CN112481595A - 一种离子束溅射镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子束溅射镀膜设备，包括预真空腔室、溅射腔室、基片台、溅射离子源、清洗离子源和溅射靶台，预真空腔室与溅射腔室对接且二者之间设置一控制通断的隔离阀，基片台位于溅射腔室内并可从溅射腔室移动至预真空腔室内，清洗离子源设于溅射腔室内并与基片台相对布置，溅射靶台可旋转的设于溅射腔室内，溅射离子源可旋转的设于溅射腔室内，溅射离子源朝向溅射靶台，溅射靶台朝向基片台。本发明具有优化溅射工艺膜层均匀性以及沉膜速率、防止溅射离子束超出溅射靶材范围导致所沉积膜层引入杂质、利于缩小溅射靶材尺寸，提高溅射靶材有效利用率、降低溅射靶材使用成本的优点。

Description

一种离子束溅射镀膜设备

技术领域

本发明涉及溅射镀膜技术领域，尤其涉及一种离子束溅射镀膜设备。

背景技术

离子束溅射镀膜技术是各类镀膜技术中最重要技术之一，广泛应用于光学元件、航空发动机、微电子器件和材料表面处理领域中。

新一代红外器件、压力传感器等器件金属化及钝化/绝缘层工艺要求薄膜与基片粘附性好、基片沉积过程中保持低温且沉膜均匀大，业内早期使用热蒸发、磁控溅射设备进行薄膜制备，最早采用的热蒸发技术，薄膜本身致密性不很理想，磁控溅射技术，薄膜沉积过程中温升高且沉积材料与基片衬底的粘附性不好。相比之下，采用离子束溅射沉积技术可满足红外器件、压力传感器等器件膜层对粘附力的要求，同时实现金属及非金属薄膜的低温生长。为克服基底材料或者光刻胶的低温要求特性，采用水冷或者其他液体冷却基片台的方法进行沉积，但是该方法大部分适用于4～6英寸，难以实现8英寸以上的基片。为了实现更大均匀区域沉膜，有牺牲沉积速率人为增大基片台与靶材之间距离达到增大沉积区域的目的，也有在沉积过程中采用靶台摆动来增大沉积均匀区域，但是该方法沉积区域均匀性不可控，对靶台防交叉污染设计带来了极大难度。同时许多器件生产单位为了节约成本，对新一代离子束沉积设备又提出了高温工艺要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种优化溅射工艺膜层均匀性以及沉膜速率、防止溅射离子束超出溅射靶材范围导致所沉积膜层引入杂质、利于缩小溅射靶材尺寸，提高溅射靶材有效利用率、降低溅射靶材使用成本的离子束溅射镀膜设备。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种离子束溅射镀膜设备，包括预真空腔室、溅射腔室、基片台、溅射离子源、清洗离子源和溅射靶台，所述预真空腔室与溅射腔室对接且二者之间设置一控制通断的隔离阀，所述基片台位于溅射腔室内并可从溅射腔室移动至预真空腔室内，所述清洗离子源设于溅射腔室内并与基片台相对布置，所述溅射靶台可旋转的设于溅射腔室内，所述溅射离子源可旋转的设于溅射腔室内，所述溅射离子源朝向溅射靶台，所述溅射靶台朝向基片台。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述基片台的前方设有可对基片台部分遮挡的工艺修正板，所述工艺修正板可移动的设于溅射腔室内。

所述工艺修正板包括固定板、支撑板和多个上修正块和多个下修正块，所述支撑板固定在固定板上，所述固定板可移动的设于溅射腔室，多个上修正块安成一排的安装在支撑板上，多个下修正块成一排的安装在支撑板上且一一对应在各上修正块的下方，所述上修正块和下修正块均设有调节腰型槽，所述上修正块和对应的下修正块可相互靠近或远离。

