CN113862625B - 高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法。设备包括腔体、载台、靶枪、第一气体供给系统及第二气体供给系统；腔体包括相互连通的溅射部和沉积部，溅射部位于沉积部的上方，溅射部的水平表面积小于沉积部的水平表面积；靶枪位于溅射部内，靶枪上设置有靶材；载台用于承载待沉积的衬底，衬底上具有待沉积区，沉积过程中，待沉积区位于靶枪的正下方；第一气体供给系统包括第一气体管路和第一气体喷淋头，第一气体喷淋头为复数个；第二气体供给系统包括第二气体管路，一端与第二气体源相连通，另一端延伸到沉积部内，以向沉积部供应第二气体，第二气体包括反应气体和/或保护气体。本发明有助于提高沉积效率和良率。

Description

高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法

技术领域

本发明属于气相沉积技术领域，特别是涉及一种高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法。

背景技术

传统的物理气相沉积在一次实验中只能使用一个溅射条件，包括气体流量、反应腔体压力、衬底的温度等。因此当需要对溅射工艺窗口(即设定溅射参数)进行研发时需要开展几十甚至成百上千次实验，需要花费大量的时间成本和物质成本。因此，采用高通量实验设备是必要的。高通量薄膜沉积设备用于制造材料薄膜，可以在短时间内实现大量的溅射条件组合，根据应用的需求选出最优工艺窗口。另外，现有的物理气相沉积方法要在单个晶圆上实现不同区域的薄膜的沉积，通常是通过挡板对不同区域的遮挡的技术来实现。然而挡板的加入会极大程度影响溅射出来粒子的运动，粒子可能沉积在挡板上而给后续沉积工艺带来威胁，比如对沉积的薄膜造成一些不良影响，如导致溅射速率下降、导致污染、影响薄膜的均匀性等。此外，现有的高通薄膜沉积设备存在结构复杂、成本高、不易加热、移动部件多及工作效率低等问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法，用于解决现有技术中的高通薄膜沉积设备存在结构复杂、成本高、不易加热、移动部件多及工作效率低，以及采用挡板实现单个晶圆上不同区域的薄膜沉积会影响粒子的运动而给薄膜沉积带来不良影响等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高通量薄膜沉积设备，所述高通量薄膜沉积设备包括：腔体、载台、靶枪、第一气体供给系统及第二气体供给系统；所述腔体包括相互连通的溅射部和沉积部，所述溅射部位于所述沉积部的上方，所述溅射部的水平表面积小于所述沉积部的水平表面积；所述靶枪位于所述溅射部内，所述靶枪上设置有靶材；所述载台位于所述沉积部内，用于承载待沉积的衬底，所述衬底上具有待沉积区，沉积过程中，所述待沉积区位于所述靶材的正下方；所述第一气体供给系统包括第一气体管路和第一气体喷淋头，所述第一气体管路一端与第一气体源相连通，另一端延伸至与所述溅射部内的第一气体喷淋头相连通，所述第一气体喷淋头为复数个，复数个所述第一气体喷淋头位于所述靶枪的周向上，以朝所述靶枪方向供应第一气体，所述第一气体包括惰性气体；所述第二气体供给系统包括第二气体管路，所述第二气体管路一端与第二气体源相连通，另一端延伸到所述沉积部内，且延伸到所述载台的上方，以向所述沉积部供应第二气体，第二气体包括反应气体和/或保护气体。

可选地，所述第一气体管路和/或第二气体管路上设置有质量流量计。

可选地，所述第一气体喷淋头为两个，两个所述第一气体喷淋头对称设置于所述靶枪的相对两侧。

可选地，所述第一气体喷淋头的喷淋面与水平面的夹角为锐角。

可选地，所述高通量薄膜沉积设备还包括旋转装置，与所述载台相连接，以驱动所述载台旋转，以使所述衬底上的不同的待沉积区位于所述靶材的正下方。

可选地，所述高通量薄膜沉积设备还包括调节装置，与所述靶枪相连接，用于调节所述靶枪的高度和/或角度。

可选地，所述高通量薄膜沉积设备还包括加热装置，位于所述沉积部内。

可选地，所述高通量薄膜沉积设备还包括实时测量装置，位于所述沉积部内，用于对所述衬底表面沉积的薄膜进行包括元素成分、薄膜厚度和微观结构的表征。

可选地，所述靶枪的中心点与所述载台的中心点不在同一垂线上。

本发明还提供一种薄膜沉积方法，所述薄膜沉积方法依上述任一方案中所述的高通量薄膜沉积设备进行，所述薄膜沉积方法包括将衬底放置于载台上，并使衬底的待沉积区位于靶材的正下方，在溅射过程中，通过调整衬底位置，以对衬底的不同的待沉积区进行薄膜沉积的步骤。

