CN109576663A - 磁控溅射装置以及磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁控溅射装置以及磁控溅射方法。其中，磁控溅射装置包括：具有工艺腔室的腔体，设置在工艺腔室内的靶材、阴极板以及至少一个移动组合；每个所述移动组合包括设置在所述靶材远离所述阴极板一侧的阳极板，以及设置在所述阴极板远离所述靶材一侧的磁极组；所述阳极板与所述靶材之间具有成膜基板放置区，所述成膜基板放置区用于放置待成膜基板，同一所述移动组合内的所述阳极板与所述磁极组相对于放置在所述成膜基板放置区中的所述待成膜基板同步运动。本申请阳极板与磁极组相对于待成膜基板同步运动，使得恒定分布的等离子体在待成膜基板上扫描式移动，进而可以解决磁场不均造成的成膜不均问题。

Description

磁控溅射装置以及磁控溅射方法

技术领域

本申请涉及镀膜技术领域，特别是涉及一种磁控溅射装置以及磁控溅射方法。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积的一种，其可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料薄膜，且具有高速、低温、低损伤等优点。

磁控溅射装置通常包括腔体、靶材以及阴极板，腔体围成工艺腔室，靶材与阴极板位于工艺腔室内，靶材与腔体之间具有成膜基板放置区，成膜基板放置区用于放置成膜基板。磁控溅射装置工作时，腔体作为阳极板接地，而阴极板接入负电位，进而在阴极板与腔体之间产生电场且电离出等离子体轰击靶材，实现对成膜基板的溅射。磁控溅射装置还在阴极板的一侧设有磁极组，利用磁极组的磁场对电子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

但是，目前磁极组在可对电子进行束缚的有效磁场方向上的场强分布不均，导致靠近靶材表面的等离子体区域内的等离子体密度分布不均匀，进而使得成膜基板上所溅射的薄膜厚度不均匀。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高成膜均匀性的磁控溅射装置以及磁控溅射方法。

一种磁控溅射装置，包括：具有工艺腔室的腔体，设置在工艺腔室内的靶材、阴极板以及至少一个移动组合；每个所述移动组合包括设置在所述靶材远离所述阴极板一侧的阳极板，以及设置在所述阴极板远离所述靶材一侧的磁极组；所述阳极板与所述靶材之间具有成膜基板放置区，所述成膜基板放置区用于放置待成膜基板，同一所述移动组合内的所述阳极板与所述磁极组相对于放置在所述成膜基板放置区中的所述待成膜基板同步运动。

在其中一个实施例中，所述磁极组可产生环形磁场，定义所述环形磁场在平行于所述成膜基板放置区的平面上的分量方向为第一方向，所述同步运动在所述第一方向上具有运动分量。

在其中一个实施例中，所述同步运动的方向为第一方向。

在其中一个实施例中，所述磁极组包括n个磁铁，n为大于1的正整数；至少两个所述磁铁沿所述第一方向依次排布，沿所述第一方向依次排布的相邻两个磁铁的磁场方向相反。

在其中一个实施例中，定义垂直于所述成膜基板放置区的方向为第二方向，与所述第一方向以及所述第二方向均垂直的方向为第三方向，至少两个所述磁铁沿所述第三方向依次排布，沿所述第三方向依次排布的各磁铁的磁场方向相同。

在其中一个实施例中，所述磁极组在第三方向上的长度与所述成膜基板放置区在第三方向上的长度相同，所述阳极板在所述第三方向上的长度与所述成膜基板放置区在第三方向上的长度相同。

在其中一个实施例中，当所述移动组合为多个时，各所述阳极板设置于与所述成膜基板放置区的距离相同的一个平面上，且各所述磁极组设置于与所述成膜基板放置区的距离相同的另一平面上。

在其中一个实施例中，每个所述移动组合中的所述磁极组的最外围轮廓在所述成膜基板放置区上的正投影包围同一移动组合内的所述阳极板在该平面上的正投影。

在其中一个实施例中，所述阴极板将所述工艺腔室分隔为互不连通的两个部分。

一种磁控溅射方法，所采用的磁控溅射装置包括具有工艺腔室的腔体，设置在工艺腔室内的靶材、阴极板、以及至少一个移动组合；每个所述移动组合包括设置在所述靶材远离所述阴极板一侧的阳极板，以及设置在所述阴极板远离所述靶材一侧的磁极组；所述阳极板与所述靶材之间具有成膜基板放置区，

