CN111593309A - 溅射成膜装置及其溅射成膜方法、化合物薄膜 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种溅射成膜装置，包括：具有排气机构的真空容器；基板保持单元，其能保持多个基板；位于所述真空容器内部并且在空间上相互分离的溅射区域和反应区域；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成溅射物质；所述反应区域被配置为导入两种以上的反应气体并在该反应区域生成等离子体；所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成含有至少四种元素的化合物薄膜。该溅射成膜装置便于形成期望材料的薄膜，并在形成四种元素以上的化合物薄膜时，并不受化合物材料的限制，同时成膜效率较快，具有非常良好的应用价值。

Description

溅射成膜装置及其溅射成膜方法、化合物薄膜
技术领域
本发明涉及通过进行溅射而在基板上形成薄膜的溅射成膜装置及其溅射成膜方法、化合物薄膜。
背景技术
磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率，从而具备高速、低温、低损伤的优点。
目前，通常采用磁控溅射技术溅射获取氧化铝、氧化硅等薄膜，但是，现有的薄膜需要更低的薄膜应力以追求更高的成膜质量，而现有的氧化铝、氧化硅等薄膜无法满足这种需求。
发明内容
在目前针对溅射薄膜的研究中发现，在减少薄膜的薄膜应力时，往往伴随着薄膜的结构硬度的减小，但是薄膜需要保持一定的结构硬度(hardness)维持薄膜，从而减少薄膜应力容易降低薄膜质量，增加不良品的产生，这严重制约着光学薄膜的发展。
另外，在溅射多元素(比如4种元素及以上)的薄膜材料时，通常使用化合物靶材直接溅射获取，成膜效率较低，同时受到可溅射化合物种类的限制，选择自由度受到非常大的限制，这同样制约着光学薄膜的发展。
尤其一些4种以上化合物为陶瓷材料等绝缘材料时，靶(阴极)，等离子体，和被溅零件/真空腔体难以形成回路，如此需要在回路中加入很强的电容，形成高频电源，以使绝缘回路中的靶材等效为一个电容。但是，如此情况下的溅射速率很小，成膜速率十分缓慢。
为解决鉴于上述至少一种问题，本申请的目的是提供如下一种溅射成膜装置及其溅射成膜方法、化合物薄膜：
一种溅射成膜装置，其中，包括：
具有排气机构的真空容器；
基板保持单元，其能保持多个基板；
位于所述真空容器内部的溅射区域和反应区域；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成溅射物质；所述反应区域被配置为通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成化合物薄膜。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域和反应区域被设置为在空间上相互分离；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成溅射物质；所述反应区域被配置为导入两种以上的反应气体并在该反应区域生成等离子体；所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用，形成含有至少四种元素的化合物薄膜。
一种溅射成膜装置，其中，包括：
具有排气机构的真空容器；
基板保持单元，其能保持多个基板；
位于所述真空容器内部并且在空间上相互分离的溅射区域和反应区域；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成含有至少两种元素的溅射物质；所述反应区域被配置为导入反应气体并在该反应区域生成等离子体；所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成化合物薄膜。
作为一种优选的实施方式，所述基板保持单元为筒状；所述基板保持单元能将多个基板保持其外周面上；所述基板保持单元能被驱动单元驱动旋转，以使基板在所述溅射区域及所述反应区域之间反复移动。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域通过溅射形成的溅射物质通过反应区域中产生的等离子体处理形成薄膜；所述真空容器设有间隔壁；所述间隔壁将所述溅射区域与所述反应区域彼此分开。
作为一种优选的实施方式，所述真空容器靠近所述反应区域设有排气机构。
作为一种优选的实施方式，所述真空容器内设有一个或更多个所述反应区域；一个或更多个所述反应区域被配置为同时导入两种或更多种反应气体，或者，被配置为至少两种反应气体交替导入。
作为一种优选的实施方式，所述反应区域设有用于形成等离子体的等离子体源；所述等离子体源包括ICP源、ECR源、离子源中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域与所述反应区域沿所述基板保持单元运动方向在空间上相互分离；所述溅射区域和所述反应区域在真空容器内存在电磁耦合或电气耦合。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成含有至少两种金属元素的溅射物质。
作为一种优选的实施方式，所述真空容器内沿所述基板保持单元运动方向设有至少两个在空间上相互分离的溅射区域；至少两个所述溅射区域所溅射的靶材的材料不同，以在基板上形成含有至少两种元素的溅射物质。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域溅射的靶材包括金属元素和/或含有金属元素的化合物。
