CN115404450A - 磁场分布调整装置、沉积设备及其沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调整磁场分布的沉积设备，包括一反应腔体、一承载盘、一靶材、一磁力装置及至少一遮蔽单元。承载盘及靶材位于反应腔体的容置空间内，其中承载盘用以承载至少一基板，且靶材的一表面面对承载盘及基板。磁力装置位于靶材的另一表面，并经由靶材在反应腔体的容置空间内形成磁场。遮蔽单元由导电材质所制成，并位于部分的磁力装置与部分的靶材之间，其中遮蔽单元用以遮蔽磁力装置产生的部分磁场，以微调容置空间内的磁场分布，并可有效提高沉积在基板表面的薄膜厚度的均匀度。

Description

磁场分布调整装置、沉积设备及其沉积方法

技术领域

本发明有关于一种可调整磁场分布的沉积设备，可微调容置空间内的磁场分布，并可有效提高沉积在基板表面的薄膜厚度的均匀度。

背景技术

化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)及原子层沉积(ALD)皆是常用的薄膜沉积设备，并普遍被使用在集成电路、发光二极管及显示器等制程中。

沉积设备主要包括一腔体及一基板承载盘，其中基板承载盘位于腔体内，并用以承载至少一基板。以物理气相沉积为例，腔体内需要设置一靶材，其中靶材面对基板承载盘上的基板。在进行物理气相沉积时，可将惰性气体及/或反应气体输送至腔体内，分别对靶材及基板承载盘施加偏压。

腔体内的惰性气体因为高压电场的作用，形成离子化的惰性气体，离子化的惰性气体会受到靶材上的偏压吸引而轰击靶材。从靶材溅出的靶材原子或分子受到基板承载盘上的偏压吸引，并沉积在基板的表面，以在基板的表面形成薄膜。

一般而言，靶材的上方通常会设置复数个磁铁，其中磁铁可相对于靶材转动，并在靶材的下方形成磁场。靶材下方的带电粒子会受到磁铁的磁场作用，以螺旋的方式位移。如此可大幅提高与气体原子碰撞的机率，进而提高溅射率、薄膜沉积的效率及均匀度。

发明内容

在进行薄膜沉积制程时，如何提高基板上薄膜厚度的均匀度一直是各制程厂努力的目标。本发明提出一种可调整磁场分布的沉积设备，主要在部分的磁力装置及部分的靶材之间设置遮蔽单元，以微调磁力装置在容置空间或反应空间内形成的磁场分布，并可大幅改善沉积在基板上的薄膜厚度的均匀度。

本发明的一目的，在于提供一种可调整磁场分布的沉积设备，主要包括一反应腔体、一承载盘、一靶材、一磁力装置及至少一遮蔽单元。靶材及承载盘位于反应腔体的容置空间内，其中靶材的一表面面对承载盘及其承载的基板。磁力装置设置在靶材的另一表面，并经由靶材在容置空间内形成磁场。遮蔽单元位于磁力装置及靶材之间，用以遮挡磁力装置产生的部分磁场，并调整磁力装置在容置空间内的磁场分布。

在实际应用时可依据基板上各个区域沉积的薄膜厚度，调整遮蔽单元的设置位置或厚度，以改变容置空间内各个区域的磁场大小，及调整磁力装置在容置空间内的磁场分布，并可有效改善后续沉积制程中在基板表面沉积的薄膜的均匀度。

本发明的一目的，在于提供一种可调整磁场分布的沉积设备，主要于靶材面对磁力装置的表面及遮蔽单元上设置对应的连接机构，使得遮蔽单元可以通过连接机构固定在靶材上，并调整容置空间内的磁场分布。

本发明的一目的，在于提供一种可调整磁场分布的沉积设备，其中反应腔体包括一设置开口，而靶材则覆盖反应腔体的设置开口，以在反应腔体及靶材之间形成一容置空间。

靶材与反应腔体之间还设置一密封绝缘单元，例如O型环，使得靶材与反应腔体没有电性相连接，防止靶材上的偏压经由反应腔体接地。此外亦可将靶材设置在一背板上，并以背板及/或靶材覆盖反应腔体的设置开口以形成一容置空间。

