CN115110048A - 基于磁控溅射的pecvd镀膜装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置及方法，通过在PECVD镀膜装置中加入磁控溅射用的磁铁及阴极靶材，使真空镀膜室内同时产生电场作用和磁场作用；利用电场作用使进入镀膜室内的工作气体产生等离子体，高密度的等离子体使进入镀膜室内的反应气体或介质气体分解；同时，利用磁场作用使等离子体也溅射到阴极靶材上，将阴极靶材上的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解产生的基团混合并同步沉积于基片表面，从而形成掺杂有材料离子的膜层。本发明实现在PECVD镀膜的过程中同时掺杂上金属离子或膜层所需的其他离子，从而简化设备结构及整个生产工艺，并实现在所镀膜层中均匀掺杂所需的材料离子，从而提高膜层质量。
Description
技术领域
本发明涉及镀膜技术领域，特别涉及一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置及方法。
背景技术
PECVD(即：等离子增强化学气相沉积法)是一种应用范围较广的镀膜方法，其机理是借助微波或射频等条件，使含有薄膜组成原子的气体在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，从而在基片或基材上沉积，使得基片或基材表面形成所期望的膜层。目前，利用PECVD镀膜方法在基片或基材上镀氧化物、氮化物等介质膜层时，由于镀膜工艺的限制，最终形成的膜层都是成份单一的介质膜，若需要在膜层中掺杂金属离子或其他离子时，则需要对应增加多道镀膜工序才能实现，其工艺过程复杂，设备需要设置每道工艺对应的镀膜室，设备结构庞大复杂，其生产成本相当高，生产周期较长，也难以适应当下的市场需求，同时，由于膜层和所掺杂的离子是通过两道不同的工序完成，因此，离子在膜层中往往无法均匀掺杂，导致膜层质量难以得到有效的改善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，该装置可有效简化设备结构及整个生产工艺，并实现在所镀膜层中均匀掺杂所需离子，从而提高膜层质量。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述镀膜装置实现的基于磁控溅射的PECVD镀膜方法。
本发明的技术方案为：一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，设于真空镀膜室中，包括工作气体输送管道、反应气体输送管道、反应气体分配管、磁铁、中频电源、第一阴极靶材、第二阴极靶材、第一阴极座和第二阴极座，第一阴极座和第二阴极座并排安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上，第一阴极座和第二阴极座之间连接有中频电源，第一阴极座朝向基片的一端设有第一阴极靶材，第二阴极座朝向基片的一端设有第二阴极靶材，第一阴极座与第二阴极座之间、第一阴极座外侧、第二阴极座外侧均设有磁铁，第一阴极座和第二阴极座分别外接有工作气体输送管道，真空镀膜室内还设有反应气体分配管，反应气体分配管外接反应气体输送管道。其中，通过工作气体输送管道向真空镀膜室供应工作气体，通过反应气体输送管道和反应气体分配管向真空镀膜室供应反应气体或介质气体；第一阴极靶材和第二阴极靶材的具体材质则根据膜层所需要掺杂的离子种类进行选择即可。该镀膜装置中，反应气体分配管、中频电源、第一阴极座、第二阴极座等组件组成PECVD镀膜组件，在PECVD镀膜组件的基础上，增设磁铁、第一阴极靶材、第二阴极靶材等组件，使其同时形成磁控溅射镀膜组件，在第一阴极座和第二阴极座之间及周围形成强大的磁场，利用磁控溅射的原理，实现在PECVD镀膜的过程中同时掺杂金属离子或膜层所需的其他离子，使最终在基片表面上形成的介质膜中均匀掺杂有所需的金属离子或其他离子。
所述第一阴极座、第二阴极座和中频电源形成一组电极组件，镀膜装置中设有一组或多组电极组件；当电极组件有多组时，各组电极组件并排设置，每组电极组件中配置有相应的第一阴极靶材、第二阴极靶材和磁铁。其中，利用中频电源使第一阴极座和第二阴极座交替互为阳极和阴极，从而使第一阴极靶材和第二阴极靶材产生连续不断的溅射。
