CN116607118A - 一种磁控溅射设备及工艺流程 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁控溅射设备及工艺流程，包括下部设置有基台的腔体；密封扣合于腔体的开口的腔盖；靶材本体的溅射面为凹面，靶材本体厚度均匀；背板，背板与靶材本体形状相匹配，靶材本体贴合安装在背板上，背板安装于腔盖上；永磁组件设置于背板与腔盖之间，永磁组件与靶材本体形状相匹配；腔体内壁设置有进气环，进气环环绕在靶材本体外周下方，进气环上开设有若干朝向靶材本体外缘的出气口。本发明通过改变靶材形状同时设置进气环，改变靶材边缘的溅射速度，进而提高对应靶材边缘区域的成膜均匀性。

Description

一种磁控溅射设备及工艺流程

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，尤其是指一种磁控溅射设备及工艺流程。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种。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。由于其具有较高的溅射速率、较高的沉积速率、较低的沉积温度、较好的膜层质量等优点，磁控溅射技术已发展成为工业镀膜中非常重要的技术之一，广泛应用于电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等领域。

现有技术中，利用磁控溅射技术在基板上形成膜层时，由于磁控溅射靶材的边缘区域对应的磁场可能比磁控溅射靶材的中部区域对应的磁场小，因而轰击磁控溅射靶材的边缘区域的荷能粒子比轰击磁控溅射靶材的中部区域的荷能粒子少，导致磁控溅射靶材的边缘区域对应的成膜速度比磁控溅射靶材的中部区域对应的成膜速度小，因而利用磁控溅射技术在基板上形成膜层后，与磁控溅射靶材的边缘区域对应的膜层的厚度小于与磁控溅射靶材的中部区域对应的膜层的厚度，造成形成在基板上的膜层的厚度不均匀。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中磁控溅射沉积不均匀的缺陷，提供一种能够提高膜层边缘区域沉积均匀性的磁控溅射设备。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁控溅射设备，包括：

腔体，所述腔体内设置有主进气通道，所述腔体下部设置有基台；

腔盖，所述腔盖密封扣合于所述腔体的开口；

靶材本体，所述靶材本体的溅射面为凹面，所述靶材本体厚度均匀；

背板，所述背板与所述靶材本体形状相匹配，所述靶材本体贴合安装在所述背板上，所述背板安装于所述腔盖上；

永磁组件，所述永磁组件设置于所述背板与所述腔盖之间，所述永磁组件与所述靶材本体形状相匹配；

所述腔体内壁设置有进气环，所述进气环环绕在所述靶材本体外周下方，所述进气环上开设有若干朝向所述腔体内部的出气口，所述出气口朝向所述靶材本体外缘的方向，增加所述靶材本体外缘区域的进气量。

在本发明的一个实施例中，所述出气口的出气方向与所述进气环所在平面之间的夹角为45°-60°。

在本发明的一个实施例中，所述进气环的通气速率为所述腔体的进气速率的1/5-3/5。

在本发明的一个实施例中，所述进气环通过若干进气管与所述腔体的内壁固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述靶材本体为半球形，所述半球形的截面弧的角度为25°-35°。

在本发明的一个实施例中，所述靶材本体包括中心圆盘及连接于中心圆盘外周的外部圆台，所述中心圆盘的半径小于所述靶材本体的总半径，所述外部圆台与所述中心圆盘之间的夹角小于90°。

在本发明的一个实施例中，所述外部圆台的宽度为中心圆盘半径的1/5-1/3，所述外部圆台与所述中心圆盘之间的夹角为10°-20°。

在本发明的一个实施例中，所述永磁组件包括磁铁本体和旋转电机，所述磁铁本体设置于所述腔盖内，所述磁铁本体设置有多个，多个所述磁铁本体均匀安装在旋转支架上，相邻所述磁铁本体的极性相反，所述旋转电机穿过所述腔盖连接所述旋转支架。

