CN118222994A - 一种自清洁的高通量磁控溅射设备及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁控溅射技术领域，具体涉及一种自清洁的高通量磁控溅射设备及操作方法。本发明通过在门体上设置基片模块，辅以同样设置在门体上适配的清洁模块，清洁模块通过气流控制对腔体内和基片模块及其周围区域的纳米金属颗粒进行清洁处理和收集；并进一步的提供了冷板使得溅射时的纳米金属颗粒不会对基片模块区域形成强附着，以利于后期的清洁。本发明不仅防止了环境污染，还保护了操作人员健康，同时简化了镀膜腔体内的结构，便于对基片进行换片和对基片夹具进行维修；在设备操作安全性和设备清洁便捷性上都有明显提高，有利于广泛使用。

Description

一种自清洁的高通量磁控溅射设备及操作方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，具体涉及一种自清洁的高通量磁控溅射设备及操作方法。

背景技术

磁控溅射技术是指：在真空环境下对氩气等惰性气体外加一个电场，使得电子在飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩正离子和新的电子。氩离子在电场作用下以高能量轰击阴极靶材，使靶材发生溅射。

在不断的发展中，磁控溅射镀膜已然成为了应用最广的镀膜手段之一。然而，随着应用领域的扩大，磁控溅射镀膜设备也在不断的更新换代。在已有磁控溅射设备进行镀膜应用的过程中，不断地挖掘设备使用存在的问题，并对已有的磁控溅射设备进行优化，是对磁控溅射技术工业化、大批量生产至关重要的一步。上述对已有设备的优化过程，往往能更好的促进行业的发展和进步。特别是近年来随着材料基因工程技术的发展，一系列新型镀膜技术与装备得到发展。

例如，在《A novel gradient composition spreading and nanolayerstacking process for combinatorial thin-film materials library fabrication》Rev. Sci. Instrum. 91, 065107 (2020)一文中，提到了制备高通量组合磁控溅射设备，该设备将溅射的靶材固定在可开启的门体上，将基片固定在装置的中间腔体内，便于对靶材的更换和处理。但是由于该装置中的基底安装于腔室内，往往造成基底无法很好清洁，即使在关闭腔室时清洗干净，当沉积磁性材料等材料时又会由于真空腔室内气流的变化，造成灰尘颗粒飞出粘附在基底表面，影响薄膜质量。

实际应用中，靶材通过磁控溅射产生的多余金属颗粒，会在腔体内沉积和附着。通过观察发现，金属颗粒主要在基片及基片承载部周围内壁附着。大量不同的金属颗粒混合会造成设备内部环境污染，影响后续溅射镀膜的质量；基片承载部分位于腔体内部清洗困难，还会影响设备的使用效率和使用寿命。而对于高通量实验，其工艺过程长，步骤多，因此会造成比传统实验更多的金属颗粒和附着物，严重影响设备稳定性（轻则短路，造成靶材不启辉，重则造成损坏分子泵）和样品成分的可靠性。

特别是针对高通量组合实验装备和多工艺串并联镀膜装备等需要依次制备多层薄膜的设备，其基底往往安装在中心的腔室中，而考虑到为避免不同靶材的相互污染，靶材往往安装在周围的腔室或者真空舱门上，如公告号CN103898462B的磁控溅射镀膜装置，该专利将磁控靶设置在门体上，便于设备维护和处理。

在上述情况中，由于其真空镀膜结构复杂，除了有传统磁控溅射装备中都有的溅射阴极、基片架和泵组以外，还有掩模装置、基底移动装置和靶材与基底相对运动结构等，并且基底安装于腔室内，因此当金属颗粒附着在复杂的基片承载结构中时，往往无法用传统的清洗方法清洁，且由于上述复杂结构在腔室内，也没有足够空间去清理干净。因此在真空环境下，当真空泵组和气流冲入时，会造成金属颗粒的四散移动，极易造成样品污染，影响样品质量。因此需要改变靶材和基底的布局位置，提高基底的清洁程度。