所述第一阴极座和第二阴极座的结构相同，中部设有一端开放的第一工作气体流道，另一端设有若干工作气体入口，各工作气体入口外接工作气体输送管道；第一阴极靶材和第二阴极靶材的结构相同，中部设有两端连通的第二工作气体流道，第二工作气体流道与第一工作气体流道连通。其中，第二工作气体流道的端部为直线式开口，第一工作气体流道的宽度大于第二工作气体流道的宽度，工作气体从两个阴极座的中部进入，通过直线式连接的第一工作气体流道和第二工作气体流道后，从直线式开口直接进入至真空镀膜环境中，有利于在两个阴极座下方形成高密度的等离子体。
所述第一阴极座的外周还设有第一绝缘套，第一阴极座通过第一绝缘套安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上；第二阴极座的外周还设有第二绝缘套，第二阴极座通过第二绝缘套安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上。第一绝缘套和第二绝缘套的设置可避免第一阴极座、第二阴极座直接接触真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑架，确保第一阴极座、第二阴极座连通中频电源后的正常工作。
所述第一阴极座与第一绝缘套的连接处、第一绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处、第二阴极座与第二绝缘套的连接处和第二绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处还分别设有密封圈。为便于设备检修维护或安装使用，通常情况下会将整体镀膜装置安装于真空镀膜室的侧壁上，第一阴极座、第二阴极座连接第一阴极靶材、第二阴极靶材的一端位于真空侧(即真空镀膜室内)，而第一阴极座、第二阴极座的另一端以及所连接的中频电源、工作气体输送管道、反应气体输送管道等组件则位于大气侧(即真空镀膜室外)，从而尽可能简化真空镀膜室内的装置结构，因此，上述密封圈的设置，一方面可提高相应组件之间连接的紧密性，另一方面也是为了确保真空镀膜室的密封性。
所述磁铁包括外围磁铁和中间磁铁，外围磁铁设于第一阴极座和第二阴极座的外侧，中间磁铁设于第一阴极座与第二阴极座之间；沿第一阴极座和/或第二阴极座的轴线方向，外围磁铁两侧的极性与中间磁铁两侧的极性相反。
所述外围磁铁呈环状结构包围于第一阴极座、中间磁铁和第二阴极座的外周。该结构中，外围磁铁与中间磁铁可在第一阴极座、第二阴极座之间及周边形成强大的环形磁场作用，结合第一阴极靶材、第二阴极靶材的使用，实际上就形成了一组平面磁控靶，其磁场作用力强，有利于将第一阴极靶材、第二阴极靶材上的金属离子或其他离子快速溅射出来。
所述反应气体分配管设于第一阴极靶材和第二阴极靶材之间，反应气体分配管朝向第一阴极靶材和第二阴极靶材的两侧分别设有反应气体出口。反应气体或介质气体从反应气体分配管的两侧分别进入第一阴极座、第二阴极座底部对应的高密度等离子体中，可快速得到充分的分解离化，从而在基片表面逐渐形成膜层。
本发明一种基于磁控溅射的PECVD镀膜方法，通过在PECVD镀膜装置的电极组件中加入磁控溅射用的磁铁及阴极靶材(即上述第一阴极靶材和第二阴极靶材)，使真空镀膜室内同时产生电场作用和磁场作用；利用电场作用使进入镀膜室内的工作气体产生等离子体，高密度的等离子体使进入镀膜室内的反应气体或介质气体分解；同时，利用磁场作用，由工作气体产生的等离子体也溅射到阴极靶材上，将阴极靶材上的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解产生的基团混合并同步沉积于基片表面，从而在基片表面形成掺杂有材料离子的膜层。其中，根据第一阴极靶材、第二阴极靶材的材质不同，材料离子可为金属离子或膜层所需要掺杂的其他离子。
所述真空镀膜室内的真空压强大于或等于10Pa，电极组件采用中频电源。
上述基于磁控溅射的PECVD镀膜装置及方法进行实际应用时，其工作过程一般如下：基片通过作为输送机构的传动辊在真空镀膜室内连续输送；在第一阴极座、第二阴极座上分别充入工作气体，使真空镀膜室内的真空压强控制在10Pa以上，当中频电源频率100KHz、电压500～600V时，第一阴极座、第二阴极座下方会产生等离子体，然后随着中频电源的功率加大，等离子体的密度会不断增加，当等离子体增加至所设定的密度时，来自反应气体输送管道的反应气体或介质气体通过反应气体分配管充入至等离子体区域，由于高密度等离子体的作用，使反应气体或介质气体进行分解，形成的基团在基片表面沉积形成膜层，该过程实现PECVD镀膜；在PECVD镀膜的过程中，由于装置上还加入了磁控溅射组件，因此，由于磁场和电场的作用，等离子体也溅射到阴极靶材上，将所需的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解形成的基团一起混合，并同步沉积在基片表面形成膜层，从而实现了PECVD与磁控溅射协同镀膜。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本基于磁控溅射的PECVD镀膜装置及方法将磁控溅射和PECVD镀膜相结合，利用磁控溅射的原理来实现在PECVD镀膜的过程中同时掺杂上金属离子或膜层所需的其他离子，从而简化设备结构及整个生产工艺，并实现在所镀膜层中均匀掺杂所需的材料离子，从而提高膜层质量。