本发明的一目的，在于提供一种可调整磁场分布的沉积设备及磁场分布调整装置，主要于部分靶材及部分磁力装置之间设置至少一遮蔽单元，并以遮蔽单元遮挡磁力装置产生的部分磁场。此外可依据制程的需求选择遮蔽单元的材料、改变遮蔽单元的厚度、形状或面积，以在容置空间内形成均匀的磁场。

本发明的一目的，在于提供一种磁场分布调整装置的沉积方法，首先以沉积设备在一测试基板的表面沉积薄膜。量测测试基板表面的薄膜厚度，并依据薄膜厚度将测试基板区分成复数个区域。依据测试基板表面的薄膜厚度调整遮蔽单元放置在磁力装置即靶材之间的部分区域，以改变沉积设备的反应空间内部分区域的磁场大小，并调整反应空间内的磁场分布，以在后续制程基板的表面形成均匀厚度的薄膜。

为了达到上述的目的，本发明提出一种可调整磁场分布的沉积设备，包括：一反应腔体，包括一容置空间；一承载盘，位于容置空间内，并用以承载至少一基板；一靶材，连接反应腔体的容置空间，并包括一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面为靶材上相对的两个表面，且靶材的第一表面面对承载盘；一磁力装置，位于靶材的第二表面的方向，并用以在容置空间内形成一磁场；及至少一遮蔽单元，位于部分磁力装置及部分靶材之间，并遮蔽磁力装置产生的部分磁场，其中遮蔽单元包括一导电材质。

本发明提供一种磁场分布调整装置，适用于一沉积设备，包括：一靶材，包括一第一表面及一第二表面，其中第一表面及第二表面为靶材上相对的两个表面；一磁力装置，位于靶材的第二表面的方向，并用以在靶材的第一表面的方向形成一磁场；及至少一遮蔽单元，位于部分磁力装置及部分靶材之间，并遮蔽磁力装置产生的部分磁场，其中遮蔽单元包括一导电材质。

本发明提供一种可调整磁场分布的沉积设备的沉积方法，包括：将一第一基板放置在承载盘上；对第一基板进行沉积，以在第一基板的一表面上形成一薄膜；量测沉积在第一基板的薄膜的厚度；及依据第一基板上的薄膜的厚度分布，将遮蔽单元设置在部分磁力装置与部分靶材之间，并以遮蔽单元遮蔽磁力装置产生的部分磁场。

所述的可调整磁场分布的沉积设备及磁场分布调整装置，其中靶材的第二表面包括复数个连接孔，而遮蔽单元则包括复数连接凸部，遮蔽单元的连接凸部用以插入靶材的第二表面上的连接孔，并将遮蔽单元固定在靶材的第二表面上。

所述的可调整磁场分布的沉积设备及磁场分布调整装置，其中靶材的第二表面包括复数个连接孔，而遮蔽单元则包括复数穿孔，复数个连接单元穿过遮蔽单元的穿孔，并固定在靶材的连接孔，以将遮蔽单元固定在靶材的第二表面上。

所述的可调整磁场分布的沉积设备及磁场分布调整装置，包括一背板包括一第一表面及一第二表面，背板的第一表面连接靶材的第二表面，而遮蔽单元则设置在背板的第二表面的方向。

所述的可调整磁场分布的沉积设备及磁场分布调整装置，其中背板的第二表面包括至少一凹槽，而遮蔽单元则设置在凹槽内。

所述的沉积方法，包括：依据第一基板的薄膜的厚度，将第一基板上的薄膜的厚度区分为一第一厚度及一第二厚度，其中第一厚度大于第二厚度；将遮蔽单元设置对应第一厚度的磁力装置与靶材之间；及将一第二基板放置在承载盘上，并对第二基板进行沉积。

本发明的有益效果是：提供一种新颖的可调整磁场分布的沉积设备，主要透過遮蔽单元遮蔽磁力装置产生的部分磁场，以微调容置空间内的磁场分布，并可有效提高沉积在基板表面的薄膜厚度的均匀度。