所述磁控溅射方法包括如下步骤：

提供待成膜基板；

将所述待成膜基板放入所述成膜基板放置区；

使各所述移动组合中的阳极板与所述阴极板之间形成电位差；

驱动位于同一所述移动组合内的所述阳极板与所述磁极组相对于所述待成膜基板同步运动，以在所述待成膜基板上溅射成膜。

在其中一个实施例中，所述运动为往复运动。

上述磁控溅射装置，形成至少一个移动组合。同一移动组合内的阳极板与磁极组相对设置且可相对于待成膜基板同步运动。由于磁控溅射装置在进行溅射时，同一移动组合内的阳极板与磁极组之间的等离子体分布恒定。因此，阳极板与磁极组相对于所述待成膜基板同步运动，使得该恒定分布的等离子体在待成膜基板上扫描式移动，进而可以解决磁场不均造成的成膜不均问题。

附图说明

图1为一个实施例中磁控溅射装置示意图；

图2为一个实施例中磁极组在第三方向排布图；

图3为一个实施例中磁控溅射方法流程图。

附图标记：

100-腔体；200-阳极板；300-靶材；400-阴极板；500-磁极组；510-条形磁铁。

具体实施方式

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

如图1所示，本申请提供的磁控溅射装置包括具有工艺腔室110的腔体100，设置在工艺腔室内的靶材300、阴极板400以及至少一个移动组合；每个移动组合包括设置在靶材300远离阴极板400一侧的阳极板200，以及设置在阴极板400远离靶材300一侧的磁极组500；阳极板200与靶材300之间具有成膜基板放置区，所述成膜基板放置区用于放置待成膜基板B，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500相对于放置在成膜基板放置区中的待成膜基板B同步运动。

在磁控溅射装置工作时，可通过对阳极板200与阴极板400施加不同的电位，而在二者之间产生电位差，进而可以产生等离子体来轰击二者之间的靶材300。靶材300可为金属靶材、半导体靶材或绝缘体靶材。

具体地，阳极板200与阴极板400之间由于具有电位差而形成电场。在电场的作用下，从阴极板400表面发射出电子，电子在电场的加速下能量迅速提高。高能电子与反应气体(通常可选择氩气)分子相碰撞，使气体分子电离。带正电的粒子在电场的加速下，以高能量轰击靶材300表面，将靶原子或分子击出，而使靶材300发生溅射。阳极板200与靶材300之间具有成膜基板放置区，成膜基板放置区即放置待成膜基板B的区域。溅射时，被轰击出的靶原子或分子会沉积在待成膜基板B上，形成薄膜。同时，高能粒子碰撞靶材300表面又会产生大量二次电子，电子又在电场的加速下成为高能电子。高能电子再与反应气体碰撞而将其电离，从而继续对靶材300进行轰击。

本实施例的磁控溅射装置，由于在进行溅射时，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500之间的等离子体(包括阴极板400与阳极板200之间产生的等离子体以及磁场束缚作用增加的等离子体)分布相对恒定，因此，阳极板200与磁极组500相对于待成膜基板B同步运动，使得该恒定分布的等离子体在待成膜基板B上扫描式移动，进而可以解决磁场不均造成的成膜不均问题。

并且，本申请阳极板200位于成膜基板放置区(也即待成膜基板B)的与靶材300相背的一侧，即位于待成膜基板B成膜一侧的相背侧。因此，阳极板200移动不会产生过多影响成膜质量的杂质颗粒，进而可保证待成膜基板B上所成薄膜的质量良好。

需要注意的是，这里描述的“运动”为一种匀速运动，或者误差允许范围内的近似匀速运动，进而保证成膜均匀性。

同时，本申请同一移动组合内的阳极板200与磁极组500相对设置，其相对形式可以有多种，可以一个阳极板200与一个磁极组500相对设置，也可以多个阳极板200与一个磁极组500相对设置，也可以一个阳极板200与多个磁极组500相对设置，本申请对此不作限制。但是，在本申请的一个实施例中，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500一一相对设置，该种设置方式更加便于对磁控溅射装置进行控制。

在一个实施例中，磁极组500可产生环形磁场。定义该环形磁场在平行于成膜基板放置区所在平面上的分量方向为第一方向。同一移动组合内的阳极板200与磁极组500的同步运动在第一方向上具有运动分量。

所以，第一方向X为可对电子进行束缚的有效磁场方向。传统沉积方式，没有阳极板200，且磁极组500也通常不可移动。由于磁场为环形，其在第一方向上的场强分布不均匀，导致靠近靶材300表面的等离子体区域内的等离子体密度在第一方向上分布不均匀，进而导致向待成膜基板B溅射的膜层在第一方向上不均匀。