作为一种优选的实施方式，所述靶材包括以下至少一种材料：Si、Al、Ta、C、Cr、Mg、Ca、Y、SiOx、AlOx、TiOx、CrOx、TaOx。
作为一种优选的实施方式，所述溅射区域与所述反应区域被配置为在所述基板上形成如下至少一种薄膜：SiAlON、Mg-SiAlON、Ca-SiAlON、Y-SiAlON、TiAlON。
作为一种优选的实施方式，所述真空容器设有两个在空间上相互分离的所述溅射区域；两个所述溅射区域包括：溅射Si靶材的第一溅射区域、以及溅射Al靶材的第二溅射区域；所述反应区域被配置为导入N2和O2，从而在基板上形成SiAlON薄膜。
作为一种优选的实施方式，所述第一溅射区域和所述第二溅射区域被配置为溅射参数可调，所述溅射参数包括溅射功率、溅射电压、溅射电流中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述溅射成膜装置具有向所述溅射区域中导入惰性气体的第一输气部。
作为一种优选的实施方式，所述第一输气部被配置为可调节所述惰性气体的气体输送参数；所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述第一输气部能向所述溅射区域中导入氩气；所述第一输气部导入氩气的流量为200ccm以上。
作为一种优选的实施方式，所述等离子体源的等离子体产生参数可调，所述等离子体产生参数包括电源功率、电源电压、天线电流中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述溅射成膜装置具有向所述反应区域中导入惰性气体、反应性气体、以及惰性气体和反应性气体的混合气体中的任意一种的第二输气部；所述第二输气部被配置为可调节所输送气体的气体输送参数；所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。
一种溅射成膜方法，所述溅射成膜方法采用如上任一所述的溅射成膜装置，其中，所述溅射成膜方法包括：
将多个基板导入成膜区域内，所述成膜区域利用溅射放电的溅射等离子体从靶材释放出溅射粒子，并使溅射粒子到达所述基板的表面进行堆积，形成溅射物质；
然后使所述基板移动至反应区域内，所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成含有至少四种元素的化合物薄膜。
一种化合物薄膜，其中，所述化合物薄膜采用如上所述的溅射成膜方法或者如权利要求1-21任一所述的溅射成膜装置制成。
作为一种优选的实施方式，所述化合物薄膜包括如下至少一种薄膜：SiAlON、Mg-SiAlON、Ca-SiAlON、Y-SiAlON、TiAlON。
有益效果：
皆有以上技术方案，本申请所提供的溅射成膜装置通过反应区域被配置成与溅射区域在空间上分离，反应区域与溅射区域彼此独立，从而构成可以分别独立地控制的区域，便于形成期望材料的薄膜，如此在形成四种元素以上的化合物薄膜时，并不受化合物材料的限制，同时成膜效率较快，具有非常良好的应用价值。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一种实施方式提供的溅射成膜装置示意图；
图2是本申请另一种实施方式提供的溅射成膜装置示意图；
图3是图1的具体结构示意图；
图4是图3的剖面图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图4。本申请实施方式中提供一种溅射成膜装置，包括：具有排气机构的真空容器11；基板保持单元，其能保持多个基板S；位于所述真空容器11内部并且在空间上相互分离的溅射区域(20和/或40)和反应区域60。其中，所述溅射区域(20和/或40)被配置为通过溅射靶材在基板S上形成溅射物质；所述反应区域60被配置为导入反应性气体并在该反应区域60生成等离子体；所述反应区域60通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成化合物薄膜。
本申请实施方式中还提供一种成膜方法，该成膜方法可以应用但不限于上述实施方式或实施例中描述的成膜装置。在本实施方式中，将多个基板导入成膜区域内，所述成膜区域利用溅射放电的溅射等离子体从靶材释放出溅射粒子，并使溅射粒子到达所述基板的表面进行堆积，形成溅射物质。
其中，在成膜区域内进行溅射粒子的堆积和基于溅射等离子体的等离子处理在基板的表面形成溅射物质。然后，使所述基板移动至反应区域内，通过(溅射等离子植物的其他)等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成含有至少四种元素的化合物薄膜。所述反应区域被配置成与成膜区域在空间上分离。
在本申请实施方式中，该溅射成膜装置还可以设有阴极电极、溅射电源、等离子体产生单元。其中，反应区域60形成于真空容器11内，并且被配置成与溅射区域20、40在空间上分离。反应区域60与溅射区域20、40彼此独立，从而构成可以分别独立地控制的区域，便于形成期望材料的薄膜。如此在形成四种元素以上的化合物薄膜时，并不受化合物材料的限制，同时成膜效率较快，具有非常良好的应用价值。
另外，反应区域60和溅射区域20、40在空间上相互分离，可以有效避免反应性气体与溅射材料提前反应或发生化学反应，而影响溅射材料在基板S的溅射堆积，导致薄膜形成质量下降，这同时有利于多元素尤其四种元素以上的化合物薄膜的形成。