所述基片台与工艺修正板之间设有基片隔离挡板，所述基片隔离挡板可转动的设于溅射腔室内。

所述基片隔离挡板上设有检测清洗离子源的清洗离子束流均匀性的法拉第杯。

所述隔离阀与基片台之间设有可转动的隔离阀挡板。

所述溅射离子源安装于溅射腔室的维护门上。

所述基片台与基片隔离挡板之间设有匀气圆环，所述匀气圆环上均匀布置多个匀气孔，所述匀气圆环通过进气管路安装在溅射腔室内。

所述基片台内布置有液体管路和电阻丝。

所述溅射靶台的四周均设有溅射靶材，对应各溅射靶材的侧边均设有靶台隔离板，所述靶台隔离板可转动或者可升降的设于溅射靶台上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的离子束溅射镀膜设备，溅射离子源、基片台及溅射靶台成一定角度布置，可根据工艺结果调节溅射离子源角度、溅射靶材基距和溅射靶材角度，优化溅射工艺膜层均匀性以及沉膜速率。溅射离子源角度可调，防止溅射离子束超出溅射靶材范围导致所沉积膜层引入杂质，有利于缩小溅射靶材尺寸，提高溅射靶材有效利用率，降低溅射靶材使用成本，提高设计容错率。具有可单独的清洗离子源，用于对基片台上基片进行离子束清洗，去除基片表面的脏污及氧化物，提高薄膜与基片的粘附力。

(2)本发明的离子束溅射镀膜设备，溅射离子源安装在溅射腔室维护门上，可通过移动腔室门来增大离子源维护空间，不需要将离子源从腔室取出，大幅度缩短离子源维护时间，提高生产效率。

(3)本发明的离子束溅射镀膜设备，具有单独的清洗离子源，用于对基片进行离子束清洗，去除基片表面的脏污及氧化物，提高薄膜与基片的粘附力，同时清洗离子源具有角度调节功能，可根据工艺效果调节清洗离子源角度，提高清洗均匀性。

(4)本发明的离子束溅射镀膜设备，靶台最多可安装四种靶材，用于沉积多层薄膜，同时靶台具有冷却靶材功能，可进行大束流沉积薄膜，解决薄膜沉积过程中靶材发热引起的工艺效果差以及靶材从固定背板脱落等问题。

(5)本发明的离子束溅射镀膜设备，靶台配置二套防污挡板，可以隔离靶材粒子污染相邻的靶材。靶台配置一套隔离挡板，可以隔离离子源放电预热及基片清洗过程中所去除物污染靶材。

(6)本发明的离子束溅射镀膜设备，基片台液体控温加电阻丝控温方式，可满足如红外器件基片及带有光刻胶的基片对低温工艺要求，降低温度对基片的损伤，同时又满足其它基片对高温工艺的要求，提高膜层与基片的粘附力。

(7)本发明的离子束溅射镀膜设备，基片隔离挡板，可以防止清洗离子源放电预热、溅射离子源放电预热、靶材清洗过程中不稳定束流以及不纯靶材粒子对基片的损伤及污染，同时配置法拉第杯用于清洗离子束流大小及均匀性检测，实现清洗均匀性在线检测。

(8)本发明的离子束溅射镀膜设备，具有可调节与基片之间距离的工艺修正板，适用于多种靶材沉膜均匀性的修正，提高膜层均匀性，可低成本解决基片所沉积膜层中心厚边缘薄的膜层不均匀问题。

(9)本发明的离子束溅射镀膜设备，本发明中隔离阀挡板，可以隔离基片台热量向隔离阀扩散，同时在基片清洗、靶材清洗、膜层沉积阻挡离子束及靶材粒子损坏隔离阀板。

(10)本发明的离子束溅射镀膜设备，中具有基片匀气环装置，可以通入反应气体进行反应清洗及溅射，提升了清洗效率、薄膜沉积均匀性及可沉积薄膜种类。

(11)本发明的离子束溅射镀膜设备，离子束溅射镀膜设备可根据工艺结果调整溅射离子源角度、靶角度、靶基距、工艺修正板，优化工艺结果，解决大尺寸高均匀性沉积及薄膜与基片粘附力差的问题。

(12)本发明的离子束溅射镀膜设备，具有预真空室，溅射腔室不暴露大气，缩短真空获得时间，降低了因溅射沉积腔体污染造成的薄膜质量差的问题，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的离子束溅射镀膜设备的结构示意图。

