CN110819959A - 一种物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种物理气相沉积设备，包括：生长腔体；至少一第一载台，设置在所述生长腔体内；多个第二载台，设置在所述第一载台上，所述多个第二载台的转速不同于所述第一载台的转速。本发明提出的物理气相沉积设备设计合理，能够提高镀膜的均匀性。

Description

一种物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种物理气相沉积设备。

背景技术

磁控溅射法作为一种常见的物理气相沉积的方法，已经成功应用于不同薄膜的制备工艺。磁控溅射法利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质(溅射靶材)作为靶电极(阴极)。在离子能量合适的情况下，入射离子和靶材表面的原子碰撞，将后者溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向飞行，射向衬底并在衬底上沉积下来，从而实现薄膜的生长。在溅射过程中，可以控制溅射的气压与功率以及调整衬底与靶材之间的距离。

在现有的磁控溅射设备中，通常只设置有一个用于放置衬底的载台，同时载台是固定的，导致靶材和载台的相对位置是相对固定的，因此溅射离子在在衬底上的运动轨迹是相对固定的，导致形成的薄膜均匀性较差。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种物理气相沉积设备，以提高镀膜的均匀性。

为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种物理气相沉积设备，包括：

生长腔体；

至少一第一载台，设置在所述生长腔体内；

多个第二载台，设置在所述载台上，所述多个第二载台的转速不同于所述载台的转速。

在一实施例中，所述第一载台通过第一转轴连接第一驱动单元，所述第一驱动单元设置在所述生长腔体外。

在一实施例中，所述第一载台上设置有多个固定孔，所述多个固定孔内设置有多个第二驱动单元，所述多个第二驱动单元通过多个第二转轴连接所述多个第二载台。

在一实施例中，所述第一驱动单元通过所述第一转轴带动所述第一载台以第一转动方向旋转。

在一实施例中，所述多个第二驱动单元通过所述多个第二转轴带动所述多个第二载台以第二转动方向旋转。

在一实施例中，所述第一转动方向与所述第二转动方向为相同或相反的转动方向。

在一实施例中，所述第一转动方向和所述第二转动方向为相同的转动方向时，所述载台的转速大于或小于所述第二载台的转速。

在一实施例中，还包括一靶材，所述靶材位于所述第一载台相对的位置上。

在一实施例中，所述靶材，所述第一载台及所述多个第二载台之间存在转速差。

本实施例还提出一种物理气相沉积设备，包括：

运送腔体；

预处理腔体，连接所述运送腔体；

生长腔体，连接所述运送腔体，其中，所述生长腔体包括：

至少第一载台，设置在生长腔体内；

多个第二载台，设置在所述载台上，所述多个第二载台的转速不同于所述第一载台的转速。

本发明提出一种物理气相沉积设备，通过在第一载台上设置多个第二载台，且第二载台与第一载台之间存在转速差，即第二载台的转速不同于第一载台的转速，因此在第二载台上的衬底的运动轨迹变化复杂，使得溅射离子在沉积过程更加均匀，提高了镀膜的均匀性。

附图说明

图1：本实施例中物理气相沉积设备的结构示意图。

图2：本实施例中第一载台的剖视图。

图3：本实施例中第一载台的俯视图。

图4：本实施例中第二载台的结构示意图。

图5：本实施例中第一载台和第二载台的旋转示意图。

图6：本实施例中多个第一载台的简要示意图。

图7：本实施例在第二载台和第三载台的位置示意图。

图8：本实施例中第二载台和第三载台的位置示意图。

图9：本实施例提出的物理气相沉积设备的简要示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提出一种物理气相沉积设备100，包括一生长腔体101，第一载台102，靶材106及磁体108。

如图1所示，该第一载台102设置在生长腔体101内，该第一载台102可例如设置在生长腔体101的底部，第一载台102可用于放置多个基板110，在本实施例中，该基板110例如为硅衬底或碳化硅衬底，可例如在硅衬底碳化硅衬底上形成金属化物膜，例如为氮化铝膜，例如为(002)取向的氮化铝膜。第一载台102的直径范围可例如为200mm-800mm，例如在400mm-600mm。第一载台102可由多种材料形成，包括碳化硅或涂有碳化硅的石墨。在一些实施例中，第一载台102包括碳化硅材料并具有2000平方厘米或以上的表面积，例如为5000平方厘米或以上，又例如为6000平方厘米或以上。

如图1所示，在本实施例中，该第一载台102还通过第一转轴104连接第一第一驱动单元105，第一驱动单元105用于带动第一载台102旋转，第一驱动单元105在膜沉积期间使第一载台102旋转，相当于改变了基板110的运动轨迹，使得溅射离子在沉积过程更加充分，能够提高镀膜均匀性以及改善镀膜应力均匀性。在本实施例中，该第一驱动单元105例如为旋转电机。