在本实施方式中，溅射区域20和溅射区域40在空间上分离，彼此独立，从而构成可以分别独立地控制的区域。在一个可能的机理中，如此可以避免多种溅射元素之间在溅射至基板S之前相互反应影响，比如，硅(Si)和铝(Al)同时可以作为靶材材料，但二者同时位于相同溅射区域20或40时有可能硅和铝发生无法期望或可控甚至过量的化学反应生成硅铝化合物(比如：二硅化铝)而溅射在薄膜中形成杂质影响成膜质量，甚至无法得到期望成分的薄膜。
通常，溅射区域20、40及反应区域60在基板保持单元13的移动方向上呈上下游排布。考虑到基板保持单元13的移动通常为循环或往复运动，因此，溅射区域20、40及反应区域60具体的上下游排布顺序本实施例并没有特别的限定。
在本实施方式中，基板S在经过一次溅射区域时，其上覆盖一层溅射材料(膜)，经过反应区域60的等离子体处理后形成一层中间薄膜(中间薄膜的材料构成与最终薄膜的材料构成一致，但厚度不及最终薄膜)，经过基板保持单元13带动基板S不断循环经过溅射区域20、40及反应区域60，从而在基板S上积累数层数的中间薄膜，直至获得目标厚度的化合物薄膜。
在如图3、图4所示的实施例中，阴极电极21a、21b(或41a、41b)用于搭载靶材29。溅射电源23(或43)用于使面对靶材29的被溅射面的溅射区域20、40内产生溅射放电。等离子体产生单元用于使反应区域60内产生溅射等离子体之外的其他等离子体。所述溅射等离子体是通过在溅射区域20、40内产生的溅射放电而形成的。
在本实施例中，成膜装置1可以构成为，将靶材29搭载在阴极电极21a、21b(或41a、41b)上并接通溅射电源23(或43)，同时使等离子体产生单元工作，并且，将多个基板S保持在基板保持单元13的外周面上，使基板保持单元13旋转。由此使得从靶材29释放出的溅射粒子到达已经移动到溅射区域20、40中的基板S进行堆积。同时，进行使溅射等离子体中的离子撞击基板S或溅射粒子的堆积物的等离子体处理，形成溅射物质。然后，进行使溅射等离子体之外的其他等离子体中的离子撞击或氧化等已经移动到反应区域60中的基板S的溅射物质的等离子体再处理，与溅射物质相互作用，将所述溅射物质转换为中间薄膜，然后，使多层该中间薄膜层叠而形成薄膜。
在本申请实施方式中，所述成膜装置1还可以包括驱动单元。该驱动单元可以使基板保持单元13旋转，通过驱动单元使基板保持单元13旋转，由此使基板S在溅射区域20、40内的规定的位置与反应区域60内的规定的位置之间反复移动。所述溅射区域20、40是利用溅射等离子体从靶材29释放出的溅射粒子所到达的区域，所述反应区域60是被暴露于溅射等离子体之外的其他等离子体的区域。
在上述发明中所说的“移动”中，除曲线的移动(例如圆周移动)之外，也包括直线移动。因此，对于“使基板S从溅射区域20、40移动至反应区域60中”，除了绕某个中心轴进行公转移动的形态之外，也包括在连接某2点的直线轨道上进行往复移动的形态。
上述实施方式中所说的“旋转”除自转之外也包括公转。因此，在单纯地称为“绕中心轴旋转”的情况下，除绕某个中心轴进行自转的形态之外，也包括进行公转的形态。
上述实施方式中所说的“溅射物质”是指穿过溅射区域20、40而形成的一层覆盖在基板上溅射层(膜)。另外，“薄膜”是指将中间薄膜堆积多次而成为最终的薄膜，因此，“溅射物质”是为了防止与“薄膜”混淆而使用的用语，其比最终的“薄膜”足够薄。
在如图3、图4所示的实施例中。真空容器11为一有腔主体，该有腔主体是利用沿铅直方向(图4的纸面的上下方向。以下相同)延伸的侧壁在平面方向(与所述铅直方向垂直的方向。图3的上下左右方向和图4的垂直纸面方向，以下相同)上环绕而构成。
在本实施例中，虽然使有腔主体的平面方向上的截面形成为矩形形状，但也可以是其他形状(例如圆形等)，本发明并不作特别限定。真空容器11例如可以由不锈钢等金属构成。
在本实施例中，在真空容器11的上方可以形成有用于使轴15(参照图3)贯穿的孔，该真空容器11电接地从而可以被设置为接地电位。其中，驱动单元通过驱动该轴转动，可以带动基板保持单元转动，基板保持单元可以围绕该轴进行转动，从而使基板在溅射区域及反应区域之间切换移动。具体的，驱动单元可以为马达17。
在本实施例中，轴15由大致管状部件形成，经由配设于在真空容器11的上方形成的孔部分中的绝缘部件(未图示)，被支承成能够相对于真空容器11旋转。轴15经由由绝缘子、树脂等构成的绝缘部件支承于真空容器11，由此能够在与真空容器11电绝缘的状态下相对于真空容器11旋转。
在本实施例中，在轴15的位于真空容器11外侧的上端侧固定安装有第一齿轮(未图示)，该第一齿轮与马达17的输出侧的第二齿轮(未图示)啮合。因此，通过马达17的驱动，旋转驱动力经由第2齿轮被传递至第1齿轮，从而使轴15旋转。
在如图3、图4所示的实施例中，在轴15的位于真空容器11内侧的下端部安装有筒状的旋转体(旋转滚筒)，该筒状的旋转体构成基板保持单元13。
在本实施例中，旋转滚筒以沿其筒方向延伸的轴线Z朝向真空容器11的铅直方向(Y方向)的方式配设于真空容器11内。在本实施例中，旋转滚筒形成为圆筒状，但不限于该形状，也可以是横截面呈多边形的多棱柱形或圆锥状。旋转滚筒通过轴15的基于马达17的驱动所实现的旋转，以轴线Z为中心旋转。