附图说明

图1为本发明可调整磁场分布的沉积设备一实施例的立体剖面示意图。

图2为本发明可调整磁场分布的沉积设备一实施例的侧面剖面示意图。

图3为本发明磁场分布调整装置一实施例的俯视图。

图4为本发明磁场分布调整装置的靶材及遮蔽单元一实施例的俯视图。

图5为本发明磁场分布调整装置又一实施例的侧面剖面示意图。

图6为本发明磁场分布调整装置又一实施例的侧面剖面示意图。

图7为本发明磁场分布调整装置又一实施例的侧面剖面示意图。

图8为本发明可调整磁场分布的沉积设备的沉积方法一实施例的步骤流程图。

图9为先前技术的沉积设备沉积在基板表面的薄膜厚度的分布图。

图10为本发明可调整磁场分布的沉积设备沉积在基板表面的薄膜厚度的分布图。

图11为本发明的可调整磁场分布的沉积设备对不同基板分批进行沉积的薄膜均匀度及薄膜电阻的曲线图。

附图标记说明：10-可调整磁场分布的沉积设备；100-磁场分布调整装置；11-反应腔体；111-挡件；112-开口；113-背板；1131-第一表面；1133-第二表面；115-进出料口；12-容置空间；121-反应空间；13-承载盘；131-基板；133-第一基板；135-第二基板；14-凹槽；15-靶材；151-第一表面；153-第二表面；155-连接孔；17-磁力装置；171-转轴；19-遮蔽单元；191-连接凸部；193-穿孔；195-连接单元。

具体实施方式

请参阅图1及图2，分别为本发明可调整磁场分布的沉积设备一实施例的立体剖面示意图、侧面剖面示意图及磁场分布调整装置一实施例的俯视图。如图所示，可调整磁场分布的沉积设备10主要包括一反应腔体11、一承载盘13、一靶材15、一磁力装置17及一遮蔽单元19，其中靶材15、磁力装置17及遮蔽单元19被定义为一磁场分布调整装置100，如图3所示。

反应腔体11内具有一容置空间12，用以容置承载盘13及靶材15。承载盘13用以承载至少一基板131，而靶材15则面对承载盘13及其承载的基板131。具体而言，反应腔体11可设置一设置开口，例如设置开口位于反应腔体11的上方，其中容置空间12经由设置开口连接外部，而靶材15可设置或覆盖在反应腔体11的设置开口上，并连接反应腔体11的容置空间12，使得靶材15及反应腔体11构成封闭的容置空间12。

承载盘13可相对于靶材15位移，并改变承载盘13及靶材15之间的距离。具体而言，承载盘13可以朝远离靶材15的方向位移，并通过一机械手臂将基板131输送至反应腔体11内并放置在承载盘13上，或者是通过机械手机将承载盘13上的基板131输送至反应腔体11的外部。承载盘13可带动承载的基板131朝靶材15的方向靠近，以减少承载盘13承载的基板131与靶材15之间的距离，并对基板131进行薄膜沉积。

在本发明实施例中，可调整磁场分布的沉积设备10可以是物理气相沉积腔体(PVD)，在沉积时对容置空间12施加电场，使得容置空间12内的中性气体原子受到电子撞击而形成带电的气体离子。在靶材15及承载盘13上施加偏压，使得气体离子撞击靶材15，并产生微量的靶材粒子。被撞击产生的靶材粒子会受到承载盘13上偏压的吸引并沉积在基板131表面，以在基板131的表面上形成薄膜。

靶材15包括一第一表面151及一第二表面153，其中第一表面151及第二表面153为靶材15上相对的两个表面，第一表面151面对承载盘13及/或基板131，例如靶材15的外观近似圆盘状，第一表面151为靶材15的下表面，而第二表面153则为靶材15的上表面。为了提高电浆气体原子离子化的机率，可在靶材15的第二表面153上设置磁力装置17，其中磁力装置17会在靶材15的第一表面151侧的容置空间12形成磁场，使得容置空间12内的带电粒子以螺旋方式位移，增加带电粒子的动作路径及撞击中性气体原子的机率。此外磁力装置17可连接一转轴171，并通过转轴171驱动磁力装置17相对于靶材15转动，以提高沉积在基板131表面的薄膜的均匀度。