如上所述，本发明的高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法具有以下有益效果：本发明的高通量薄膜沉积设备结构简单、水平移动部件少、成本较低、无需挡板；位于工作平台上的衬底可以不水平移动即可改变溅射位置，且可以实现对衬底进行加热，易于集成在线测试装置及其他外部装备，可以在实现高通量共溅射的同时，避免有挡板的情况下在溅射过程中对溅射速率和薄膜均匀性造成的不良影响，有助于提高沉积效率和良率。

附图说明

图1显示为本发明实施例中提供的高通量薄膜沉积设备的例示性结构示意图。

元件标号说明

40 衬底

41 靶枪

421 溅射部

422 沉积部

43 旋转轴

44 载台

45 第一气体供给系统

451 质量流量计

452 第一气体管路

453 第一气体喷淋头

46 第二气体供给系统

461 质量流量计

462 第二气体管路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种高通量薄膜沉积设备，所述高通量薄膜沉积设备包括腔体、载台44、靶枪41、第一气体供给系统45及第二气体供给系统46；所述腔体包括相互连通的溅射部421(也可以定义为垂直部)和沉积部422(也可以定义为水平部)，所述溅射部421位于所述沉积部422的上方，所述溅射部421的水平表面积小于所述沉积部422的水平表面积，且通常也小于载台的表面积(比如溅射部421的水平表面积为所述沉积部422的水平表面积的二分之一以下)，所述溅射部421为细长结构(通常溅射部421的横向尺寸小于纵向尺寸)而所述沉积部422为扁平结构(沉积部422的横向尺寸大于纵向尺寸)，所述溅射部421垂直位于所述沉积部422的上方，以和所述沉积部422构成横截面类似⊥形或L形结构的腔体；所述靶枪41位于所述溅射部421内，所述靶枪41上设置有靶材，所述靶材用于提供溅射沉积所需的粒子，所述靶材可以为单一材质或为复合靶；所述载台44位于所述沉积部422内，用于承载待沉积的衬底40，所述衬底40包括但不限于晶圆，所述衬底40上具有待沉积区，衬底40的表面积通常与载台44的表面积基本相同，而待沉积区的面积通常小于衬底的表面积，比如待沉积区可为衬底上的一环形区域(该环形区域的中心点可和衬底的中心点一致)或衬底上的一扇形区或其他任意形状，衬底上的待沉积区可以为单个或多个，尤其是在衬底的待沉积区为多个的情况下，尤其适于采用本发明提供的高通量薄膜沉积设备进行沉积。沉积过程中，所述待沉积区位于所述靶材的正下方；所述第一气体供给系统45包括第一气体管路452和第一气体喷淋头453，所述第一气体管路452一端与第一气体源(未示出)相连通，另一端延伸至与所述溅射部421内的第一气体喷淋头453相连通，所述第一气体喷淋头453为复数个，比如为2个或以上，复数个所述第一气体喷淋头453位于所述靶枪41的周向上，以朝所述靶枪41方向供应第一气体，所述第一气体包括惰性气体，比如包括但不限于氩气，复数个第一气体喷淋头453喷出的氩气流均朝向靶材溅射出的粒子，形成类似一条氩气流道，以通过氩气流将所述靶材上的粒子带到所述衬底的待沉积区而在待沉积区沉积形成薄膜；所述第二气体供给系统46包括第二气体管路462，所述第二气体管路462一端与第二气体源(未示出)相连通，另一端延伸到所述沉积部422内，且延伸到所述载台44的上方，以向所述沉积部422，尤其是向衬底的待沉积区供应第二气体，第二气体包括反应气体和/或保护气体，所述反应气体和保护气体可以为同一种气体，比如同为氮气；当所述第二气体为反应气体时，反应气体可以与靶材产生的粒子反应以于所述衬底的待沉积区形成薄膜；而如果所述第二气体作为保护气体时，可以对衬底形成良好的保护，避免衬底污染，如果选用的反应气体为氮气，则氮气可以同时起到参与溅射反应和保护衬底的作用。由于溅射部421的水平表面积小于沉积部422的水平表面积，因而衬底不会完全暴露于溅射部421的下方，可以仅使得待沉积区位于溅射部下方，故而在无需使用挡板的情况下(即本实施例的高通量薄膜沉积设备没有设置挡板)，通过巧妙设置的腔体结构，通过溅射部限定出一个较小的溅射和沉积区，仅通过移动衬底，即可改变衬底的不同区域与溅射部421的相对位置(衬底上只有位于溅射部正下方的区域才能沉积薄膜)，并借助惰性气体流将靶材溅射出的粒子引导到衬底的待沉积区，即可实现在衬底的不同位置进行薄膜沉积的目的。本发明的高通量薄膜沉积设备的工作原理为：首先，对衬底进行调整，溅射部对准衬底的第一个待沉积区，启动溅射装置以使靶材产生粒子，以在第一沉积区域进行薄膜沉积；然后，改变衬底位置，比如通过使载台旋转而使衬底水平旋转，使得溅射部对准衬底的第二个沉积区域，使用靶材产生粒子以在第二沉积区域进行薄膜沉积，重复上述步骤直至完成所需的薄膜沉积。本发明的高通量薄膜沉积具有设备结构简单、水平移动部件少、成本较低、无需挡板等优点，可以在实现高通量共溅射的同时，避免有挡板的情况下在溅射过程中对溅射速率和薄膜均匀性造成的不良影响，有助于提高溅射效率和良率。