在旋转滚筒的外侧(外筒)装配有基板保持单元13。该基板保持单元13为筒状。基板保持单元能将多个基板保持在其外周面上。具体的，在基板保持单元13的外周面设有多个基板保持部(例如凹部。省略图示)，能够利用该基板保持部对多个作为成膜对象的基板S从背面(是指与成膜面的相反侧的面)进行支承。
其中，基板S除塑料基板(有机玻璃基板)、无机基板(无机玻璃基板)外，还可以应用不锈钢等金属基板。作为基板S的一个示例即无机玻璃基板，例如可以列举出碱石灰玻璃(6H～7H)、硼硅酸盐玻璃(6H～7H)等。
所述基板保持单元能被驱动单元驱动旋转，以使基板S在所述溅射区域及所述反应区域之间反复移动，从而在基板S上形成目标厚度的薄膜。其中，基板保持单元13的轴线(省略图示)与旋转滚筒的轴线Z一致。因此，通过使旋转滚筒以轴线Z为中心旋转，基板保持单元13与旋转滚筒的旋转同步且与旋转滚筒成为一体地以该滚筒的轴线Z为中心旋转。
在本实施例中，所述真空容器11设有排气机构。排气机构可以将真空容器11内部气体排空，从而形成真空环境。该排气机构靠近所述反应区域60，如此可以将反应区域60泄漏(通过间隔壁16与基板保持单元13之间的间隙)的气体迅速排出，可以避免进入溅射区域中干扰溅射区域的溅射成膜。
具体的，排气机构可以包括真空泵10。其中，排气用的配管15a与真空容器11连接。用于对真空容器11内进行排气的真空泵10与配管15a连接，通过该真空泵10和控制器(省略图示)能够调节真空容器11内的真空度。真空泵10例如可以由旋转泵或涡轮分子泵(TMP：turbo molecular pump)等构成。
在配置于真空容器11内的基板保持单元13的周围，配设有溅射源(溅射靶材21a、21b、41a、41b)和等离子体源80(上述等离子体产生单元的一个具体实施例)。在如图1所示的实施例中，配设了2对溅射源和1个等离子体源80。在如图2所示的实施例中，配设了2个溅射源21a、21b、41a、41b和2个等离子体源80(PS：plasma)。其中，同一成膜区域中所配备的溅射靶材可以不同。通过设有多个溅射源、等离子体源可以便于自由地调整组成，从而能够得到所需的光学特性、应力、硬度、表面粗糙度等机械特性的薄膜。
在本申请实施方式中，只要至少有两个溅射源21a、21b、41a、41b即可，以此为标准，后述的溅射区域21a、21b、41a、41b也只要至少有两个即可。在本申请实施例中，在各溅射源21a、21b、41a、41b的前面分别形成有溅射区域20、40。相似的，在等离子体源80的前面形成有反应区域60。
在本申请实施方式中，溅射区域20(或40)形成在由真空容器11的(部分)内壁面18、间隔壁12(或14)、基板保持单元13(基板保持单元)的外周面以及各溅射源的前表面围绕而成的区域中。由此，间隔单元(间隔壁12、14)使得溅射区域20、40在真空容器11的内部分别在空间上和压力上分离，从而确保了彼此独立的空间。
如此，在形成多元素(四种元素以上)组成的化合物薄膜时，通过空间上分离的溅射区域20(或40)和反应区域60，可以对未形成化合物的组分元素材料进行溅射以及反应，由于空间上分离的溅射区域20(或40)和反应区域60可以分别单独控制成膜参数(比如各个成膜元素之间的含量)，从而可以按照期望在基板S上形成所需的化合物薄膜，同时可以有效克服对成膜组分调整自由度低的问题。
图3、图4所示的实施例中。假设对不同的两种金属材料进行溅射，并例示了设置两对磁控溅射电极的情况(21a、21b和41a、41b)。其中，磁控溅射电极21a、21b可以对Si靶材29a、29b溅射，磁控溅射电极41a、41b可以对Al靶材49a、49b溅射。
在本实施例中，反应区域60也与溅射区域20、40相同地形成在由真空容器11的内壁面18、从该内壁面111朝基板保持单元13突出的间隔壁16、基板保持单元13的外周面以及等离子体源80的前表面围绕而成的区域中。由此，反应区域60也在真空容器11的内部在空间上和压力上与溅射区域20、40分离，从而确保了独立的空间。在本实施例中，构成为能够分别独立地控制各区域20、40、60中的处理。
在本实施例中在所导入的反应处理用气体中含有反应性气体(例如氧气、氮气)的情况下，在上述等离子体中存在反应性气体的活性物质，该活性物质被引导至反应区域60中。然后，当基板保持单元13旋转而装基板S导入到反应区域60中后，对于在溅射区域20、40中形成于基板S的表面上的溅射物质(例如金属原子或该金属原子的不完全氧化物)进行等离子体暴露处理(氧化处理)，将该溅射物质转换为金属原子的完全氧化物而形成化合物薄膜。
在本申请实施方式中，所述反应区域60通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成含有至少四种元素的化合物薄膜。在本实施方式中，所述反应区域60和所述溅射区域20(或40)相配合在基板S上形成含有至少四种元素的化合物薄膜。其中，反应区域60和溅射区域20(或40)在空间上间隔开。其中，反应区域60和溅射区域20(或40)之间可以设有间隔区域，间隔区域的两侧分别是构成反应区域和溅射区域所在封闭空间的间隔壁。
其中，所述反应区域60被配置为导入两种以上的反应性气体并在该反应区域60生成等离子体。反应性气体可以与溅射物质(金属原子或金属的不完全氧化物)进行反应，形成目标化合物，最终形成目标厚度的薄膜。具体的，反应性气体可以将溅射物质氧化处理，获得薄膜的化合物组成材料。比如，通过溅射区域20、40在基板S上分别形成含有Si原子、Al原子的溅射物质。