如图2-3所示，在本实施例中，该第一载台102上设置有多个固定孔1021，该固定孔1021应用放置第二载台103，同时该第二载台103上可以放置基板110。在本实施例中，多个固定孔1021均匀设置在第一载台102上，且分别设置在第一载台102的径向方向上。在本实施例中，例如四个固定孔1021设置在第一载台102的两条互相垂直的直径上，且每一固定孔1021距第一载台102的圆心的距离相等。

如图1及图4所示，第二载台103设置在固定孔102上，在每一固定孔1021内设置了第二驱动单元1032，第二载台103通过第二转轴1031连接在第二驱动单元1032，通过该第二驱动单元1032，可带动第二载台103进行自转。在本实施例中，该第二驱动单元1032的体积小于第一驱动单元105的体积，该第二驱动单元1032可例如为微型的旋转电机。

如图5所示，当在沉积过程中，第一驱动单元105带动第一载台102以第一转动方向旋转，第二载台103随着第一载台102进行旋转，同时第二驱动单元1032带动第二载台103以第二转动方向旋转，第一转动方向和第二转动方向例如为相同或相反的转动方向，当第一转动方向和第二转动方向为相同的转动方向时，第一载台102的转速大于或小于第二载台103的转速，即，第二载台103和第一载台102之间存在转速差。在一些实施例中，第二载台103的转动速度可大于第一载台102的转动速度，第二载台103的转动方向与第一载台102的转动方向相同。

然不限于此，在不同的实施例中，第二载台103的转动速度也可以小于第一载台102的转速。在不同的实施例中，第二载台103的转动方向与第一载台102的转动方向也可不相同。

如图5所示，在一些实施例中，当第一载台102停止转动时，第二载台103还可以进行转动，同时还可以根据薄膜的生长情况，调整第二载台103的转速。

在一些实施例中，第一载台102还可以顺时针转动一周，然后在逆时针转动一周，例如第一载台102交替进行顺时针转动和逆时针转动，第一载台102在进行顺时针转动时，第二载台103可进行顺时针转动或逆时针转动，当第一载台102和第二载台103同时进行顺时针转动时，第一载台102和第二载台103的转速不同。当第一载台102在进行逆时针转动时，第二载台103可进行顺时针转动或逆时针转动，当第一载台102和第二载台103同时进行逆时针转动时，第一载台102和第二载台103的转速不同。

由于第二载台103和第一载台102之间存在转速差，即第二载台103的转速不同于第一载台102的转速，第二载台103上的基板110的运动轨迹变化复杂，因此当在沉积薄膜时，溅射离子在第二载台103上的基板110上变得更加均匀，形成的薄膜更加均匀，且薄膜的应力小。

由于第一载台102的转速小于第二载台103的转速，因此在第一载台102上的基板110上形成的薄膜的均匀性比第二载台103上的基板110上形成的薄膜的均匀性差。当第一载台102固定时，在第一载台102上的基板110上形成的薄膜均匀性比第一载台102旋转时形成的薄膜均匀性差。

如图1-4所示，在本实施例中，第二转轴1031的高度高于固定孔1021的高度，由此在第二载台103上的基板110高于第一载台102上的基板110，由此在进行镀膜工作时，第二载台103上的基板110的镀膜工作和第一载台102上的基板110的镀膜工作互不影响。

如图3所示，在一些实施例中，多个固定孔1021还可以均匀设置在第一载台102内的虚拟圆上，该虚拟圆与第一载台102为同心圆，由此可将多个固定孔1021均匀或不均匀设置在第一载台102上，本实施例中，所述均匀设置例如为相邻两个固定孔1021的距离相等，且距第一载台102的圆心距离相等，所述不均匀设置例如为相邻两个固定孔1021的距离不相等。

如图1所示，在一些实施例中，基板110的选择包括但不限于蓝宝石，SiC，Si，金刚石，LiAlO₂，ZnO、W，Cu，GaN，AlGaN，AlN，碱石灰/高硅玻璃，具有匹配的晶格常数与热膨胀系数的基板、与生长于基板上的氮化物材料相容的基板或根据生长于基板上的氮化物材料而被处理(engineered)的基板、在要求的氮化物生长温度下呈热与化学稳定的基板以及未图案化或图案化的基板。在一些实施例中，靶材的选择包括，但不限于含Al金属、合金、化合物，比如Al、AlN、AlGa、Al₂O₃等，且靶材可以II/IV/VI族元素掺杂，以改善层相容性与装置性能。在一实施例中，溅射工艺气体可包括，但不限于，比如N₂、NH₃、NO₂、NO等的含氮气体和比如Ar、Ne、Kr等的惰性气体。

在一些实施例中，本发明的物理气相沉积设备可涉及用于形成高质量缓冲层和III-V族层的设备和方法，所述高品质缓冲层和III-V族层可用来形成可能的半导体组件，如射频组件、功率组件、或其它可能组件。