图2是本发明中工艺修正板的结构示意图。

图3是本发明中上修正块或者下修正块的结构示意图。

图4是本发明中工艺修正板与基片的位置关系。

图中各标号表示：

1、预真空腔室；2、溅射腔室；21、维护门；3、基片台；4、溅射离子源；5、清洗离子源；6、溅射靶台；7、隔离阀；8、工艺修正板；801、调节腰型槽；81、固定板；82、支撑板；83、上修正块；84、下修正块；85、第一螺栓；86、修正板调节杆；861、调节孔；87、第二螺栓；9、基片隔离挡板；10、法拉第杯；11、隔离阀挡板；12、匀气圆环；13、进气管路；14、溅射靶材；15、靶台隔离板；16、清洗离子源调节杆；17、清洗离子源屏蔽罩；18、溅射离子源调节杆；19、溅射离子源屏蔽罩。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图4所示，本实施例的离子束溅射镀膜设备，包括预真空腔室1、溅射腔室2、基片台3、溅射离子源4、清洗离子源5和溅射靶台6，预真空腔室1与溅射腔室2对接且二者之间设置一控制通断的隔离阀7，基片台3位于溅射腔室2内并可从溅射腔室2移动至预真空腔室1内，清洗离子源5设于溅射腔室2内并与基片台3相对布置，溅射靶台6可旋转的设于溅射腔室2内，溅射离子源4可旋转的设于溅射腔室2内，溅射离子源4朝向溅射靶台6，溅射靶台6朝向基片台3。

预真空腔室1、溅射腔室2均配置有对应的真空系统。基片台3上装有基片，基片台3在溅射镀膜时带着基片旋转。溅射靶台6上有溅射靶材14。装片时，隔离阀7打开，预真空腔室1与溅射腔室2连通，基片台3退到预真空腔室1内进行装片，装片结束后，基片台3返回至溅射腔室2，并关闭隔离阀7，等待溅射镀膜结束后，重新打开隔离阀7，基片台3再退到预真空腔室1内进行卸片。溅射镀膜时，溅射离子源4的溅射离子束打到溅射靶台6的溅射靶材14，溅射靶材14溅射到基片台3的基片上，在基片上沉积镀膜。

溅射离子源4、基片台3及溅射靶台6成一定角度布置，可根据工艺结果调节溅射离子源4角度、溅射靶材14基距和溅射靶材14角度，优化溅射工艺膜层均匀性以及沉膜速率。溅射离子源4角度可调，防止溅射离子束超出溅射靶材14范围导致所沉积膜层引入杂质，有利于缩小溅射靶材14尺寸，提高溅射靶材14有效利用率，降低溅射靶材14使用成本，提高设计容错率。具有可单独的清洗离子源5，用于对基片台3上基片进行离子束清洗，去除基片表面的脏污及氧化物，提高薄膜与基片的粘附力。

本实施例中，溅射离子源4采用聚焦型栅网，缩小离子束轰击靶材的区域，避免离子束打出靶材区域而造成污染，用于靶材清洗及薄膜溅射沉积。

本实施例中，采用插板阀作为隔离阀7来实现预真空腔室1与溅射腔室2的连通或者隔断，可实现预真空腔室1的基片推进或退出到溅射腔室2的清洗或溅射工位。

本实施例中，基片台3安装在一基片台板上，可通过气缸整体翻转，基片台3通过电机及丝杆机构进出装卸片工位(预真空腔室1内)及清洗或溅射工位(溅射腔室2内)，通过电机带动同步带实现基片台3旋转，同时，基片台3内布置有液体管路及电阻丝，控温液体通过耐高温旋转接头进出基片台3，电阻丝加热供电采用导电滑环实现。

相应的，该离子束溅射镀膜设备配设有温度控制系统，采用液体控温加电阻丝控温的方式实现20℃～500℃范围内温度控制，外部温控器加热或制冷液体通入到基片台3内，实现温度范围-20℃～100℃控制；当需要更高温度控制时，排空基片台3管路内的控温液，采用电阻丝加热，实现基片台3的100℃～500℃的控制。