如图1、图2所示。所述真空容器11内设有一个或更多个所述反应区域60。一个或更多个所述反应区域60被配置为同时导入两种或更多种反应性气体，或者，被配置为至少两种反应性气体交替导入(比如交替导入氮气和氧气)。真空容器11内存在多个反应区域60的情况下，多个反应区域60可以在空间上相互分离。空间上分离的反应区域60可以彼此独立，从而便于可控制成膜参数，便于实现形成四种元素以上化合物薄膜，并且成膜过程的调整自由度较高，便于获得期望性能的光学薄膜。
在图2所示的示例中，一个反应区域60中可以导入一种反应性气体，也可以同时导入两种或更多种反应性气体。当然，反应区域60中还可以导入惰性气体，本申请并不作限制。如图2所示，在基板保持单元13的运动方向上，具有两个反应区域60，每个反应区域60导入一种反应性气体。其中，一个反应区域60导入O2，另一个反应区域60导入N2。
在本实施方式中，所述溅射成膜装置在具有多个反应区域60的情况下，可以灵活地自由地调整反应性气体的输入参数，以此调整薄膜的组成，因此，可以得到所需的光学特性、应力、硬度、表面粗糙度等机械特性的薄膜。
具体的，所述反应区域60设有用于形成等离子体的等离子体源80。其中，所述等离子体源80包括ICP源(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer)、ECR源(Electron Cyclotron Resonance)、离子源(例如离子枪源)中的至少一种。不同所述反应区域60的等离子体源80也可以不同。
为便于形成期望成分的多元素化合物薄膜。所述等离子体源80的等离子体产生参数可调。其中，所述等离子体产生参数可以包括电源功率、电源电压、天线电流中的至少一种。当然，也可以对等离子体处理时间进行控制，从而获得期望的多元素化合物薄膜(含有四种元素以上的化合物薄膜)。
在本实施例中，该溅射成膜装置设有两个或两个以上(与反应区域60相配合的)等离子体源80。在具有多个反应区域60的情况下配备有多个独立控制的等离子体源80，以此调整薄膜的组成。因此，有利于得到所需的光学特性、应力、硬度、表面粗糙度等机械特性的薄膜。
本申请对于等离子体源80的结构也不特别限定。在如图3、图4所示实施例中，等离子体源80可以具有：壳体81，其以从外部堵住在真空容器11的壁面上形成的开口的方式被固定；和电介质板83，其固定于该壳体81的前表面。并且构成为，通过将电介质板83固定于壳体81上，由此，在被壳体81和电介质板83包围的区域中形成天线收纳室82。
在本实施例中，天线收纳室82从真空容器11的内部分离。即，天线收纳室82和真空容器11的内部以被电介质板83隔开的状态形成独立的空间。另外，天线收纳室82和真空容器11的外部以被壳体81隔开的状态形成独立的空间。天线收纳室82经由配管15a与真空泵10连通，通过用真空泵10抽真空，对天线收纳室82的内部进行排气从而能够使天线收纳室82的内部成为真空状态。
在本实施例中，在天线收纳室82内设有天线85a、85b。天线85a、85b经由收纳匹配电路的匹配器87与交流电源89连接。天线85a、85b接收来自交流电源89的电力供给，使真空容器11的内部(特别是区域60)产生感应电场，从而在区域60中产生等离子体。在本例中构成为，从交流电源89对天线85a、85b施加交流电压，以使区域60产生反应处理用气体的等离子体。在匹配器87内设有可变电容器，该可变电容器能够变更从交流电源89向天线85a、85b供给的功率。
所述溅射成膜装置具有向所述反应区域中导入惰性气体、反应性气体、以及惰性气体和反应性气体的混合气体中的任意一种的第二输气部。作为反应性气体，可以使用氧、臭氧等氧化性气体、氮等氮化性气体、甲烷等碳化性气体、CF4等氟化性气体等。
为进一步提升成膜组分的调整灵活性。所述第二输气部被配置为可调节所输送气体的气体输送参数。所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。当然，也可以对气体输送时间进行控制，从而获得期望的多元素化合物薄膜(含有四种元素以上的化合物薄膜)。
具体的实施例中，在等离子体源80的前面(反应区域60)连接有反应处理用气体供给单元(第二输气部)。在本实施例中，反应处理用气体供给单元(第二输气部)包括：储气瓶68，其贮藏反应处理用气体；和质量流量控制器67，其对由该储气瓶68供给的反应处理用气体的流量进行调整。反应处理用气体通过配管被导入区域60。质量流量控制器67是对反应处理用气体的流量进行调节的装置。来自储气瓶68的反应处理用气体在通过质量流量控制器67调节流量后被导入区域60。
另外，反应区域60用气体供给单元不限于上述结构(即，包括1个储气瓶和1个质量流量控制器的结构)，还可以形成为包括多个储气瓶和质量流量控制器的结构(例如是具有分别贮藏惰性气体和反应性气体的2个储气瓶和对从各储气瓶供给的各气体的流量进行调整的2个质量流量控制器的结构)。
在本申请实施方式中，所述溅射区域20(和/或40)溅射形成的溅射物质通过反应区域中产生的等离子体处理形成化合物薄膜。所述真空容器11设有间隔壁12(和/或14)。所述间隔壁12(和/或14)将所述溅射区域20(和/或40)与所述反应区域60彼此分开。所述溅射区域20(和/或40)被配置为通过溅射靶材29a、29b(和/或49a、49b)在基板S上形成含有至少两种元素的溅射物质。
进一步地，所述溅射区域20(和/或40)被配置为通过溅射靶材29a、29b(和/或49a、49b)在基板S上形成含有至少两种导电性元素的溅射物质。相应的，靶材29a、29b(和/或49a、49b)优选为导电性材料或含有导电性元素的材料。如此可以在溅射中便于形成导电回路，便于对靶材形成较快速率的溅射，能够提高成膜速率。