此外，磁控溅射在运行过程中，不仅在基片上生成大量纳米金属颗粒，同时也在腔体内产生了大量的纳米金属颗粒；而操作人员在打开门体操作换取基片时，会直接接触纳米金属颗粒，若操作人员长时间在纳米金属颗粒含量高的环境中工作，会使得纳米金属颗粒进入呼吸系统，引起尘肺病等，不利于身体健康和操作安全。

上述问题是镀膜行业中过去长期存在的问题，一直被忽视，但是针对近年来发展的高通量实验等复杂薄膜沉积技术，该问题的解决是非常必要的。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，本发明提供了一种自清洁的高通量磁控溅射设备及操作方法,通过在腔体内的门体上设置清洁模块，避免直接打开门体进行清洗，污染环境和影响操作人员健康；同时通过可拆卸的过滤袋对排出的纳米金属颗粒进行收纳，便于更好的处理纳米金属颗粒，还防止了对环境的污染；通过将基片模块安装在门体上，既简化了镀膜腔体内的结构，又利于对基片进行换片和对基片夹具进行维修以及清洁。

本发明采用下述的技术方案：

一种自清洁的高通量磁控溅射设备，包括基片模块、靶材模块和外壳体。

外壳体提供磁控溅射的溅射腔体，溅射腔体内设有靶材模块，外壳体上设有可密封的门体。

基片模块包括基片夹具和掩膜块，基片夹具装夹待镀基片，基片夹具和掩膜块均固定在门体上的内侧。

靶材模块包括靶材夹具和靶材传动部件，靶材夹具上固定多个靶材，通过靶材传动部件将靶材夹具传送至与基片模块上的待镀基片相适应处；靶材夹具上设有多个靶材位，靶材夹具通过绕中心轴转动，更换不同的靶材；靶材传动部件既包括带动靶材夹具水平移动的丝杠结构，又包括转动靶材夹具的转动结构，转动结构可更换靶材夹具上装夹的不同靶材，实现换靶操作。

门体上还设有清洁模块，清洁模块也固定在门体内侧，清洁模块包括出风口、排渣口、挡板和吸渣电机。

所述挡板分为上、下挡板两部分，分设于门体内侧的上下两端，基片夹具位于上、下挡板之间的门体内侧区域，且上、下挡板均向基片夹具方向倾斜；其中，上挡板与门体连接靠基片夹具方向上设有出风口，下挡板与门体连接处设有排渣口。清洁模块通过上挡板和出风口实现对腔体内和基片夹具周围区域进行定向的气流控制吹洗，通过下挡板和门体形成的结构收集，并配合排渣口将吹洗控制收集后的纳米金属颗粒进行排出。

进一步的，所述上挡板与基片夹具装夹端面（门体所处平面的平行面）的夹角为锐角，使得出风口可对基片夹具及基片夹具未覆盖的门体内侧进行重点吹洗；所述下挡板与基片夹具装夹端面的夹角也为锐角，以利于纳米金属颗粒和灰尘的收集易于从排渣口排出。

进一步的，所述挡板外沿与门体内侧面的距离高于掩膜块与门体内侧面的距离，掩膜块与门体内侧面的距离高于基片夹具与门体内侧面的距离，且挡板外沿不对靶材和基片间的溅射通道构成遮挡；对于上挡板利于出风口对基片夹具进行重点吹洗的效果，对于下挡板则利于气流控向遮挡使得吹洗气流中纳米金属颗粒和灰尘的收集效果。

进一步的，所述排渣口至少3个，并均匀分布在下挡板内侧底部；所述排渣口依次与门体下端面的通孔、下阀门、过滤袋和吸渣电机连接，吸渣电机提供吸力将纳米金属颗粒从排渣口吸附排出，再进入过滤袋，过滤袋用于收集纳米金属颗粒和灰尘。

进一步的，所述过滤袋可拆卸，以单独取出过滤袋对收集的纳米金属颗粒进行处理，防止重金属对人体的伤害和对环境的污染，过滤袋为真空过滤袋，可在真空或低压条件下正常使用。

进一步的，所述过滤袋内设有静电网，以更好的吸附纳米金属颗粒和灰尘。或者，所述过滤袋内设有吸附剂，吸附剂为活性炭或石墨烯，能更好吸附纳米金属颗粒材料和灰尘，且该吸附剂不透过过滤袋。或者，静电网和吸附剂均有设置。