本实施例中，溅射靶台6通过电机驱动实现自由旋转，用于调节溅射靶材14角度，靶台安装靶面设计水冷，用于冷却溅射靶材14，提高溅射离子束束流密度，增大沉积速率，解决薄膜沉积过程中溅射靶材14发热引起的工艺效果差的问题。

本实施例中，溅射靶台6为四边形，最多可安装四种溅射靶材14，用于沉积多层薄膜，可根据工艺材料需要自由配置靶材。通过溅射靶台6的旋转，以使各溅射靶材14移动至当前溅射的工位。溅射靶台6的四周均设有溅射靶材14，对应各溅射靶材14的侧边均设有靶台隔离板15，各靶台隔离板15可转动设于溅射靶台6上。当前溅射的工位上的靶台隔离板15位于靶台与溅射离子源4之间，保护当前工位靶材，隔离清洗离子源5放电过程中所去除物污染靶材。当前溅射的工位两侧的靶台隔离板15为靶台防污挡板，位于当前溅射靶材14两侧，与当前溅射的工位上的靶台隔离板15垂直，防止当前工位靶材粒子被离子源轰击时污染相邻的溅射靶材14。靶台隔离板15通过旋转的方式进行遮挡或者不遮挡。需要说明的是，在其他实施例中，靶台隔离板15也可以采用升降的方式。

本实施例中，基片台3的前方设有可对基片台3部分遮挡的工艺修正板8，工艺修正板8可移动的设于溅射腔室2内。

具体的工艺修正板8包括固定板81、支撑板82和多个上修正块83和多个下修正块84，支撑板82固定在固定板81上，固定板81可移动的设于溅射腔室2，多个上修正块83安成一排的安装在支撑板82上，多个下修正块84成一排的安装在支撑板82上且一一对应在各上修正块83的下方，上修正块83和下修正块84均设有调节腰型槽801，上修正块83和对应的下修正块84可相互靠近或远离。上、下修正块垂直于支撑板82。上、下修正块在垂直于支撑板82方向上的总长可以调节，上、下修正块通过第一螺栓85紧固，通过调节腰型槽801的设置，可以移动上、下修正块，使上、下修正块相互靠近重叠或者相互远离展开。各上修正块83的长度不同，各下修正块84的长度不同。通过工艺修正板8的设置，可实现对基片台3的部分区域遮挡，如图4所示，工艺修正板8与基片a的关系，通过根据工艺结果进行调节形成最终形状，从而提高溅射沉积均匀性，实现大尺寸高均匀区沉积，适用于多种靶材沉膜均匀性的修正，可低成本解决基片所沉积膜层中心厚边缘薄的膜层不均匀问题。溅射腔室2内壁上设有修正板调节杆86，所述固定板81通过第二螺栓87安装在修正板调节杆86上，修正板调节杆86上设有多个间隔布置的调节孔861，通过调节孔861可以调节工艺修正板8与基片台3之间的间距。

本实施例中，基片台3与工艺修正板8之间设有基片隔离挡板9，基片隔离挡板9可转动的设于溅射腔室2内。基片隔离挡板9可实现对基片台3的遮挡或开启，当遮挡基片台3时，基片隔离挡板9与基片台3同心，保护溅射离子源4初始放电时不稳定束流损伤基片，阻挡清洗靶材时不纯的靶材粒子污染基片。同时在基片隔离挡板9上配置法拉第杯10，检测清洗离子束流大小及均匀性，实现清洗均匀性在线检测。即在溅射开始之前，需要对溅射靶材14清洗，以使后续溅射到基片上的靶材粒子是纯的或者没有被污染的，清洗靶材时就需要关闭基片隔离挡板9，清洗靶材结束后，在打开基片隔离挡板9，以使清洗后的靶材对基片进行溅射镀膜。

本实施例中，隔离阀7与基片台3之间设有可转动的隔离阀挡板11。在清洗离子源5清洗基片过程中，避免清洗离子束流轰击隔离板阀7而造成损伤，同时也防止靶材清洗以及镀膜时隔膜薄膜污染隔离阀7。清洗离子源5具有角度调节功能，可根据工艺效果调节清洗离子源5角度，提高清洗均匀性。清洗离子源5采用平面或发散型栅网，结合基片台旋转实现对基片的均匀清洗，用于去除基片表面氧化物及脏污，提高膜层与基片之间的粘附力。清洗离子源5通过清洗离子源调节杆16安装在溅射腔室2的腔壁上，清洗离子源调节杆16部分伸出溅射腔室2，通过清洗离子源屏蔽罩17保护。