所述溅射区域20(和/或40)与所述反应区域60沿所述基板保持单元13运动方向在空间上相互分离。其中，间隔壁12(和/或14)可以围设在溅射区域20、40的周围，以使溅射区域20、40形成密闭空间，同时，间隔壁12(和/或14)也位于基板保持单元13与真空容器11的内壁之间。
如图3所示，间隔壁12(和/或14)远离真空容器11的内壁的一端(或一侧)靠近基板保持单元13上的基板S，但与基板S之间留有一定间隙，以避免干扰基板S随基板保持单元13往复运动，以及薄膜的形成。故，溅射区域20、40所在密闭空间为相对密闭，使其在空间上和压力上与其他区域分开即可。其中，所述溅射区域和所述反应区域在真空容器内存在电磁耦合或电气耦合，以便于溅射物质被反应性气体氧化形成目标薄膜。
在本申请实施方式中，所述溅射区域20(和/或40)被配置为通过溅射靶材29a、29b(和/或49a、49b)在基板S上形成含有至少两种金属元素或导电性元素的溅射物质。其中，至少两种金属元素或导电性元素可以含有硅和铝元素。通过测定发现，通过溅射含有金属元素或导电性元素的靶材材料可以在成膜速率上具有较大提升，同时还便于与反应性气体相反应生成多元素化合物薄膜。
在本实施方式中，所述真空容器11内沿所述基板保持单元13运动方向设有至少两个在空间上相互分离的溅射区域。至少两个所述溅射区域所溅射的靶材的材料不同，以在基板上形成含有至少两种元素的溅射物质。
其中，每个溅射区域20(或40)溅射可以一种金属或金属化合物靶材或导电性靶材。溅射区域两侧设有间隔壁12(或14)，从而形成独立的空间。每个溅射区域20(或40)拥有独立的区域，可以便于对该靶材的溅射参数进行控制，从而可以对于溅射至靶材的溅射物质量或状态进行单独控制，借此获得期望的薄膜。
为提高成膜速率，溅射区域可以以金属模式或导电模式进行溅射。为提升成膜速率，所述溅射区域20(或40)溅射的靶材可以为导电性靶材。具体的实施例中，所述溅射区域20(或40)溅射的靶材包括金属元素和/或含有金属元素的化合物。具体的，所述靶材包括以下至少一种材料：Si、Al、Ta、C、Cr、Mg、Ca、Y、SiOx、AlOx、TiOx、CrOx、TaOx。
在本申请实施方式中，经过试验测定发现，该薄膜中至少同时含有硅(Si)、铝(AI),氧(O)、氮(N)四种元素，该薄膜不仅拥有较佳的结构硬度，而且拥有更小的薄膜应力，通过空间分离的多个溅射区域、以及反应区域实现了SiAlON材料的溅射成膜，且可以保证成膜速率，具有非常高的应用价值和前景。
表格一SiAlON薄膜评价结果
项目 SiAlON
粗糙度[nm] 1.2
应力[MPa] -570
显微维氏硬度[Gpa] 20
n@550nm 1.98
k@550nm 2.7E-4
成膜速率[nm/sec] 0.7
通过表格一《SiAlON薄膜评价结果》可以明确，具有SiAlON材料的薄膜具有良好的粗糙度，更小的薄膜应力，以及更佳的显微维氏硬度，优良的光学性能，较佳的成膜速率。
当然，上述结果也可以通过比较试验得到验证。请参考表格二：
表格二 比较试验结果
Figure BDA0001974871590000151
表格二中：TG为靶材(target)；n@550为折射率；k@550、k@400为吸光系数。
从表格二中对比SiON和SiAlON薄膜可以看出，SiAlON的薄膜应力相比于SiON薄膜的薄膜应力更低，同时成膜速率更快，拥有更佳的光学性能。
具体的，所述溅射区域20(或40)与所述反应区域60被配置为在所述基板上形成如下至少一种薄膜：SiAlON、Mg-SiAlON、Ca-SiAlON、Y-SiAlON、TiAlON。
在如图3、图4实施例中，为便于形成SiAlON的薄膜。所述真空容器11设有两个在空间上相互分离的所述溅射区域20、40。两个所述溅射区域20、40包括：溅射Si靶材的第一溅射区域20、以及溅射Al靶材的第二溅射区域40。所述反应区域60被配置为导入N2和O2，从而在基板S上形成SiAlON薄膜。
在本实施方式中，如表格三所示，SiAlON薄膜也可以理解为含有SiO2、Si3N4、Al4O6、AI4N4化合物的薄膜。其中，SiO2、Si3N4、Al4O6、AI4N4在薄膜中分散分布或混合分布。在SiAlON薄膜中并不会出现单层均为SiO2、Si3N4、Al4O6、AI4N4中某一化合物的现象。
在含有上述化合物的薄膜材料中同时拥有硅(Si)、铝(AI),氧(O)、氮(N)四种元素，并具有优良的薄膜性能。SiAlON薄膜中对于SiO2、Si3N4、Al4O6、AI4N4各自的含量具有较高的要求，从而呈现出期望的光学性能和薄膜性能。通过设有空间上分离的溅射区域(溅射源)、反应区域(等离子体源)可以对SiO2、Si3N4、Al4O6、Al4N4的各自含量进行自由调整，获得期望成分含量的SiO2、Si3N4、Al4O6、Al4N4，得到期望性能的化合物薄膜。
表格三
Figure BDA0001974871590000161
其中，显微维氏硬度(マイクロビッカース硬さ)。
从上述表格三也可以看出，相对于SiON、AlON薄膜而言，SiAlON薄膜具有较佳的硬度，和较高的折射率，能够提供优良的薄膜性能，且成膜速率(rate)有着显著提升。
通过表格三可以看出，所述溅射区域与所述反应区域被配置为在所述基板上形成SiAlON薄膜。其中，所述SiAlON薄膜中的各个成分比例为：6％-22％的SiO2、33％-60％的Si3N4、7％-20％的Al4O6、4％-29％的Al4N4。