在本发明的一个实施例中，所述旋转支架为双层十字支架，所述磁铁本体夹持在所述双层十字支架之间。

本发明还提供一种磁控溅射设备的工艺流程，采用上述的磁控溅射设备，包括如下步骤：

S10：在腔体装入靶材本体并放好基片后，密封腔体；

S20：对腔体抽真空至设定压强；

S30：启动永磁组件旋转，向磁控溅射设备的主进气通道通入大流量氩气，通过进气环向靶材本体的外缘喷射低流量氩气；

S40：打开靶材电源，调节溅射功率至设定值；

S50：溅射结束后关闭电源，关闭主进气通道和进气环的气路以及永磁组件。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的磁控溅射设备，通过改变靶材形状同时配合进气环的设置，提高与靶材边缘区域对应的成膜速度，进而提高成膜均匀性；

本发明所述的磁控溅射设备的工艺流程，在利用主进气通道对腔体通入氩气的同时，还通过进气环通入氩气，增加靶材本体边缘的进气量，提高靶材本体边缘区域电子与氩原子碰撞的几率，改善成膜均匀性，达到精确镀膜的目的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例一示意图；

图2是本发明的进气环示意图；

图3是本发明进气环截面示意图；

图4是本发明靶材本体实施例一示意图；

图5是本发明永磁组件实施例一示意图；

图6是本发明实施例二示意图；

图7是本发明靶材本体实施例二示意图；

图8是本发明永磁组件实施例二示意图。

说明书附图标记说明：

10、腔体；11、基台；

20、腔盖；

30、靶材本体；31、中心圆盘；32、外部圆台；

40、背板；

50、永磁组件；51、磁铁本体；52、旋转电机；53、旋转支架；

60、进气环；61、出气口；62、进气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，为本发明的一种磁控溅射设备实施例一剖面视图。具体的，本发明的磁控溅射设备包括：

腔体10，是用于对圆晶进行镀膜的反应室，所述腔体10内设置有主进气通道，用于以现有技术中的常规方式向腔体10 内通入工艺气体。所述腔体10下部设置有基台11，用于安放待镀膜的圆晶。

腔盖20，所述腔盖20密封扣合于所述腔体10的开口，用于密封上述腔体10，以实现对上述腔体10进行抽真空。

靶材本体30，与基台11相对，本实施例中，所述靶材本体30的溅射面设置为凹面，所述靶材本体30厚度均匀，即靶材整体形状为凹形。由于凹面的设置，靶材本体30表面与基台11表面不再平行，两者之间存在夹角，从而改变了溅射粒子的射出角度，保证溅射粒子在基台11上的圆晶表面沉积均匀。

背板40，用于固定靶材本体30，所述靶材本体30背面贴合安装在所述背板40上，所述背板40安装于所述腔盖20上，由于还要设置永磁组件50，为了使得永磁组件50各处与靶材的溅射面对应处之间的距离保持一致，所述背板40与所述靶材本体30形状相匹配。

永磁组件50，所述永磁组件50设置于所述靶材本体30与所述腔盖20之间，具体设置在背板40与腔盖20之间，使磁场能够穿过背板40，位于靶材本体30表面，利用磁场对带电粒子的约束提高等离子体密度，增加溅射率。本实施例中，背板40的形状与靶材相匹配，方便将所述永磁组件50设置为与所述靶材本体30形状相匹配，从而即使靶材本体30的溅射面为凹面，永磁组件50与靶材本体30的溅射面之间的间距也保持一致。

为进一步提高靶材靶材本体30边缘的溅射速率，所述腔体10内壁设置有进气环60，所述进气环60环绕在所述靶材本体30外周下方，参照图2所示，所述进气环60上开设有若干出气口61，所述出气口61朝向所述靶材本体30外缘的方向。