在本实施例中，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500相对设置且可相对于待成膜基板B同步运动。同步运动在第一方向(即X方向)上具有运动分量，使得该恒定分布的等离子体在第一方向上扫描式移动，进而可以解决该方向上磁场不均造成的成膜不均问题。

由于环形磁场造成的溅射成膜不均主要表现在第一方向上，因此，在本申请的一个实施例中，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500设置成可在第一方向上相对于待成膜基板B同步运动。当然，本申请实施例中，阳极板200与磁极组500也可设置成在与第一方向X成一定角度的方向上相对于腔体100同步运动，只要其运动方向在第一方向X具有分量即可。

在一个实施例中，磁极组500包括n个磁铁，n为大于1的正整数。n个磁铁中，至少两个磁铁沿第一方向依次排布，且沿第一方向依次排布的相邻两个磁铁的磁场方向相反。

具体地，磁极组500可以包括至少两个间隔排布的条形磁铁510。每个条形磁铁510在与第一方向垂直的方向上的两端分别为N极或者S极。相邻条形磁铁510的N极和S极设置方式相反，从而在不同的磁铁间实现环形磁场的产生。

在一个实施例中，参考图2，定义垂直于成膜基板放置区的方向为第二方向Y，与第一方向X以及第二方向Y均垂直的方向为第三方向Z。至少两个磁铁沿第三方向依次排布，沿第三方向依次排布的各磁铁的磁场方向相同，进而可以确保环形磁场具有足够的场强。

在一个实施例中，磁极组500在第三方向上的长度与成膜基板放置区在第三方向上的长度相同。同时，阳极板200在第三方向上的长度与成膜基板放置区在第三方向上的长度相同。进而使得溅射成膜时，阳极板200以及与之相对应的磁极组500可在第一方向上移动，且可完成较为均匀的溅射成膜。

在一个实施例中，各磁极组沿第三方向也可以只包括一个磁铁，该磁铁在第三方向上的长度与成膜基板放置区在第三方向上的长度相同。

此时，磁极组500产生的环形磁场在第三方向(即Z方向)上磁场分量对成膜均匀性影响忽略不计，因此，可以设置阳极板200在第三方向上的长度与成膜基板放置区在第三方向上的长度相同，进而使得溅射成膜时，阳极板200以及与之相对应的磁极组500只需在第一方向上移动，而不需要在第三方向上再移动即可完成均匀的溅射成膜。

在一个实施例中，移动组合为多个。多个指两个或者两个以上。多个移动组合内的各阳极板200设置于与成膜基板放置区的距离相同的一个平面上。同时，多个移动组合内的各磁极组500设置于与成膜基板放置区的距离相同的另一平面上。也就是说，当移动组合为多个时，每个移动组合中的阳极位于同一个平行于成膜基板放置区的平面上，因此，本实施例可以实现阳极板200以及磁极组500的有效拼接，进而提高溅射均匀性。

在一个实施例中，每个移动组合中的磁极组500的最外围轮廓在成膜基板放置区上的正投影包围同一移动组合内的阳极板200在该平面上的正投影。因此，阳极板200不存在不受磁场作用而直接与阴极板400相对的部分。

当阳极板200存在不受磁场作用而直接与阴极板400相对的部分时，阳极板200的该部分与阴极板400之间由于无磁场束缚而增加的等离子体，因此导电粒子较少，电阻较大，进而使得相对应的阴极板400容易因承受电压过大而受损，影响阴极板400的使用寿命。在本实施例中，阳极板200不存在不受磁场作用而直接与阴极板400相对的部分，因此可以有效提高阴极板400的使用寿命。

在本申请实施例中，阴极板400还可以作为隔板，将工艺腔室110分隔成互不连通的两部分空间，第一部分空间具有靶材300以及阳极板200，第二部分空间具有磁极组500。进而便于在第一部分空间中进行溅射。

如图3所示，上述磁控溅射装置的磁控溅射方法，包括如下步骤：

步骤S1，提供待成膜基板B。

待成膜基板B用来沉积薄膜，其可以选择为玻璃基板等。

步骤S2，将待成膜基板B放入成膜基板放置区。

待成膜基板B可以先放入底座上，然后随该底座放入工艺腔室110内的成膜基板放置区。

待成膜基板B放入工艺腔室后，首先，通过机械泵、真空泵等将工艺腔室内进行抽真空处理，使得工艺腔室内达到所需真空条件；然后，向工艺腔室内通入反应气体(例如，氩气)。

步骤S3，在阳极板200与阴极板400之间设置电位差。

在本申请的一个实施例中，该步骤可具体包括：将阳极板200接入正电位，阴极板400接入负电位。此时，阳极板200与阴极板400接入电位时，需要保证阳极板200与阴极板400和腔体100间的电位差均不足以电离反应气体而形成等离子体。