作为示例，所述第一气体喷淋头453与靶材的水平间距通常小于20cm，比如为3-10cm；而第一气体喷淋头453与溅射部421的腔壁的水平间距同样优选小于20cm，比如同样为3-10cm，以使溅射部421的结构尽量紧凑，因而可更灵活地调整衬底的溅射沉积区域。

作为示例，所述第一气体管路452和/或第二气体管路462上设置有质量流量计，以对相应的气体流量进行计量，且各气体管路上通常还设置有控制阀，以根据需要调节相应气体的供应流量；第一气体管路452上的质量流量计451和第二气体管路462上的质量流量计461，以及控制阀通常都设置在腔体外。

作为示例，所述第一气体喷淋头453为两个，两个所述第一气体喷淋头453对称设置于所述靶枪41(同时也是靶材的相对两侧)的相对两侧(第一气体喷淋头453的喷淋面可与靶材的溅射面在同一高度或略高于靶材的溅射面)，且所述第一气体喷淋头453的喷淋面可为弧面结构，因而两个第一气体喷淋头453对称设置在靶枪41的相对两侧而共同构成一类似柱状的气流通道，靶材上的粒子顺着该气流通道垂直向下移动到衬底的待沉积区以沉积成膜。

在一示例中，所述第一气体喷淋头453的喷淋面与水平面的夹角为锐角，该锐角例如在30度-60度之间，即第一气体喷淋头的喷淋面倾斜设置，故而复数个第一气体喷淋头453的喷淋面形成一类似漏斗状的气流通道，以更好地引导靶材的粒子运动到衬底的待沉积区。

在一示例中，所述高通量薄膜沉积设备还包括旋转装置，与所述载台44相连接，以驱动所述载台44旋转，以使所述衬底40上的不同的待沉积区位于所述靶材的正下方，比如所述旋转装置可包括一旋转轴43。

作为示例，所述高通量薄膜沉积设备还包括调节装置(未示出)，与所述靶枪41相连接，用于调节所述靶枪41的高度和/或角度(同时也是调整靶材的高度和/或角度)，有助于提高沉积均匀性。

在一示例中，所述高通量薄膜沉积设备还包括加热装置，位于所述沉积部422内，比如位于所述载台44表面或载台44内，所述加热装置可以为电阻加热器，而与加热加热器相连接的电源线可设置在前述的旋转轴43内。

作为示例，所述高通量薄膜沉积设备还包括实时测量装置(未示出)，位于所述沉积部422内，用于对所述衬底表面沉积的薄膜进行包括元素成分、薄膜厚度和微观结构的表征。

作为示例，所述靶枪41的中心点与所述载台44的中心点不在同一垂线上，也即所述靶材的中心点和衬底的中心点不在同一垂线上，由此可更方便地调整衬底的沉积区域和靶材的相对位置。

本发明还提供一种薄膜沉积方法，所述薄膜沉积方法依上述任一方案中所述的高通量薄膜沉积设备进行，故对所述高通量薄膜沉积设备的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。本发明提供的薄膜沉积方法包括将衬底放置于载台44上，并使衬底的待沉积区位于靶材的正下方(即位于前述的溅射部正下方的沉积部内)，复数个第一气体喷淋头喷出的惰性气体流均朝向靶材溅射出的粒子，以借助惰性气体流将靶材溅射出的粒子引导到衬底的待沉积区而在待沉积区形成薄膜，在溅射过程中，仅通过调整衬底位置，比如通过使载台44旋转而带动衬底旋转，在无需使用挡板的情况下，即可实现对衬底的不同的待沉积区进行薄膜沉积的步骤。且在沉积过程中，根据不同的需要还可以调整靶材的高度和/或角度。