参照图1所示，本发明在工作时，在各部件均组装完成后，将腔盖20与腔体10密封扣合，对磁控溅射设备抽真空后，利用磁控溅射设备本身的进气装置向腔体10内通入反应气体，反应气体通常为氩气，并对基台11和靶材本体30通电，电子在电场的作用下加速飞向基台11上圆晶的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和二次电子，二次电子飞向圆晶。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材本体30，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子或分子作为溅射粒子沉积在圆晶上成膜。二次电子在加速飞向圆晶的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，被束缚在靠近溅射面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕溅射面作圆周运动，并在该区域中电离出大量的氩离子来轰击靶材本体30。对于靶材本体30中心区域而言，其正对的位置，以及外周的位置均存在永磁组件50，而靶材本体30边缘区域仅其正对的位置存在永磁组件50，其外周无永磁组件50，故靶材本体30边缘对应的磁场强度小于靶材本体30中心区域，导致靶材本体30边缘对应的成膜速度小于中心区域对应的成膜速度。为此，本发明中将靶材本体30的溅射面设置为凹面，使得靶材本体30中部区域相对于圆晶之间的距离H大于靶材边缘区域相对于圆晶之间的距离h，而靶材本体30与圆晶之间的距离小的区域对应的成膜速度要大于靶材本体30与圆晶之间的距离大的区域，从而缩小了靶材本体30边缘与中心区域对应的成膜速度差。在进一步的方案中，通过进气环60向腔体10内喷射氩气，由于进气环60位于靶材本体30的外周下方，氩气首先喷射向靶材本体30边缘，随着靶材本体30边缘进气量的增加，会增加电子与氩原子碰撞的几率，同时增加二次电子的数量，将会形成更多氩离子去轰击靶材本体30的外缘，从而增加靶材本体30边缘的溅射速率。进一步改善了形成在圆晶上的膜层的厚度的均匀性。当然，本发明中待溅射的基片不限于圆晶。

参照图3所示，由于需要提高靶材本体30边缘区域的溅射速率，因此进气环60出气口61的最优设置方案是指向靶材本体30外周，因此设置所述出气口61的出气方向与所述进气环60所在平面之间的夹角α为45°-60°且指向靶材本体30的方向。进一步的，所述进气环60的通气速率为所述腔体10的进气速率的1/5-3/5。防止气流流速过大，将位于靶材本体30周围的电子吹向别的区域，降低电子密度，导致电子与氩原子碰撞几率的减少。本实施例中，所述进气环60通过若干进气管62与所述腔体10的内壁固定连接。进气管62连接于进气环60外周，既充当了固定支架，又能够连接外部气源和进气环60，无需另外设置固定进气环60的机构，简化了设备结构。

参照图4所示，分别为本发明靶材本体实施例一示意图。所述靶材本体30为半球形，需要注意的是，本实施例中所指的半球形仅说明靶材本体3010为部分球面，而非限定靶材本体30为1/2球形。参照图4所示，球面具有反射聚焦的特性，通过调节靶材本体30的焦点与基台11的相对位置，使得溅射粒子更均匀的沉积在圆晶上。具体的，由于溅射设备中腔体10的尺寸确定，靶材本体30与基台11之间的距离确定，通过确定半球形靶材本体30的截面弧角度，即可确定靶材本体30尺寸及其焦点与基台11之间的距离，本实施例中所述半球形的截面弧的角度优选为25°-35°。

参照图6和图7所示，为本发明靶材本体30的实施例二示意图。所述靶材本体30包括中心圆盘31及连接于中心圆盘31外周的外部圆台32，所述中心圆盘31的半径小于所述靶材本体30的总半径，所述外部圆台32的锥面与所述中心圆盘31之间的夹角大于90°小于180°。即靶材本体30外周内扣，此种结构更容易加工。且也能够减小靶材边缘与基台11之间的距离，实现提高圆晶溅射均匀性的目的。但若靶材本体30中心与边缘高度差过大，也会导致圆晶中心区域溅射不均匀，故本实施例中，所述外部圆台32的宽度为中心圆盘31半径的1/5-1/3，所述外部圆台32与所述中心圆盘31之间的夹角为10°-20°。

参照图5和图8所述，由于固定磁场不均匀，在磁场强度大的区域，靶材本体30消耗较多，而磁场强度小的区域靶材本体30消耗较少，故所述永磁组件50包括磁铁本体51和旋转电机52，通过旋转电机52驱动磁铁本体51旋转，得到旋转磁场，提高了磁场的均匀性，进而提高靶材本体30的利用率。具体的，所述磁铁本体51设置于所述腔盖20内，所述磁铁本体51设置有多个，多个所述磁铁本体51均匀安装在旋转支架53上，旋转支架53的形状与靶材本体30的形状相匹配。相邻所述磁铁本体51的极性相反，所述旋转电机52穿过所述腔盖20连接所述旋转支架53。多个磁铁本体51的设置使得磁场的分布更广更均匀，再对其进行旋转，进一步提高了靶材本体30的利用率。为防止磁铁本体51在旋转的过程中由于受离心力而掉落，所述旋转支架53设置为双层十字支架，所述磁铁本体51夹持在所述双层十字支架之间。由此对磁铁本体51的固定更加牢固，提高设备的使用寿命。