本申请单独设立了阳极板200，阳极板200与阴极板400配合形成电场而电离出等离子体，而非将腔体100作为阳极。因此，在所需电位差一定的情况下，设置接入正电位的阳极板200，可使得阴极板400上所加的负电位可相较于将腔体100作为阳极的时候阴极板400上所加的负电位小，进而降低对阴极板400电位的要求。

同时，为了保证用电安全，还可以将腔体接地。此时，阳极板200上的正电位与阴极板400上的负电位根据需要合理设置，进而保证阳极板200与腔体100间的电位差不足以产生等离子体，且阴极板400与腔体100间的电位差也不足以产生等离子体，且阴极板400和阳极板200之间的电位差保证产生等离子体。

步骤S4，同一移动组合内的阳极板200与磁极组500相对于待成膜基板B同步运动，以在待成膜基板上溅射成膜。

同一移动组合内的阳极板200与磁极组500在第一方向上同步运动时，使得该恒定分布的等离子体在待成膜基板上上扫描式移动，进而可以改善该方向上磁场不均造成的成膜不均问题。

由于单次移动有可能会导致成膜厚度不足。因此，在本申请的一个实施例中，可以使得上述同步运动为同步往复运动，进而使得待成膜基板B可以沉积足够厚度的薄膜。

或者，在本申请的一个实施例中，磁控溅射装置也可设置多个移动组合。此时，多个移动组合内的阳极板200与磁极组500同时相对于待成膜基板B按时间前后依序同步运动，进而对待成膜基板B进行溅射成膜。此时，也可以确保待成膜基板B可以沉积足够厚度的薄膜，同时也加快可成膜速度。这里的“多个”指两个以及两个以上。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于，包括：具有工艺腔室的腔体，设置在工艺腔室内的靶材、阴极板以及至少一个移动组合；每个所述移动组合包括设置在所述靶材远离所述阴极板一侧的阳极板，以及设置在所述阴极板远离所述靶材一侧的磁极组；所述阳极板与所述靶材之间具有成膜基板放置区，所述成膜基板放置区用于放置待成膜基板，同一所述移动组合内的所述阳极板与所述磁极组相对于放置在所述成膜基板放置区中的所述待成膜基板同步运动。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁极组可产生环形磁场，定义所述环形磁场在平行于所述成膜基板放置区的平面上的分量方向为第一方向，所述同步运动在所述第一方向上具有运动分量。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述同步运动的方向为第一方向。

4.根据权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁极组包括n个磁铁，n为大于1的正整数；至少两个所述磁铁沿所述第一方向依次排布，沿所述第一方向依次排布的相邻两个磁铁的磁场方向相反。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射装置，其特征在于，定义垂直于所述成膜基板放置区的方向为第二方向，与所述第一方向以及所述第二方向均垂直的方向为第三方向，至少两个所述磁铁沿所述第三方向依次排布，沿所述第三方向依次排布的各磁铁的磁场方向相同。

6.根据权利要求5所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁极组在第三方向上的长度与所述成膜基板放置区在第三方向上的长度相同，所述阳极板在所述第三方向上的长度与所述成膜基板放置区在第三方向上的长度相同。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，当所述移动组合为多个时，各所述阳极板设置于与所述成膜基板放置区的距离相同的一个平面上，且各所述磁极组设置于与所述成膜基板放置区的距离相同的另一平面上。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，每个所述移动组合中的所述磁极组的最外围轮廓在所述成膜基板放置区上的正投影包围同一移动组合内的所述阳极板在该平面上的正投影。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述阴极板将所述工艺腔室分隔为互不连通的两个部分。

10.一种磁控溅射方法，其特征在于，所采用的磁控溅射装置包括具有工艺腔室的腔体，设置在工艺腔室内的靶材、阴极板、以及至少一个移动组合；每个所述移动组合包括设置在所述靶材远离所述阴极板一侧的阳极板，以及设置在所述阴极板远离所述靶材一侧的磁极组；所述阳极板与所述靶材之间具有成膜基板放置区，

所述磁控溅射方法包括如下步骤：

提供待成膜基板；

将所述待成膜基板放入所述成膜基板放置区；

使各所述移动组合中的阳极板与所述阴极板之间形成电位差；

驱动位于同一所述移动组合内的所述阳极板与所述磁极组相对于所述待成膜基板同步运动，以在所述待成膜基板上溅射成膜。