所述溅射区域与所述反应区域被配置为在所述基板上形成SiAlON薄膜；所述SiAlON薄膜中的成分满足以下关系：(SiO2+Si3N4)：(Al4O6+Al4N4)的比例范围为1.23-3.55。
其中，所述第一溅射区域和所述第二溅射区域被配置为溅射参数可调。所述溅射参数包括溅射功率、溅射电压、溅射电流中的至少一种。所述第一溅射区域和所述第二溅射区域的溅射参数可以通过对各自的溅射源控制实现。
具体的，各溅射源的结构并不特别限定。在本实施例中，作为常用的，各溅射源都分别由具备2个磁控溅射电极21a、21b(或41a、41b)的双阴极型溅射源(上述阴极电极的一个具体实施例)构成。在成膜时(后述)，靶材29a、29b(或49a、49b)分别以装卸自如的方式被保持在各电极21a、21b(或41a、41b)的一端侧表面上。在各电极21a、21b(或41a、41b)的另一端侧，经由对电量进行调整的作为功率控制单元的变压器24(或44)与作为电力供给单元的交流电源23(或43)连接，并且构成为对各电极21a、21b(或41a、41b)施加频率例如为1kHz～100kHz左右的交流电压。
在本实施方式中，所述溅射成膜装置具有向所述溅射区域20(或40)中导入惰性气体的第一输气部。所述惰性气体优选为氩气。参考表格二所示，经过研究发现，通过提升氩气的流量可以有效降低薄膜应力。具体的，所述第一输气部所导入惰性气体的流量在200sccm以上。通过增大惰性气体的流量，在溅射区域形成更大的成膜压力(溅射压力)，可以提升成膜速率，对于在基板S上形成含有4种元素以上化合物薄膜的成膜速率具有非常显著的提升。
为便于自由地调整组成，从而能够得到所需的光学特性、应力、硬度、表面粗糙度等机械特性的薄膜。所述第一输气部被配置为可调节所述惰性气体的气体输送参数；所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。
在各溅射源的前面(溅射区域20、40)连接有溅射用气体供给单元。在本实施例中，溅射用气体供给单元可以包括：储气瓶26(或46)，其贮藏溅射用气体；和质量流量控制器25(或45)，其对由该储气瓶26(或46)供给的溅射用气体的流量进行调整。溅射用气体通过配管被分别导入区域20(或40)。质量流量控制器25(或45)是对溅射用气体的流量进行调节的装置。来自储气瓶26(或46)的溅射用气体在通过质量流量控制器25(或45)调节流量后被导入区域20(或40)。通过质量流量控制器25(45)可以实现对惰性气体的流量控制，借此控制所获得目标薄膜的成分或性能，以及形成速率。
在本申请实施方式中，上述对溅射区域的溅射参数、气体输送参数、等离子体产生参数均可以通过控制器控制。控制器可以按任何适当的方式实现。具体的，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该微处理器或处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和嵌入微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)的形式，上述模块的例子包括但不限于以下微控制单元：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320。本领域技术人员也应当知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现所述控制器的功能以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制单元等形式来实现相同功能。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不是为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (24)

1.一种溅射成膜装置，其中，包括：
具有排气机构的真空容器；
基板保持单元，其能保持多个基板；
位于所述真空容器内部的溅射区域和反应区域；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成溅射物质；所述反应区域被配置为通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成化合物薄膜。
2.如权利要求1所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域和反应区域被设置为在空间上相互分离；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成溅射物质；所述反应区域被配置为导入两种以上的反应气体并在该反应区域生成等离子体；所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用，形成含有至少四种元素的化合物薄膜。
3.一种溅射成膜装置，其中，包括：
具有排气机构的真空容器；
基板保持单元，其能保持多个基板；
位于所述真空容器内部并且在空间上相互分离的溅射区域和反应区域；所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成含有至少两种元素的溅射物质；所述反应区域被配置为导入反应气体并在该反应区域生成等离子体；所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成化合物薄膜。