通过磁力装置17的设置虽然可以提高电浆气体原子离子化的机率，进而提高其溅射率及控制沈积薄膜的均匀度。但磁力装置17通常是由复数个磁铁组合而成，只能通过磁铁的排列方式或位置调整磁场的分布，进而改变基板131表面沉积的薄膜的均匀度。因此上述调整磁场分布的方式有极大的限制，不能对磁力装置17产生的磁场进行微调，导致无法有效提高沉积在基板131表面的薄膜厚度的均匀度。

为此本发明提出一种可调整磁场分布的沉积设备10，主要于部分的磁力装置17与部分的靶材15之间设置至少一遮蔽单元19，并通过遮蔽单元19遮挡磁力装置17产生的部分磁场，其中遮蔽单元19由导电材质所制成。

通过遮蔽单元19的设置，可遮挡磁力装置17部分区域的磁场，以减小磁力装置17在靶材15的第一表面151侧及/或容置空间12部分区域的磁场大小，并微调磁力装置17在容置空间12内形成的磁场分布。

通过微调磁力装置17在靶材15的第一表面151侧及/或容置空间12内的磁场分布，可改变沉积在基板131表面各个区域的薄膜厚度，并提高沉积在基板131表面的薄膜厚度的均匀度(U％)，例如可使得基板131表面上的薄膜的均匀度小于1％，后面的实施例会说明详细的实施方法及相关的实验数据。

在本发明一实施例中，反应腔体11的容置空间12内可设置一挡件111，其中挡件111的一端连接反应腔体11，挡件111的另一端则形成一开口112。承载盘13可朝靶材15的方向靠近，并进入或接触挡件111形成的开口112，其中反应腔体11、承载盘13、靶材15及挡件111会在容置空间12内区隔出一反应空间121，并在反应空间121内对承载盘13上的基板131进行薄膜沉积。此外通过遮蔽单元19微调反应空间121内各个区域的磁场大小及磁场分布，以在基板131的表面形成厚度均匀的薄膜。

在本发明一实施例中，遮蔽单元19可直接设置在靶材15的第二表面153上，并电性连接靶材15，其中靶材15不电性连接反应腔体11。在本发明另一实施例中，遮蔽单元19亦可不直接连接靶材15，并可通过接地线或接地单元接地。

靶材15的第二表面153可设置复数个连接孔155，如图4所示，遮蔽单元19可经由连接孔155固定或设置在靶材15的第二表面153。此外设置在靶材15的第二表面153侧的遮蔽单元19的数量可以是复数个，并可任意排列在靶材15的第二表面153上。此外各个遮蔽单元19的面积或形状可为不相同，并可在靶材15的第二表面153上排列成任意形状的遮蔽构造。

具体而言，如图5所示，遮蔽单元19的表面可设置复数个连接凸部191，其中遮蔽单元19的连接凸部191用以插入靶材15的第二表面153的连接孔155，并将遮蔽单元19固定在靶材15的第二表面153上。如图6所示，亦可于遮蔽单元19上设置复数个穿孔193，其中遮蔽单元19的穿孔193用以对准靶材15的连接孔155，连接单元195用以穿过遮蔽单元19的穿孔193并连接靶材15的连接孔155，以将遮蔽单元19固定在靶材15的第二表面153上，例如连接单元195可以是螺丝。上述两种固定遮蔽单元19及靶材15的方法仅为本发明两个具体的实施方法，并非本发明权利范围的限制，在实际应用时亦可以其他不同的固定机构连接遮蔽单元19及靶材15。

在本发明一实施例中，如图7所示，磁场分布调整装置100及/或反应腔体11可包括一背板113，其中背板113包括一第一表面1131及一第二表面1133，背板113的第一表面1131连接靶材15的第二表面153，而遮蔽单元19则设置在背板113的第二表面1133的方向。此外亦可于背板113的第二表面1133或靶材15的第二表面153上设置至少一凹槽14，并将至少一遮蔽单元19类似镶嵌的方式设置在凹槽14内。

