CN111235539A - 一种小孔内壁薄膜沉积方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小孔内壁薄膜沉积方法及装置，属于薄膜沉积技术领域，沉积方法在于，将靶材倾斜设置在待溅射材料的上方，以使靶材离子以设定角度射向待溅射材料的小孔内壁上，所述靶材为圆柱形靶材，且靶材的直径为100‑200mm；在溅射过程中，同时控制待溅射材料匀速转动，以实现靶材离子在小孔内壁上的均匀沉积。本发明将靶材倾斜设置，一方面可以使用小直径靶材实现大面积的均匀沉积，提高了沉积效率的同时降低了靶材损耗，节约成本；另一方面，斜靶磁控溅射的沉积方法可以使靶材离子以一定角度射向待溅射材料，从而使靶材离子以一定角度射向小孔内壁，而非向直溅射一样沉积方向与小孔内壁平行，沉积的效率和结合强度更好。
Description
技术领域
本发明属于薄膜沉积技术领域，具体涉及一种小孔内壁薄膜沉积方法，另外，本发明还涉及一种小孔内壁薄膜沉积装置。
背景技术
磁控溅射沉积是利用离子在电场中加速后具有一定动能的原理，将气体离子引向溅射靶材激发靶材表面离子，再在电场的作用下将溅射出的靶材离子沿一定方向射向基底材料，从而实现基底表面薄膜的沉积，因为其成膜均匀，膜基结合力与成膜速率高而在实际工程中有广泛的应用。
目前在实际工程中，当需要对材料内孔壁进行薄膜沉积时，一般使用在内孔中放置柱状靶材或者使用大功率直溅射的方式来实现。
在实现本发明的过程中，发明人发现上述现有技术存在如下缺陷：
采用在内孔中防止柱状靶材方式时，圆柱形的靶材需要能够放置在内孔中且留出一定的空间，这就需要为每一个内孔单独配置一根圆柱形靶材，且需要配套定制化设备，无论是成本还是生产效率上都有诸多限制。大功率直溅射的方式适用于几微米到几十微米之间的微孔，并且这种方法需要大直径的靶材，而且由于溅射功率高、靶材离子密度大，所以造成的靶材损耗十分严重，成本高昂。
发明内容
基于上述背景问题，本发明旨在提供一种小孔内壁薄膜沉积方法，即采用斜靶磁控溅射的方法进行小孔内壁的薄膜沉积，可以使用小直径靶材实现大面积的均匀沉积，提高了沉积效率的同时降低了靶材损耗，节约了成本。本发明的另一目的是提供一种小孔内壁薄膜沉积装置。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案是：
一方面，本发明实施例提供一种小孔内壁薄膜沉积方法，将靶材倾斜设置在待溅射材料的上方，以使靶材离子以设定角度射向待溅射材料的小孔内壁上，所述靶材为圆柱形，且靶材的直径为100-200mm。
优选地，所述靶材与竖直面的夹角介于45-80°之间。
在一个实施例中，在溅射过程中，同时控制待溅射材料匀速转动，以实现靶材离子在小孔内壁上的均匀沉积。
优选地，在溅射过程中，控制待溅射材料同时公转和逆向自转。
优选地，在溅射过程中，同时对待溅射材料施加负偏压，以控制靶材离子的运动轨迹。
优选地，控制溅射过程中的溅射功率为150-250W，溅射时间为1-2h，氩分压为3-5Pa。
在一个实施例中，在溅射前对待溅射材料先进行射频清洗，射频清洗功率为100W，时间为3-5min。
其中，所述小孔的直径介于0.2mm-100mm之间，所述小孔的深径比不超过7。
另一方面，本发明实施例还提供一种小孔内壁薄膜沉积装置，包括：旋转托盘，通过驱动件驱动匀速转动；冷却水套，设置在旋转托盘上方，用于固定和冷却靶材；外接电极，与所述冷却水套连接。
在一个实施例中，所述旋转托盘上还嵌设有若干个用于放置待溅射材料的分体旋转盘，所述分体旋转盘可单独旋转，以使旋转托盘转动时待溅射材料同时自转。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
1、本发明将靶材倾斜设置，即采用斜靶磁控溅射的方法进行小孔内壁的薄膜沉积，一方面可以使用小直径靶材实现大面积的均匀沉积，提高了沉积效率的同时降低了靶材损耗，节约成本；另一方面，斜靶磁控溅射的沉积方法可以使靶材离子以一定角度射向待溅射材料，从而使靶材离子以一定角度射向小孔内壁，而非向直溅射一样沉积方向与小孔内壁平行，沉积的效率和结合强度更好。
2、本发明在溅射的过程中，控制待溅射材料匀速转动，实现了靶材离子在小孔内壁上的均匀沉积，不会出现溅射区域不均匀、溅射层厚度不均匀的现象。