本基于磁控溅射的PECVD镀膜装置可在现有PECVD镀膜装置的基础上进行改造，其设备改造成本较低，也可以较大程度简化整体生产设备的结构，减少真空镀膜室的使用数量，降低设备成本和能源损耗。
本基于磁控溅射的PECVD镀膜装置中，采用整体式的环形外围磁铁，配合位于其中部的中间磁铁进行使用，可在第一阴极座、第二阴极座的中间及周边形成强大的磁场，其磁场作用力强，有利于提高磁控溅射的效率，也有利于提高材料离子在膜层中的混合均匀度。
附图说明
图1为本基于磁控溅射的PECVD镀膜装置应用时的原理示意图。
图2为图1所示基于磁控溅射的PECVD镀膜装置的立体结构示意图。
图3为图1所示基于磁控溅射的PECVD镀膜装置的底面结构示意图。
上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为工作气体输送管道，2为反应气体输送管道，3为反应气体分配管，4为外围磁铁，5为中间磁铁，6为中频电源，7为第一阴极靶材，8为第二阴极靶材，9为第一阴极座，10为第二阴极座，11为真空镀膜室侧壁，12为基片，13为传动辊，14为第一工作气体流道，15为工作气体入口，16为工作气体流量计，17为第二工作气体流道，18为第一绝缘套，19为第二绝缘套，20为密封圈，21为反应气体出口，22为反应气体流量计，23为等离子体，24为磁力线。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，设于真空镀膜室中，如图1所示，主要包括工作气体输送管道1、反应气体输送管道2、反应气体分配管3、磁铁(包括外围磁铁4和中间磁铁5)、中频电源6、第一阴极靶材7、第二阴极靶材8、第一阴极座9和第二阴极座10，第一阴极座和第二阴极座并排安装于真空镀膜室侧壁11上，第一阴极座和第二阴极座之间连接有中频电源，第一阴极座朝向基片的一端设有第一阴极靶材，第二阴极座朝向基片的一端设有第二阴极靶材，第一阴极座与第二阴极座之间、第一阴极座外侧、第二阴极座外侧均设有磁铁，第一阴极座和第二阴极座分别外接有工作气体输送管道，工作气体输送管道上还设有工作气体流量计16，真空镀膜室内还设有反应气体分配管，反应气体分配管外接反应气体输送管道，反应气体输送管道上还设有反应气体流量计22，基片12通过作为输送机构的传动辊13在真空镀膜室内连续输送，基片待镀膜的一侧朝向第一阴极靶材、第二阴极靶材。其中，通过工作气体输送管道向真空镀膜室供应工作气体，通过反应气体输送管道和反应气体分配管向真空镀膜室供应反应气体或介质气体；第一阴极靶材和第二阴极靶材的具体材质则根据膜层所需要掺杂的离子种类进行选择即可。该镀膜装置中，反应气体分配管、中频电源、第一阴极座、第二阴极座等组件组成PECVD镀膜组件，在PECVD镀膜组件的基础上，增设磁铁、第一阴极靶材、第二阴极靶材等组件，使其同时形成磁控溅射镀膜组件，在第一阴极座和第二阴极座之间及周围形成强大的磁场，利用磁控溅射的原理，实现在PECVD镀膜的过程中同时掺杂金属离子或膜层所需的其他离子，使最终在基片表面上形成的介质膜中均匀掺杂有所需的金属离子或其他离子。
其中，第一阴极座、第二阴极座和中频电源形成一组电极组件，镀膜装置中设有一组或多组电极组件；当电极组件有多组时，各组电极组件并排设置，每组电极组件中配置有相应的第一阴极靶材、第二阴极靶材和磁铁，本实施例中采用一组电极组件，其中，利用中频电源使第一阴极座和第二阴极座交替互为阳极和阴极，从而使第一阴极靶材和第二阴极靶材产生连续不断的溅射。
如图1所示，第一阴极座和第二阴极座的结构相同，中部设有一端开放的第一工作气体流道14，另一端设有若干工作气体入口15，各工作气体入口外接工作气体输送管道，工作气体输送管道上还设有工作气体流量计16；第一阴极靶材和第二阴极靶材的结构相同，中部设有两端连通的第二工作气体流道17，第二工作气体流道与第一工作气体流道连通。其中，第二工作气体流道的端部为直线式开口(如图3所示)，第一工作气体流道的宽度大于第二工作气体流道的宽度，工作气体从两个阴极座的中部进入，通过直线式连接的第一工作气体流道和第二工作气体流道后，从直线式开口直接进入至真空镀膜环境中，有利于在两个阴极座下方形成高密度的等离子体。