请参阅图8，为本发明可调整磁场分布的沉积设备的沉积方法的步骤流程图。请配合参阅图1及图2，首先将一第一基板133放置在可调整磁场分布的沉积设备10的承载盘13上，如步骤21所示。具体而言，可通过一机械手臂经由反应腔体11的进出料口115将第一基板133放置在承载盘13上，而后承载盘13会带动第一基板133朝靶材15的方向位移，并在反应腔体11、挡件111、靶材15及承载盘13之间形成反应空间121。

通过沉积设备10对第一基板133进行薄膜沉积，以在第一基板133的表面形成一薄膜，如步骤23所示。具体而言，可对反应空间121内的气体原子施加电场，以产生带电的气体离子。对靶材15及承载盘13施加偏压，使得带电的气体离子撞击的靶材15以产生靶材粒子，靶材粒子会受到承载盘13上的偏压吸引并沉积在第一基板133上，以在第一基板133的表面形成薄膜。

量测沉积在第一基板133表面的薄膜厚度，如步骤25所示。具体而言，可量测第一基板133表面的各个区域的薄膜厚度，以得知薄膜的均匀度。

如图9所示，为先前技术的沉积设备沉积在基板表面的薄膜厚度的分布图，或本发明所述的沉积设备及沉积方法沉积在第一基板表面的薄膜厚度的分布图，其中基板131或第一基板133表面沉积的薄膜电阻(Rs Avg)约为47.4奥姆/平方(Ω/sq)，而均匀度(Rs2Avg-U％)为3.47％。

在实际应用时可依据图9所述的第一基板133上薄膜的厚度分布，将遮蔽单元19设置在部分的磁力装置17与部分的靶材15之间，以通过遮蔽单元19遮蔽磁力装置17产生的部分磁场，其中遮蔽单元19下方的反应空间121内的磁场较小，如步骤27所示。

在实际应用时可将基板131及靶材15分别区分成复数个区域，其中靶材15上复数个区域分别对应基板131的复数个区域。而后依据基板131上各个区域的薄膜厚度，选择将遮蔽单元19设置在靶材15上对应的区域，以调整基板131上各个区域的薄膜厚度。

在本发明一实施例中，可将第一基板133上的薄膜厚度区分为复数个厚度，例如第一基板133的第一区域具有一第一厚度，而第一基板133的第二区域具有一第二厚度，其中第一厚度大于第二厚度。而后将遮蔽单元19设置在对应第一区域及/或第一厚度的磁力装置17及靶材15之间，以遮挡对应第一区域的磁场，例如将遮蔽单元19设置在具有第一厚度的第一区域的垂直延伸位置的靶材15。

在完成上述的调整步骤后，可将一第二基板135放置在承载盘13上，并对第二基板135进行薄膜沉积。

如图10所示，为本发明可调整磁场分布的沉积设备沉积在第二基板135表面的薄膜厚度的分布图，其中沉积在第二基板135表面的薄膜电阻(Rs Avg)约为45.8奥姆/平方(Ω/sq)，而均匀度(Rs 2Avg-U％)为0.91％。由图9及图10所示的薄膜厚度分布，可清楚看出本发明所述的可调整磁场分布的沉积设备10及其沉积方法确实可有效改善沉积在基板131或第二基板135表面的薄膜均匀度。

如图11所示，为本发明的可调整磁场分布的沉积设备10对不同的基板131或第二基板135分批进行沉积的均匀度U％及薄膜电阻的曲线图，如图所示，可调整磁场分布的沉积设备10经过磁场分布调整后，在相同的制程条件下沉积在基板131或第二基板135表面的薄膜电阻都能维持在44至46奥姆/平方(Ω/sq)之间，且薄膜的均匀度皆小于1％，可说明通过本发明所述的沉积设备及沉积方法，可持续并反复在基板131的表面沉积均匀厚度的薄膜。