在采用上述的磁控溅射设备进行溅射2时，其工艺流程如下：

S10：在腔体装入靶材本体并放好基片后，密封腔体。

S20：对腔体抽真空至设定压强。先粗抽至5Pa以下，再细抽至1*10^-3Pa以下。

S30：达到所需真空度后，启动永磁组件旋转。本实施例中由于设置了多个磁铁本体，磁场分布较为均匀，因此控制磁铁组件的转速为95±5rpm。除此之外，还向磁控溅射设备的主进气通道通入大流量氩气，具体以40sccm-60sccm向腔体内通入氩气，而后通过进气环向靶材本体外缘喷射低流量氩气，具体通入进气环的氩气流量为10sccm-30sccm。

S40：当全部准备完成后，即可打开靶材电源，调节溅射功率至设定值，本实施例中个设置为3000W-6000W，开始溅射作业。

S50：溅射结束后关闭电源，关闭主进气通道和进气环的气路以及永磁组件。而后再对腔体进行抽真空20-30min，关闭总控制电源，关闭设备，取出溅射后的基片。

本发明在对基片进行溅射时，除了利用磁控溅射设备的主进气通道进行氩气的注入，还通过进气环进行氩气的注入，且进气环的气流朝向指向靶材边缘，增加靶材边缘进气量，增加该区域电子与氩原子碰撞的几率，进而增加二次电子的数量，将会形成更多氩离子去轰击靶材本体，从而增加靶材本体边缘的溅射率，进一步改善了溅射膜层厚度的均匀性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种磁控溅射设备，其特征在于，包括：

腔体，所述腔体内设置有主进气通道，所述腔体下部设置有基台；

腔盖，所述腔盖密封扣合于所述腔体的开口；

靶材本体，所述靶材本体的溅射面为凹面，所述靶材本体厚度均匀；

背板，所述背板与所述靶材本体形状相匹配，所述靶材本体贴合安装在所述背板上，所述背板安装于所述腔盖上；

永磁组件，所述永磁组件设置于所述背板与所述腔盖之间，所述永磁组件与所述靶材本体形状相匹配；

所述腔体内壁设置有进气环，所述进气环环绕在所述靶材本体外周下方，所述进气环上开设有若干出气口，所述出气口朝向所述靶材本体外缘的方向，增加所述靶材本体外缘区域的进气量。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述出气口的出气方向与所述进气环所在平面之间的夹角为45°-60°。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述进气环的通气速率为所述腔体的进气速率的1/5-3/5。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述进气环通过若干进气管与所述腔体的内壁固定连接。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材本体为半球形，所述半球形的截面弧的角度为25°-35°。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述靶材本体包括中心圆盘及连接于中心圆盘外周的外部圆台，所述中心圆盘的半径小于所述靶材本体的总半径，所述外部圆台与所述中心圆盘之间的夹角小于90°。

7.根据权利要求6所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述外部圆台的宽度为中心圆盘半径的1/5-1/3，所述外部圆台与所述中心圆盘之间的夹角为10°-20°。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述永磁组件包括磁铁本体和旋转电机，所述磁铁本体设置于所述腔盖内，所述磁铁本体设置有多个，多个所述磁铁本体均匀安装在旋转支架上，相邻所述磁铁本体的极性相反，所述旋转电机穿过所述腔盖连接所述旋转支架。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述旋转支架为双层十字支架，所述磁铁本体夹持在所述双层十字支架之间。

10.一种磁控溅射设备的工艺流程，采用如权利要求1-9任一项所述的磁控溅射设备，其特征在于，包括如下步骤：

S10：在腔体装入靶材本体并放好基片后，密封腔体；

S20：对腔体抽真空至设定压强；

S30：启动永磁组件旋转，向磁控溅射设备的主进气通道通入大流量氩气，通过进气环向靶材本体外缘喷射低流量氩气；

S40：打开靶材电源，调节溅射功率至设定值；

S50：溅射结束后关闭电源，关闭主进气通道和进气环的气路以及永磁组件。