本实施例中，溅射离子源4通过溅射离子源调节杆18安装于溅射腔室2的维护门21上，可通过移动腔室门来增大离子源维护空间，不需要将离子源从腔室取出，大幅度缩短离子源维护时间，提高生产效率。溅射离子源调节杆18部分伸出维护门21外，通过溅射离子源屏蔽罩19保护。

本实施例中，基片台3与基片隔离挡板9之间设有匀气圆环12，匀气圆环12上均匀布置多个匀气孔，匀气圆环12通过进气管路13安装在溅射腔室2内。采用圆环设计，圆环上分布匀气孔，可通入Ar、N₂、O₂、SF₆等气体实现气体吹扫、反应清洗、反应溅射沉积。

本实施例中，该离子束溅射镀膜设备配设有电控系统，通过计算机以及PLC等方式控制溅射离子源4、溅射靶台6、基片台3、各隔离板等工作，可以根据离子源参数自动跟踪调整离子束流大小，不需要人为干预，降低人力成本的同时提高工艺重复性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种离子束溅射镀膜设备，其特征在于：包括预真空腔室(1)、溅射腔室(2)、基片台(3)、溅射离子源(4)、清洗离子源(5)和溅射靶台(6)，所述预真空腔室(1)与溅射腔室(2)对接且二者之间设置一控制通断的隔离阀(7)，所述基片台(3)位于溅射腔室(2)内并可从溅射腔室(2)移动至预真空腔室(1)内，所述清洗离子源(5)设于溅射腔室(2)内并与基片台(3)相对布置，所述溅射靶台(6)可旋转的设于溅射腔室(2)内，所述溅射离子源(4)可旋转的设于溅射腔室(2)内，所述溅射离子源(4)朝向溅射靶台(6)，所述溅射靶台(6)朝向基片台(3)。

2.根据权利要求1所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述基片台(3)的前方设有可对基片台(3)部分遮挡的工艺修正板(8)，所述工艺修正板(8)可移动的设于溅射腔室(2)内。

3.根据权利要求2所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述工艺修正板(8)包括固定板(81)、支撑板(82)和多个上修正块(83)和多个下修正块(84)，所述支撑板(82)固定在固定板(81)上，所述固定板(81)可移动的设于溅射腔室(2)，多个上修正块(83)安成一排的安装在支撑板(82)上，多个下修正块(84)成一排的安装在支撑板(82)上且一一对应在各上修正块(83)的下方，所述上修正块(83)和下修正块(84)均设有调节腰型槽(801)，所述上修正块(83)和对应的下修正块(84)可相互靠近或远离。

4.根据权利要求2所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述基片台(3)与工艺修正板(8)之间设有基片隔离挡板(9)，所述基片隔离挡板(9)可转动的设于溅射腔室(2)内。

5.根据权利要求4所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述基片隔离挡板(9)上设有检测清洗离子源(5)的清洗离子束流均匀性的法拉第杯(10)。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述隔离阀(7)与基片台(3)之间设有可转动的隔离阀挡板(11)。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述溅射离子源(4)安装于溅射腔室(2)的维护门(21)上。

8.根据权利要求4所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述基片台(3)与基片隔离挡板(9)之间设有匀气圆环(12)，所述匀气圆环(12)上均匀布置多个匀气孔，所述匀气圆环(12)通过进气管路(13)安装在溅射腔室(2)内。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述基片台(3)内布置有液体管路和电阻丝。

10.根据权利要求1至5任意一项所述的离子束溅射镀膜设备，其特征在于：所述溅射靶台(6)的四周均设有溅射靶材(14)，对应各溅射靶材(14)的侧边均设有靶台隔离板(15)，所述靶台隔离板(15)可转动或者可升降的设于溅射靶台(6)上。

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