综上所述，本发明提供一种高通量薄膜沉积设备及薄膜沉积方法。所述高通量薄膜沉积设备包括：腔体、载台、靶枪、第一气体供给系统及第二气体供给系统；所述腔体包括相互连通的溅射部和沉积部，所述溅射部位于所述沉积部的上方，所述溅射部的水平表面积小于所述沉积部的水平表面积；所述靶枪位于所述溅射部内，所述靶枪上设置有靶材；所述载台位于沉积部内，用于承载待沉积的衬底，所述衬底上具有待沉积区，沉积过程中，所述待沉积区位于所述靶材的正下方；所述第一气体供给系统包括第一气体管路和第一气体喷淋头，所述第一气体管路一端与第一气体源相连通，另一端延伸至与所述溅射部内的第一气体喷淋头相连通，所述第一气体喷淋头为复数个，复数个所述第一气体喷淋头位于所述靶枪的周向上，以朝所述靶枪方向供应第一气体，所述第一气体包括惰性气体；所述第二气体供给系统包括第二气体管路，所述第二气体管路一端与第二气体源相连通，另一端延伸到所述沉积部内，且延伸到所述载台的上方，以向所述沉积部供应第二气体，第二气体包括反应气体和/或保护气体。本发明的高通量薄膜沉积设备结构简单、水平移动部件少、成本较低且无需使用挡板；位于工作平台上的衬底可以不水平移动而仅通过载台的旋转以调整衬底的溅射区域，且本发明还可以实现对衬底进行加热，并易于集成在线测试装置及其他外部装备，可以在实现高通量共溅射的同时，避免有挡板的情况下在溅射过程中对溅射速率和薄膜均匀性造成的不良影响，有助于提高沉积效率和良率。本发明的高通量薄膜沉积设备不仅可以用于沉积单一元素的薄膜，而且尤其适用于沉积多元系薄膜，有着极大的商业价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种高通量薄膜沉积设备，所述高通量薄膜沉积设备没有设置挡板，其特征在于，所述高通量薄膜沉积设备包括：腔体、载台、靶枪、第一气体供给系统及第二气体供给系统；所述腔体包括相互连通的溅射部和沉积部，所述溅射部位于所述沉积部的上方，所述溅射部的水平表面积小于所述沉积部的水平表面积；所述靶枪位于所述溅射部内，所述靶枪上设置有靶材；所述载台位于所述沉积部内，用于承载待沉积的衬底，所述衬底上具有待沉积区，沉积过程中，所述待沉积区位于所述靶材的正下方；所述第一气体供给系统包括第一气体管路和第一气体喷淋头，所述第一气体管路一端与第一气体源相连通，另一端延伸至与所述溅射部内的第一气体喷淋头相连通，所述第一气体喷淋头为复数个，复数个所述第一气体喷淋头位于所述靶枪的周向上，以朝所述靶枪方向供应第一气体，所述第一气体包括惰性气体；所述第二气体供给系统包括第二气体管路，所述第二气体管路一端与第二气体源相连通，另一端延伸到所述沉积部内，且延伸到所述载台的上方，以向所述沉积部供应第二气体，第二气体包括反应气体和/或保护气体；沉积过程中，通过移动衬底以使溅射部对准衬底的不同沉积区域，并借助惰性气体流将靶材溅射出的粒子引导到衬底的待沉积区，由此在衬底的不同位置进行薄膜沉积。

2.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气体管路和/或第二气体管路上设置有质量流量计。

3.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气体喷淋头为两个，两个所述第一气体喷淋头对称设置于所述靶枪的相对两侧。

4.根据权利要求3所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气体喷淋头的喷淋面与水平面的夹角为锐角。

5.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述高通量薄膜沉积设备还包括旋转装置，与所述载台相连接，以驱动所述载台旋转，以使所述衬底的不同的待沉积区位于所述靶材的正下方。

6.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述高通量薄膜沉积设备还包括调节装置，与所述靶枪相连接，用于调节所述靶枪的高度和/或角度。

7.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述高通量薄膜沉积设备还包括加热装置，位于所述沉积部内。

8.根据权利要求1所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述高通量薄膜沉积设备还包括实时测量装置，位于所述沉积部内，用于对所述衬底表面沉积的薄膜进行包括元素成分、薄膜厚度和微观结构的表征。

9.根据权利要求1-8任一项所述的高通量薄膜沉积设备，其特征在于，所述靶枪的中心点与所述载台的中心点不在同一垂线上。

10.一种薄膜沉积方法，其特征在于，所述薄膜沉积方法依权利要求1-9任一项所述的高通量薄膜沉积设备进行，所述薄膜沉积方法包括将衬底放置于载台上，并使衬底的待沉积区位于靶材的正下方，在溅射过程中，通过调整衬底位置，以对衬底的不同的待沉积区进行薄膜沉积的步骤。

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