4.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述基板保持单元为筒状；所述基板保持单元能将多个基板保持其外周面上；所述基板保持单元能被驱动单元驱动旋转，以使基板在所述溅射区域及所述反应区域之间反复移动。
5.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域溅射形成的溅射物质通过反应区域中产生的等离子体处理形成薄膜；所述真空容器设有间隔壁；所述间隔壁将所述溅射区域与所述反应区域彼此分开。
6.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述真空容器靠近所述反应区域设有排气机构。
7.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述真空容器内设有一个或更多个所述反应区域；一个或更多个所述反应区域被配置为同时导入两种或更多种反应气体，或者，被配置为至少两种反应气体交替导入。
8.如权利要求7所述的溅射成膜装置，其中：所述反应区域设有用于形成等离子体的等离子体源；所述等离子体源包括ICP源、ECR源、离子源中的至少一种。
9.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域与所述反应区域沿所述基板保持单元运动方向在空间上相互分离；所述溅射区域和所述反应区域在真空容器内存在电磁耦合或电气耦合。
10.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域被配置为通过溅射靶材在基板上形成含有至少两种金属元素的溅射物质。
11.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述真空容器内沿所述基板保持单元运动方向设有至少两个在空间上相互分离的溅射区域；至少两个所述溅射区域所溅射的靶材的材料不同，以在基板上形成含有至少两种元素的溅射物质。
12.如权利要求11所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域溅射的靶材包括金属元素和/或含有金属元素的化合物。
13.如权利要求12所述的溅射成膜装置，其中：所述靶材包括以下至少一种材料：Si、Al、Ta、C、Cr、Mg、Ca、Y、SiOx、AlOx、TiOx、CrOx、TaOx。
14.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射区域与所述反应区域被配置为在所述基板上形成如下至少一种薄膜：SiAlON、Mg-SiAlON、Ca-SiAlON、Y-SiAlON、TiAlON。
15.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述真空容器设有两个在空间上相互分离的所述溅射区域；两个所述溅射区域包括：溅射Si靶材的第一溅射区域、以及溅射Al靶材的第二溅射区域；所述反应区域被配置为导入N2和O2，从而在基板上形成SiAlON薄膜。
16.如权利要求15所述的溅射成膜装置，其中：所述第一溅射区域和所述第二溅射区域被配置为溅射参数可调，所述溅射参数包括溅射功率、溅射电压、溅射电流中的至少一种。
17.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射成膜装置具有向所述溅射区域中导入惰性气体的第一输气部。
18.如权利要求17所述的溅射成膜装置，其中：所述第一输气部被配置为可调节所述惰性气体的气体输送参数；所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。
19.如权利要求17所述的溅射成膜装置，其中：所述第一输气部能向所述溅射区域中导入氩气；所述第一输气部导入氩气的流量为200ccm以上。
20.如权利要求8所述的溅射成膜装置，其中：所述等离子体源的等离子体产生参数可调，所述等离子体产生参数包括电源功率、电源电压、天线电流中的至少一种。
21.如权利要求1-3任一所述的溅射成膜装置，其中：所述溅射成膜装置具有向所述反应区域中导入惰性气体、反应性气体、以及惰性气体和反应性气体的混合气体中的任意一种的第二输气部；所述第二输气部被配置为可调节所输送气体的气体输送参数；所述气体输送参数包括流量、气压、流速中的至少一种。
22.一种溅射成膜方法，所述溅射成膜方法采用如权利要求1-21任一所述的溅射成膜装置，其中，所述溅射成膜方法包括：
将多个基板导入成膜区域内，所述成膜区域利用溅射放电的溅射等离子体从靶材释放出溅射粒子，并使溅射粒子到达所述基板的表面进行堆积，形成溅射物质；
然后使所述基板移动至反应区域内，所述反应区域通过等离子体中的离子与所述溅射物质相互作用形成含有至少四种元素的化合物薄膜。
23.一种化合物薄膜，其中，所述化合物薄膜采用如权利要求22所述的溅射成膜方法或者如权利要求1-21任一所述的溅射成膜装置制成。
24.如权利要求23所述的化合物薄膜，其中，所述化合物薄膜包括如下至少一种薄膜：SiAlON、Mg-SiAlON、Ca-SiAlON、Y-SiAlON、TiAlON。
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