如图1所示，第一阴极座的外周还设有第一绝缘套18，第一阴极座通过第一绝缘套安装于真空镀膜室侧壁上；第二阴极座的外周还设有第二绝缘套19，第二阴极座通过第二绝缘套安装于真空镀膜室侧壁上。第一绝缘套和第二绝缘套的设置可避免第一阴极座、第二阴极座直接接触真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑架，确保第一阴极座、第二阴极座连通中频电源后的正常工作。第一阴极座与第一绝缘套的连接处、第一绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处、第二阴极座与第二绝缘套的连接处和第二绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处还分别设有密封圈20。为便于设备检修维护或安装使用，通常情况下会将整体镀膜装置安装于真空镀膜室的侧壁上，第一阴极座、第二阴极座连接第一阴极靶材、第二阴极靶材的一端位于真空侧(即真空镀膜室内)，而第一阴极座、第二阴极座的另一端以及所连接的中频电源、工作气体输送管道、反应气体输送管道等组件则位于大气侧(即真空镀膜室外)，从而尽可能简化真空镀膜室内的装置结构，因此，上述密封圈的设置，一方面可提高相应组件之间连接的紧密性，另一方面也是为了确保真空镀膜室的密封性。
如图2所示，磁铁包括外围磁铁和中间磁铁，外围磁铁设于第一阴极座和第二阴极座的外侧，中间磁铁设于第一阴极座与第二阴极座之间；沿第一阴极座和/或第二阴极座的轴线方向，外围磁铁两侧的极性与中间磁铁两侧的极性相反。外围磁铁呈环状结构包围于第一阴极座、中间磁铁和第二阴极座的外周。该结构中，外围磁铁与中间磁铁可在第一阴极座、第二阴极座之间及周边形成强大的环形磁场作用，结合第一阴极靶材、第二阴极靶材的使用，实际上就形成了一组平面磁控靶，其磁场作用力强，有利于将第一阴极靶材、第二阴极靶材上的金属离子或其他离子快速溅射出来。
如图1所示，反应气体分配管设于第一阴极靶材和第二阴极靶材之间，反应气体分配管朝向第一阴极靶材和第二阴极靶材的两侧分别设有反应气体出口21。反应气体或介质气体从反应气体分配管的两侧分别进入第一阴极座、第二阴极座底部对应的高密度等离子体中，可快速得到充分的分解离化，从而在基片表面逐渐形成膜层。
本实施例一种基于磁控溅射的PECVD镀膜方法，通过上述镀膜装置实现，通过在PECVD镀膜装置的电极组件中加入磁控溅射用的磁铁及阴极靶材(即上述第一阴极靶材和第二阴极靶材)，使真空镀膜室内同时产生电场作用和磁场作用；如图1所示，利用电场作用使进入镀膜室内的工作气体产生等离子体23，高密度的等离子体使进入镀膜室内的反应气体或介质气体分解；同时，利用磁场作用(如图中的磁力线24)，由工作气体产生的等离子体也溅射到阴极靶材上，将阴极靶材上的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解产生的基团混合并同步沉积于基片表面，从而在基片表面形成掺杂有材料离子的膜层。其中，根据第一阴极靶材、第二阴极靶材的材质不同，材料离子可为金属离子或膜层所需要掺杂的其他离子。真空镀膜室内的真空压强大于或等于10Pa，电极组件采用中频电源。
上述基于磁控溅射的PECVD镀膜装置及方法进行实际应用时，其工作过程一般如下：基片通过作为输送机构的传动辊在真空镀膜室内连续输送；在第一阴极座、第二阴极座上分别充入工作气体，使真空镀膜室内的真空压强控制在10Pa以上，当中频电源频率100KHz、电压500～600V时，第一阴极座、第二阴极座下方会产生等离子体，然后随着中频电源的功率加大，等离子体的密度会不断增加，当等离子体增加至所设定的密度时，来自反应气体输送管道的反应气体或介质气体通过反应气体分配管充入至等离子体区域，由于高密度等离子体的作用，使反应气体或介质气体进行分解，形成的基团在基片表面沉积形成膜层，该过程实现PECVD镀膜；在PECVD镀膜的过程中，由于装置上还加入了磁控溅射组件，因此，由于磁场和电场的作用，等离子体也溅射到阴极靶材上，将所需的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解形成的基团一起混合，并同步沉积在基片表面形成膜层，从而实现了PECVD与磁控溅射协同镀膜。