11的数量为多个，且二者数量相同(如图1中均为3个)；磁控溅射设备还包括传输腔室60和位于传输腔室60内的机械手；多个第一腔室10和多个第二腔室11围绕传输腔室60交替间隔设置，且均与传输腔室60相连通，机械手用于在传输腔室60、第一腔室10和第二腔室11之间传输基片S。借助多个第一腔室10和多个第二腔室11围绕传输腔室60交替间隔设置，依次通过每个腔室即可完成薄膜的沉积，工艺控制过程相对简单。

实施例2

本发明实施例提供的磁控溅射设备与上述实施例相类似，同样包括第一腔室10和第二腔室11，由于第一腔室10和第二腔室11在上述实施例中已经有了详细地描述，在此不再赘述。

下面仅描述二者的不同之处：第一偏置磁场装置20和第二偏置磁场装置70产生的水平磁场的磁场方向相反，第一磁控管101和第二磁控管111产生的磁场方向相同。

具体地，在本实施例中，第一腔室10与实施例1相同，具体参阅图2a和图2b，第一磁控管101的内磁极101a为S极，外磁极101b为N极，因此，其产生的磁场方向如图2b中的L1所示，自腔室的边缘区域向腔室的中心区域；第一偏置磁场装置20的一段磁体201的N极和另一段磁体202的S极均朝向卡盘1。

第二腔室11与实施例1不同，请参阅图6，第二磁控管111的内磁极111a为S极，外磁极111b为N极，因此，其产生的磁场方向如图6中的L3所示，自腔室的边缘区域向腔室的中心区域，这与图2b中的磁场方向L1相同，也就是说，第一磁控管101和第二磁控管111产生的磁场方向相同。第二偏置磁场装置70的一段磁体701的S极与其中另一段磁体702的N极均朝向卡盘1，这与图2b中的第一偏置磁场装置20的一段磁体201的N极和另一段磁体202的S极均朝向卡盘1相比可知，第一偏置磁场装置20和第二偏置磁场装置70产生的水平磁场的磁场方向相反。

在上述情况下，在第二腔室11中，通过第二磁控管111对靶材30溅射，第二磁控管111在靠近磁体701的腔室空间(图6中的左侧空间)内形成的磁场在靠近磁体701一侧(图3中的左侧)呈S极,而磁体701朝向卡盘1的一侧的也为S极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体701的排斥作用而向右偏移；同理，第二磁控管111在靠近磁体702的腔室空间(图6中的右侧空间)内形成的磁场在靠近磁体702一侧(图6中的右侧)呈S极，而磁体702朝向卡盘1的一侧的为N极，因此，从靶材30溢出的磁性材料原子团/分子团会受到磁体702的吸引作用也向右偏移；因此，在第二腔室10中形成的磁性薄膜的厚度从左至右逐渐增厚。

故，本实施例中的第二腔室11与上述实施例1提供的第二腔室11形成的薄膜的形貌一致。

因此，基于与上述实施例1相同的原理，本发明实施例提供的磁控溅射设备可以获得均匀性好的薄膜。

实施例3

图7为本发明实施例3提供的磁控溅射沉积方法的流程图。请参阅图7，本发明实施例提供的一种磁控溅射沉积方法，采用本发明上述实施例1和2提供的磁控溅射设备，磁控溅射沉积方法包括以下步骤：

S1，将基片S传输至第一腔室10内，预设沉积第一厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积。

具体地，预设沉积第一厚度薄膜的工艺参数是指在理想情况下预先设置使基片10的各个位置厚度均为第一厚度(即，厚度均匀)的工艺参数，在该步骤S1完成之后，实际沉积的薄膜的形貌如图4中的第一薄膜40。

S2，将基片S传输至第二腔室11内，预设沉积第二厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积。

具体地，预设沉积第二厚度薄膜的工艺参数是指在理想情况下预先设置使基片10的各个位置厚度均为第二厚度(即，厚度均匀)的工艺参数，步骤S2实际沉积的薄膜如图4中的第二薄膜50。

在该步骤S2完成之后，最终沉积的薄膜的形貌如图4中的第一薄膜40和第二薄膜50叠加之后的形貌。

执行上述步骤S1～S2至少一次。

因此，本发明实施例提供的磁控溅射沉积方法，可以获得均匀性较好的薄膜。

优选地，第一厚度等于第二厚度，这样，二者的形貌尽可能地接近，也就能够尽可能地通过步骤S2补偿步骤S1的薄膜厚度差，从而获得较均匀的薄膜。

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，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，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，其特征在于，包括第一腔室和第二腔室；

所述第一腔室和所述第二腔室均包括磁控管和偏置磁场装置；

所述偏置磁场装置用于在各自承载基片的卡盘表面形成水平磁场，该水平磁场用于在基片上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；

所述磁控管包括磁性相反的内磁极和外磁极；

所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相同，所述磁控管产生的磁场方向相反；或者

所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置产生的水平磁场的磁场方向相反，所述磁控管产生的磁场方向相同。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管的结构相同。

3.根据权利要求1或2所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置的结构相同。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管均沿旋转轴进行旋转，用于对靶材表面进行扫描，且所述旋转轴与靶材的中心在同一直线上。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管均固定设置。

6.根据权利要求4或5所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的磁控管的内磁极和外磁极均为环形磁极；

所述内磁极设置在所述外磁极的环形空间内，且在各个位置处二者的间隙相等。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的数量为多个，且二者数量相同；

所处磁控溅射设备还包括传输腔室和位于所述传输腔室内的机械手；

多个所述第一腔室和多个所述第二腔室围绕所述传输腔室交替间隔设置，且均与所述传输腔室相连通；

所述机械手用于在所述传输腔室、所述第一腔室和所述第二腔室之间传输基片。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述第一腔室和所述第二腔室的偏置磁场装置均包括环绕所述卡盘设置的磁体组；

所述磁体组包括两段呈圆弧状的磁体，二者对称环绕在所述卡盘的两侧，且其中一段磁体N极与其中另一段磁体中的S极均朝向所述卡盘。

9.一种磁控溅射沉积方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的磁控溅射设备，所述磁控溅射沉积方法包括以下步骤：

S1，将基片传输至所述第一腔室内，预设沉积第一厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积；

S2，将所述基片传输至所述第二腔室内，预设沉积第二厚度薄膜的工艺参数，在该工艺参数下进行沉积；

执行上述步骤S1～S2至少一次。

10.根据权利要求9所述的磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述第一厚度等于第二厚度。