3、本发明在溅射过程中同时对待溅射材料施加负偏压，可以控制靶材离子的运动轨迹，使其尽可能多的沉积到小孔内壁上。
4、本发明在溅射前对待溅射材料进行清洗，可以避免了小孔内壁残留杂质对薄膜沉积效果的影响。
5、本发明的实施不需要使用定制的设备结构，使用通用的斜靶材磁控溅射设备即可以实现，普适性高，成本低，可以实现大规模低成本生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术以及实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为现有小孔内壁薄膜沉积方法的示意图；
图2为另一现有小孔内壁薄膜沉积方法的示意图；
图3为本发明实施例1中小孔内壁薄膜沉积方法的示意图；
图4为本发明实施例5中小孔内壁薄膜沉积装置的结构示意图；
图5为本发明实施例6中旋转托盘的结构示意图。
具体实施方式
目前在对小孔内壁进行薄膜沉积时常采用在内孔中放置柱状靶材或者使用大功率直溅射的方式实现，内孔中放置柱状靶材的方式如图1所示，使用大功率直溅射的方式如图2所示。
采用在内孔中放置柱状靶材有着诸多限制：圆柱形的靶材需要能够放置在内孔中且留出一定的空间，这就需要为每一个空间单独配置一根圆柱形靶材，且需要配套定制化设备，因而无论是成本还是生产效率上都有诸多限制。因此在内孔中放置柱状靶材的方式只适用于大直径(直径大于100mm或以上)的大型工件的孔内壁薄膜沉积。
使用大功率直溅射的内孔壁薄膜沉积方法主要适用于半导体行业的硅通孔，这类孔径一般是微米级别，介于几微米到几十微米之间，通过大功率溅射提高靶材离子的空间密度，从而实现内孔壁的薄膜沉积，但是这类方法需要大直径的靶材，而且由于溅射功率高、靶材离子密度大，所以造成的靶材损耗十分严重，成本高昂。
基于上述问题，本发明实施例提供一种小孔内壁薄膜沉积方法，将靶材倾斜设置在待溅射材料的上方，以使靶材离子以设定角度射向待溅射材料的小孔内壁上，所述靶材为圆柱形靶材，且靶材的直径为100-200mm，一方面可以使用小直径靶材实现大面积的均匀沉积，提高了沉积效率的同时降低了靶材损耗，节约成本；另一方面，斜靶磁控溅射的沉积方法可以使靶材离子以一定角度射向待溅射材料，从而使靶材离子以一定角度射向小孔内壁，而非向直溅射一样沉积方向与小孔内壁平行，沉积的效率和结合强度更好。
靶材根据需要可以选用各种金属/非金属靶材(如Ti，BN，Cr,Mo，Au，Si，SiC等)，也可以使用多个靶材按顺序溅射，或多个靶材同时反应溅射的形式；待溅射材料可以是金属(如Fe/Cu/Cr/不锈钢等)/非金属(Al2O3，ZrO，BN等)或复合材料(铝基复合材料，钛基复合材料等)，小孔的直径介于0.2mm-100mm之间，小孔的深径比不超过7。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种小孔内壁薄膜沉积方法，如图3所示，将靶材1倾斜设置在待溅射材料2的上方，以使靶材离子以设定角度射向待溅射材料2的小孔201的内壁上。本实施例中将95％的氧化铝陶瓷作为待溅射材料2，待溅射材料2上开设有直径为0.2mm、深1.2mm的小孔201，在小孔201的内壁上进行Ti金属薄膜的沉积。
本实施例的沉积方法具体包括以下步骤：
(1)将氧化铝陶瓷进行超声清洗，清洗时间10-20min，经99.9％的干燥氮气吹干3min后，在烘箱中空气氛围下烘干20-30min，烘干温度150-200℃，得到待溅射材料2；对待溅射材料2进行检查，确保其小孔201的内壁清洁、无杂质，并进行磁控溅射前的射频清洗，射频清洗功率100W，时间3-5min。
(2)使用靶材1(钛靶)开始进行磁控溅射，靶材1与竖直面的夹角为45°，直流溅射功率150W，溅射时间2h，氩分压3Pa，同时在工件上施加负偏压，控制靶材离子的运动轨迹，使其尽可能多的沉积到小孔内壁上。
(3)将沉积薄膜后的待溅射材料2超声清洗10-20min，在150-200℃的空气烘箱中烘干的得到孔内壁沉积Ti薄膜的氧化铝陶瓷材料，沉积的金属薄膜厚度介于1-2μm之间。
实施例2
本实施例以氧化锆陶瓷为待溅射材料2，待溅射材料2上开设有直径为30mm、深210mm的小孔201，在小孔201的内壁上进行Si薄膜的沉积。
本实施例的沉积方法具体包括以下步骤：