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，设于真空镀膜室中，其特征在于，包括工作气体输送管道、反应气体输送管道、反应气体分配管、磁铁、中频电源、第一阴极靶材、第二阴极靶材、第一阴极座和第二阴极座，第一阴极座和第二阴极座并排安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上，第一阴极座和第二阴极座之间连接有中频电源，第一阴极座朝向基片的一端设有第一阴极靶材，第二阴极座朝向基片的一端设有第二阴极靶材，第一阴极座与第二阴极座之间、第一阴极座外侧、第二阴极座外侧均设有磁铁，第一阴极座和第二阴极座分别外接有工作气体输送管道，真空镀膜室内还设有反应气体分配管，反应气体分配管外接反应气体输送管道。
2.根据权利要求1所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述第一阴极座、第二阴极座和中频电源形成一组电极组件，镀膜装置中设有一组或多组电极组件；当电极组件有多组时，各组电极组件并排设置，每组电极组件中配置有相应的第一阴极靶材、第二阴极靶材和磁铁。
3.根据权利要求1所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述第一阴极座和第二阴极座的结构相同，中部设有一端开放的第一工作气体流道，另一端设有若干工作气体入口，各工作气体入口外接工作气体输送管道；第一阴极靶材和第二阴极靶材的结构相同，中部设有两端连通的第二工作气体流道，第二工作气体流道与第一工作气体流道连通。
4.根据权利要求1所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述第一阴极座的外周还设有第一绝缘套，第一阴极座通过第一绝缘套安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上；第二阴极座的外周还设有第二绝缘套，第二阴极座通过第二绝缘套安装于真空镀膜室侧壁或真空镀膜室内的支撑座上。
5.根据权利要求4所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述第一阴极座与第一绝缘套的连接处、第一绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处、第二阴极座与第二绝缘套的连接处和第二绝缘套与真空镀膜室侧壁的连接处还分别设有密封圈。
6.根据权利要求1所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述磁铁包括外围磁铁和中间磁铁，外围磁铁设于第一阴极座和第二阴极座的外侧，中间磁铁设于第一阴极座与第二阴极座之间；沿第一阴极座和/或第二阴极座的轴线方向，外围磁铁两侧的极性与中间磁铁两侧的极性相反。
7.根据权利要求6所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述外围磁铁呈环状结构包围于第一阴极座、中间磁铁和第二阴极座的外周。
8.根据权利要求1所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜装置，其特征在于，所述反应气体分配管设于第一阴极靶材和第二阴极靶材之间，反应气体分配管朝向第一阴极靶材和第二阴极靶材的两侧分别设有反应气体出口。
9.一种基于磁控溅射的PECVD镀膜方法，其特征在于，通过在PECVD镀膜装置的电极组件中加入磁控溅射用的磁铁及阴极靶材，使真空镀膜室内同时产生电场作用和磁场作用；利用电场作用使进入镀膜室内的工作气体产生等离子体，高密度的等离子体使进入镀膜室内的反应气体或介质气体分解；同时，利用磁场作用，由工作气体产生的等离子体也溅射到阴极靶材上，将阴极靶材上的材料离子溅射出来，与反应气体或介质气体分解产生的基团混合并同步沉积于基片表面，从而在基片表面形成掺杂有材料离子的膜层。
10.根据权利要求9所述一种基于磁控溅射的PECVD镀膜方法，其特征在于，所述真空镀膜室内的真空压强大于或等于10Pa，电极组件采用中频电源。
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2022
- 2022-06-20 CN CN202210695363.6A patent/CN115110048B/zh active Active
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