请参阅图1，在本实施例中，靶材106设置在生长腔体101的顶部，靶材106与溅射电源(未显示)电连接，在磁控溅射过程中，溅射电源向靶材106输出溅射功率，以使在生长腔体101内形成的等离子体刻蚀靶材106，溅射电源可以包括直流电源、中频电源或射频电源。靶材106具有至少一个表面部分是由将在设置在第一载台102上的基板110上溅射沉积的材料组成的。在一些实施例中，当例如形成AlN的缓冲层时，可使用大体上的纯铝靶材形成含AlN的缓冲层，通过使用包括惰性气体(例如氩气)和含氮气体的等离子体而溅射所述纯铝靶材。在一些实施例中，在将一或更多个外延准备就绪的基板110载入生长腔体101之后，通过使用含铝靶材和含氮处理气体在基板110上沉积连续的AlN薄膜。在一些实施例中，靶材106可由一材料形成，所述的材料选自但不限于以下各者的群组：大体上的纯铝、含铝合金、含铝化合物(如AlN，AlGa，Al₂O₃)和掺杂有II/IV/VI族元素以改良层兼容性和装置性能的含铝靶材。在溅射工艺期间使用的处理气体可包括但不限于含氮气体和惰性气体，含氮气体如氮气(N₂)、氨气(NH₃)、二氧化氮(NO₂)、氧化氮(NO)等等，惰性气体如氩气(Ar)、氖气(Ne)、氪气(Kr)等等。在一些实施例中，可通过用掺杂靶材料和/或将掺杂气体输送至所产生溅射等离子体来将掺杂原子添加至沉积薄膜，以调节沉积PVD AlN缓冲层的电特性、机械特性和光学特性，例如以使得薄膜适合在其上制造III族氮化物装置。在一些实施例中，生长腔体101内所形成的薄膜(例如AlN缓冲层)的厚度可在0.1-1000纳米之间。

请参阅图1，磁体108位于靶材106的上方，磁体108固定在固定板107上，固定板107通过连杆连接旋转单元109，该旋转单元109带动固定板107绕自身的中心轴旋转，从而带动磁体108旋转，且旋转单元109的中心轴穿过靶材106的中心轴，因此，磁体108围绕靶材106的中心轴旋转，由此形成一均匀的磁场。该均匀的磁场均匀扫描到靶材106的每个位置，以在靶材106的溅射面附近电离出更多的氩离子，使氩离子能均匀地溅射靶材106的整个表面的各个位置，提高靶材106的利用率和溅射时的均匀性，从而提高沉积薄膜的质量。磁体108随固定板107旋转运动时，靶材106可保持静止状态，也可绕自身中心轴旋转，但是靶材106的旋转速度与固定板107绕自身中心轴旋转的速度不相等，目的是使靶材106和磁体108之间存在速度差。固定安装有磁体108的固定板107保持静止时，可以通过动力源如电机来驱动靶材106环绕自身中心轴旋转，以使靶材106和磁体108之间存在速度差。靶材106和磁体108的相对运动，可使得磁体108所产生的磁场均匀地扫描过靶材106的溅射面，且由于本实施例中电场与均匀分布于靶材106溅射面的磁场同时作用于二次电子，可调整二次电子的运动轨迹以增加二次电子与氩原子的碰撞次数，使得靶材106溅射面附近的氩原子被充分电离，以产生更多的氩离子；且通过更多的氩离子轰击靶材106，可有效地提高靶材106的溅射利用率和溅射均匀性。在一些实施例中，该旋转单元109还可带动固定板107沿着旋转单元109的中心轴上升或下降，即沿着靶材106的中心轴上升或下降，即磁体108在旋转的同时上升或下降，从而可以使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率。

在本实施例中，为提高薄膜的均匀性，可以通过多种方式实现，例如当磁体108旋转，靶材106固定时，可通过第一驱动单元105和第二驱动单元1032的作用，让磁体108，第一载台102和第二载台103之间存在转速差，以提高镀膜的均匀性，又例如，当磁体108和靶材106固定时，可通过第一驱动单元105和第二驱动单元1032的作用，让第一载台102和第二载台103之间存在转速差，以提高镀膜的均匀性，又例如，当磁体108固定时，可通过让靶材106进行旋转，然后通过第一驱动单元105和第二驱动单元1032的作用，让靶材106，第一载台102和第二载台103的之间存在转速差，以提高镀膜均匀性，又例如，当磁体108，靶材106，第一载台102和第二载台103同时旋转时，使磁体108，靶材106，第一载台102和第二载台103之间存在转速差，以提高镀膜均匀性。