(1)将氧化锆陶瓷进行超声清洗，清洗时间10-20min，经99.9％的干燥氮气吹干3min后，在烘箱中空气氛围下烘干20-30min，烘干温度150-200℃，得到待溅射材料2；对待溅射材料2进行检查，确保其小孔201的内壁清洁、无杂质，并进行磁控溅射前的射频清洗，射频清洗功率100W，时间3-5min。
(2)使用靶材1(Si靶)开始进行磁控溅射，靶材1与竖直面的夹角为60°，直流溅射功率200W，溅射时间1.5h，氩分压4Pa，同时在工件上施加负偏压，控制靶材离子的运动轨迹，使其尽可能多的沉积到小孔内壁上，磁控过程中同时控制待溅射材料2匀速转动，转速为15r/min，以使薄膜均匀沉积。
(3)将沉积薄膜后的待溅射材料2超声清洗10-20min，在150-200℃的空气烘箱中烘干的得到孔内壁沉积Si薄膜的氧化锆陶瓷材料，沉积的薄膜厚度介于1-2μm之间。
实施例3
本实施例以Fe为待溅射材料2，待溅射材料2上开设有直径为100mm、深300mm的小孔201，在小孔201的内壁上进行Mo金属薄膜的沉积。
本实施例的沉积方法具体包括以下步骤：
(1)将Fe进行超声清洗，清洗时间10-20min，经99.9％的干燥氮气吹干3min后，在烘箱中空气氛围下烘干20-30min，烘干温度150-200℃，得到待溅射材料2；对待溅射材料2进行检查，确保其小孔201的内壁清洁、无杂质，并进行磁控溅射前的射频清洗，射频清洗功率100W，时间3-5min。
(2)使用靶材1(Mo靶)开始进行磁控溅射，靶材1与竖直面的夹角为80°，直流溅射功率250W，溅射时间1h，氩分压5Pa，同时在工件上施加负偏压，控制靶材离子的运动轨迹，使其尽可能多的沉积到小孔内壁上，磁控过程中同时控制待溅射材料2匀速转动，转速为25r/min，以使薄膜均匀沉积。
(3)将沉积薄膜后的待溅射材料2超声清洗10-20min，在150-200℃的空气烘箱中烘干的得到孔内壁沉积Mo薄膜的Fe材料，沉积的金属薄膜厚度介于1-2μm之间。
实施例4
本实施例以铝基复合材料为待溅射材料2，待溅射材料2上开设有直径为1mm、深5mm的小孔201，在小孔201的内壁上进行BN薄膜的沉积。
本实施例的沉积方法具体包括以下步骤：
(1)将铝基复合材料进行超声清洗，清洗时间10-20min，经99.9％的干燥氮气吹干3min后，在烘箱中空气氛围下烘干20-30min，烘干温度150-200℃，得到待溅射材料2；对待溅射材料2进行检查，确保其小孔201的内壁清洁、无杂质，并进行磁控溅射前的射频清洗，射频清洗功率100W，时间3-5min。
(2)使用靶材1(BN靶)开始进行磁控溅射，靶材1与竖直面的夹角为75°，射频溅射功率220W，溅射时间1.3h，氩分压4Pa，同时在工件上施加负偏压，控制靶材离子的运动轨迹，使其尽可能多的沉积到小孔内壁上，磁控过程中控制待溅射材料2同时公转和自转，以使薄膜进一步均匀沉积。
(3)将沉积薄膜后的待溅射材料2超声清洗10-20min，在150-200℃的空气烘箱中烘干的得到孔内壁沉积BN薄膜的铝基复合材料，沉积的金属薄膜厚度介于1-2μm之间。
实施例5
本实施例提供一种小孔内壁薄膜沉积装置，如图4所示，包括旋转托盘3、冷却水套4、外接电极5以及溅射腔体6。
在本实施例中，所述旋转托盘3通过驱动件驱动匀速转动，使用时将待溅射材料2放置在旋转托盘3上以带动待溅射材料2匀速转动。所述冷却水套4设置在旋转托盘3上方，用于固定靶材1，以使靶材1倾斜对准待溅射材料2，同时对靶材1进行冷却。所述外接电极5与冷却水套4连接。
旋转托盘3和冷却水套4均设置在溅射腔体6内，外接电极5的顶端穿出溅射腔体6工作时先将溅射腔体6抽真空，然后充氩气以达到一定的氩分压，以提供溅射之前的气氛环境，避免杂质气体对溅射效果造成影响。
在溅射过程中，旋转托盘3可以带动待溅射材料2匀速转动，实现了靶材离子在小孔内壁上的均匀沉积，不会出现溅射区域不均匀、溅射层厚度不均匀的现象。
实施例6
本实施例提供一种小孔内壁薄膜沉积装置，如图5所示，与实施例5不同的是，本实施例的旋转托盘3上还嵌设有若干个分体旋转盘301，所述分体旋转盘301可单独旋转，使用时将待溅射材料2放置在分体旋转盘301上，溅射过程中旋转托盘3匀速转动的过程中，各个分体旋转盘301同时自转，即在溅射过程中，待溅射材料2公转的同时也在绕其中心进行逆向自转，进一步使膜层沉积均匀。