本发明优点：

提供一种新颖的可调整磁场分布的沉积设备，主要透過遮蔽单元遮蔽磁力装置产生的部分磁场，以微调容置空间内的磁场分布，并可有效提高沉积在基板表面的薄膜厚度的均匀度。

以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种可调整磁场分布的沉积设备，其特征在于，包括：

一反应腔体，包括一容置空间；

一承载盘，位于该容置空间内，并用以承载至少一基板；

一靶材，连接该反应腔体的该容置空间，并包括一第一表面及一第二表面，其中该第一表面及该第二表面为该靶材上相对的两个表面，且该靶材的该第一表面面对该承载盘；

一磁力装置，位于该靶材的该第二表面的方向，并用以在该容置空间内形成一磁场；及

至少一遮蔽单元，位于部分该磁力装置及部分该靶材之间，并遮蔽该磁力装置产生的部分该磁场，其中该遮蔽单元包括一导电材质。

2.根据权利要求1所述的可调整磁场分布的沉积设备，其特征在于，其中该靶材的该第二表面包括复数个连接孔，而该遮蔽单元则包括复数连接凸部，该遮蔽单元的该连接凸部用以插入该靶材的该第二表面上的该连接孔，并将该遮蔽单元固定在该靶材的该第二表面上。

3.根据权利要求1所述的可调整磁场分布的沉积设备，其特征在于，其中该靶材的该第二表面包括复数个连接孔，而该遮蔽单元则包括复数穿孔，复数个连接单元穿过该遮蔽单元的该穿孔，并固定在该靶材的该连接孔，以将该遮蔽单元固定在该靶材的该第二表面上。

4.根据权利要求1所述的可调整磁场分布的沉积设备，其特征在于，包括一背板包括一第一表面及一第二表面，该背板的该第一表面连接该靶材的该第二表面，而该遮蔽单元则设置在该背板的该第二表面的方向。

5.根据权利要求4所述的可调整磁场分布的沉积设备，其特征在于，其中该背板的该第二表面包括至少一凹槽，而该遮蔽单元则设置在该凹槽内。

6.一种磁场分布调整装置，适用于一沉积设备，其特征在于，包括：

一靶材，包括一第一表面及一第二表面，其中该第一表面及该第二表面为该靶材上相对的两个表面；

一磁力装置，位于该靶材的该第二表面的方向，并用以在该靶材的该第一表面的方向形成一磁场；及

至少一遮蔽单元，位于部分该磁力装置及部分该靶材之间，并遮蔽该磁力装置产生的部分该磁场，其中该遮蔽单元包括一导电材质。

7.根据权利要求6所述的磁场分布调整装置，其特征在于，包括一背板包括一第一表面及一第二表面，该背板的该第一表面连接该靶材的该第二表面，而该遮蔽单元则设置在该背板的该第二表面上。

8.根据权利要求6所述的磁场分布调整装置，其特征在于，其中该靶材的该第二表面包括复数个连接孔，而该遮蔽单元则包括复数连接凸部，该遮蔽单元的该连接凸部用以插入该靶材的该第二表面上的该连接孔，并将该遮蔽单元固定在该靶材的该第二表面上。

9.一种根据权利要求1所述的可调整磁场分布的沉积设备的沉积方法，其特征在于，包括：

将一第一基板放置在该承载盘上；

对该第一基板进行沉积，以在该第一基板的一表面上形成一薄膜；

量测沉积在该第一基板的该薄膜的厚度；及

依据该第一基板上的该薄膜的厚度分布，将该遮蔽单元设置在部分该磁力装置与部分该靶材之间，并以该遮蔽单元遮蔽该磁力装置产生的部分该磁场。

10.根据权利要求9所述的沉积方法，其特征在于，包括：

依据该第一基板的该薄膜的厚度，将该第一基板上的该薄膜的厚度区分为一第一厚度及一第二厚度，其中该第一厚度大于该第二厚度；

将该遮蔽单元设置对应该第一厚度的该磁力装置与该靶材之间；及

将一第二基板放置在该承载盘上，并对该第二基板进行沉积。

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