在一些实施例中，该物理气相沉积设备100还可包括至少一进气口，该进气口连接外部气源，该物理气相沉积设备100还可包括至少一抽气口，该抽气口连接真空泵。在溅射工艺期间使用的处理气体可包括但不限于含氮气体和惰性气体，含氮气体如氮气(N₂)、氨气(NH₃)、二氧化氮(NO₂)、氧化氮(NO)等等，惰性气体如氩气(Ar)、氖气(Ne)、氪气(Kr)等，上述气体可通过外部气源输送至腔体内。真空泵对该腔体进行抽真空处理，使得该腔体处于真空状态。

如图6所示，在本实施例中，在该生长腔体101内可例如设置两个第一载台102，两个第一载台102的转速可以相同或不同，两个第一载台102的转速方向可以相同或不同。在一些实施例中，还可以在该生长腔体101内设置四个或八个第一载台102，然不限于此。

如图7所示，在本实施例中，在第一载台102上设置有多个第二载台103及一个第三载台130，第三载台130的尺寸大于第二载台103的尺寸，多个第二载台102设置在第一载台102的四周，第三载台130位于多个第二载台103之间，且第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速不同，即第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速之间存在差值。第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速方向可以相同或不同。

如图8所示，在本实施例中，在第一载台102上设置了两个第二载台103及两个第三载台130，两个第二载台103和两个第三载台130设置在第一载台102的四周，且两个第二载台103的连线垂直于两个第三载台130的连线。第三载台130的尺寸大于第二载台103的尺寸，第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速不同，即第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速之间存在差值。第一载台102，第二载台103及第三载台130的转速方向可以相同或不同。

在一些实施例中，本申请的物理气相沉积设备的第一载台102上还可设置第四载台或更多不同类型的载台，用以放置不同的基板，或进行不同的制程步骤。值得说明的是，第一载台102上的多个载台(第二载台103、第三载台130、第四载台或更多)可具有相同的转速或不同的转速，用以依据制程需要来调整参数。

在一些实施例中，第一载台102上的多个载台(第二载台103、第三载台130、第四载台或更多)之间的转向可以是相同或不相同，用以依据制程需要来调整参数。

在一些实施例中，第一载台102上的多个载台(第二载台103、第三载台130、第四载台或更多)还可设有加热器(未显示)，用以加热载台上的基板。其中，多个载台之间的加热温度可以相同或不同，用以依据制程需要来调整参数。

如图9所示，本实施例还提出一种物理气相沉积设备，包括生长腔体100，运送腔体200，预处理腔体300，冷却腔体400。其中，生长腔体100，预处理腔体300及冷却腔体400均与运送腔体200连接，在运送腔体200内设置了机械手臂，在进行镀膜工作时，首先将基板传送至运送腔体200内，运送腔体200内的机械手臂将基板运送至预处理腔体300内，对基板进行预处理，例如预热，清洗，预处理工作完成后，运送腔体200内的机械手臂将该基板运送至生长腔体100内进行镀膜工作，镀膜工作完成后，运送腔体200内的机械手臂将该基板运送至冷却腔体内进行冷却，保存。

综上所述，本申请提出一种物理气相沉积设备，通过在第一载台上设置多个第二载台，且第二载台与第一载台存在转速差，因此在沉积过程中改变了溅射离子的沉积轨迹，由此提高了镀膜的均匀性。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种物理气相沉积设备，其特征在于，包括：

生长腔体；

至少一第一载台，设置在所述生长腔体内；

多个第二载台，设置在所述第一载台上，所述多个第二载台的转速不同于所述第一载台的转速。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一载台通过第一转轴连接第一驱动单元，所述第一驱动单元设置在所述生长腔体外。

3.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一载台上设置有多个固定孔，所述多个固定孔内设置有多个第二驱动单元，所述多个第二驱动单元通过多个第二转轴连接所述多个第二载台。

4.根据权利要求2所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一驱动单元通过所述第一转轴带动所述第一载台以第一转动方向旋转。

5.根据权利要求4所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述多个第二驱动单元通过所述多个第二转轴带动所述多个第二载台以第二转动方向旋转。

6.根据权利要求4或5所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述第一转动方向与所述第二转动方向为相同或相反的转动方向。

7.根据权利要求6所述的物理气相沉积设备，其特征在于：当所述第一转动方向和所述第二转动方向为相同的转动方向时，所述第一载台的转速大于或小于所述第二载台的转速。

8.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：还包括一靶材，所述靶材位于所述第一载台相对的位置上。

9.根据权利要求8所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述靶材，所述第一载台及所述多个第二载台之间存在转速差。

10.一种物理气相沉积设备，其特征在于，包括：

运送腔体；

预处理腔体，连接所述运送腔体；

生长腔体，连接所述运送腔体，其中，所述生长腔体包括：

至少一第一载台，设置在生长腔体内；

多个第二载台，设置在所述第一载台上，所述多个第二载台的转速不同于所述第一载台的转速。

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