需要说明的是，本发明对驱动件的结构并不做具体限制，任何能够实现旋转托盘3转动的时候分体旋转盘301同时转动的机械结构均可。
另需说明的是，本发明的溅射设备的结构以及负偏压施加设备属于本领域常规结构，本发明沉积装置的保护点在于旋转托盘以及分体旋转盘的设置。
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，将靶材倾斜设置在待溅射材料的上方，以使靶材离子以设定角度射向待溅射材料的小孔内壁上，所述靶材为圆柱形靶材，且靶材的直径为100-200mm。
2.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，所述靶材的与竖直面的夹角介于45-80°之间。
3.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，在溅射过程中，同时控制待溅射材料匀速转动，以实现靶材离子在小孔内壁上的均匀沉积。
4.根据权利要求3所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，在溅射过程中，控制待溅射材料同时公转和逆向自转。
5.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，在溅射过程中，同时对待溅射材料施加负偏压，以控制靶材离子的运动轨迹。
6.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，控制溅射过程中的溅射功率为150-250W，溅射时间为1-2h，氩分压为3-5Pa。
7.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，在溅射前对待溅射材料先进行射频清洗，射频清洗功率为100W，时间为3-5min。
8.根据权利要求1所述的小孔内壁薄膜沉积方法，其特征在于，所述小孔的直径介于0.2mm-100mm之间，所述小孔的深径比不超过7。
9.一种小孔内壁薄膜沉积装置，其特征在于，包括：
旋转托盘，通过驱动件驱动匀速转动；
冷却水套，设置在旋转托盘上方，用于固定和冷却靶材；
外接电极，与所述冷却水套连接；
溅射腔体，容置所述旋转托盘和冷却水套，用于提供溅射所需的气氛环境。
10.根据权利要求9所述的小孔内壁薄膜沉积装置，其特征在于，所述旋转托盘上还嵌设有若干个用于放置待溅射材料的分体旋转盘，所述分体旋转盘可单独旋转，以使旋转托盘转动时待溅射材料同时逆向自转。
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|---|---|---|---|---|
| CN112725749A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-04-30 | 惠州市芯瓷半导体有限公司 | 一种增加陶瓷孔内壁附着力的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10121237A (ja) * | 1996-10-11 | 1998-05-12 | Sony Corp | スパッタ装置 |
| CN101405432A (zh) * | 2006-03-21 | 2009-04-08 | 山特维克知识产权股份有限公司 | 连续沉积生产线中的边缘涂布 |
| CN102449741A (zh) * | 2009-07-21 | 2012-05-09 | 株式会社爱发科 | 覆膜表面处理方法以及覆膜表面处理装置 |
| JP2013256707A (ja) * | 2012-06-14 | 2013-12-26 | Canon Inc | 成膜装置 |
| CN105683406A (zh) * | 2013-05-23 | 2016-06-15 | 欧瑞康先进科技股份公司 | 用于填充通孔的方法及基板通孔填充真空处理系统 |
-
2020
- 2020-03-10 CN CN202010161540.3A patent/CN111235539B/zh active Active
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