进一步的，所述出风口为圆孔和/或槽孔，有至少两个，并均匀分布，使得气流控制吹洗效果更佳。

进一步的，所述门体内侧还设有嵌入式的冷板，且冷板的上表面与门体内侧平面齐平；冷板与基片夹具不接触，冷板对基片模块附近区域进行重点降温，使得溅射时的纳米金属颗粒溅射到门体内侧非基片覆盖区域时，不易附着，便于清洗。

进一步的，所述冷板为芯片冷却所用的微流道结构水冷系统，具体为满布预冷却区域的水冷管道，预冷却区域为溅射时门体内侧的非基片覆盖区域。

上述自清洁的高通量磁控溅射设备的操作方法，包括以下步骤：

第一步：打开门体，将待镀基片安装在基片夹具上，关闭门体；

第二步：通过靶材传动部件将靶材夹具传动到与待镀基片相适应的位置，对待镀基片进行离子轰击，进行预溅射；

第三步：通过靶材传动部件将靶材夹具转动到相适应位置，设定溅射参数，进行溅射镀膜；

第四步：溅射镀膜完成后，开启清洁模块，通过门体上端的出风口输出工作气体（如氩气、氮气或氧气），对基片夹具及基片附近的内壁进行吹洗清洁，并同时开启吸渣电机通过门体下端的排渣口将纳米金属颗粒和灰尘吸出，形成稳定流动气流，吸出的纳米金属颗粒进入过滤袋中，待清洁至少3min后，开启门体，取出镀膜完成的基片，进行下一步工艺。

进一步的，所述第三步中在溅射镀膜的同时还开启冷板，冷水管道内通有冷却液。

本发明的有益效果是：

1.本发明溅射完成后打开出风口对门体内侧和腔体进行吹洗，既能对基片进行表面清洁处理，还能在镀膜完成后对腔体和门体进行清洗，减少纳米金属颗粒附着和污染。

2.本发明通过门体下端的多个排渣口，将清洁掉的游离纳米金属颗粒吸出，再通过过滤袋对纳米金属颗粒进行收集；在不开启设备门体的情况下，对腔体内的纳米金属颗粒进行清洗和收集。本发明在打开溅射设备前进行清洗，一方面避免让纳米金属颗粒暴露在空气中，造成空气污染，另一方面避免操作人员长期大量接触纳米金属颗粒，危害操作人员身体健康。

3.本发明通过将基片模块安装在门体上，基片夹具和掩模版固定在门体内侧，打开门体就能对基片进行换取，对设备进行维修，提高工作效率。

4.本发明通过设置冷板降低溅射时纳米金属颗粒的附着能力，让附着在腔体内的纳米金属颗粒更易脱落，便于后续的清理和回收。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的门体内侧正视图；

图3为本发明上挡板出风口的截面结构透视图；

图4为本发明下挡板排渣口的截面结构透视图；

图5为本发明门体的侧视剖视图；

图6为本发明冷板正视剖视图；

附图标记：1-基片模块、101-基片夹具、102-掩膜块、2-靶材模块、201-靶材夹具、202-靶材传动部件、3-外壳体、4-门体、5-清洁模块、501-出风口、502-排渣口、503-上挡板、504-下挡板、505-通孔、506-下阀门、507-过滤袋、6-冷板、601-冷水管道。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

本发明提供了一种自清洁的高通量磁控溅射设备, 如图1所示，包括基片模块1、靶材模块2和外壳体3。

所述外壳体3的溅射腔体内设有靶材模块2，外壳体3上设有可密封的门体4。

所述靶材模块2包括靶材夹具201、靶材传动部件202，靶材夹具201上可固定多个靶材，通过靶材传动部件202将靶材夹具201传送至与基片模块1上的待镀基片相适应处，靶材夹具201上设有多个靶材位，靶材夹具201通过绕中心轴转动，更换不同的靶材；通过靶材传动部件202控制靶材夹具201水平移动和绕中心轴转动，水平移动控制靶材夹具201的位置，绕中心轴转动控制多个靶材位的旋转，便于在溅射时直接更换不同的溅射靶材，实现高通量镀膜。

所述基片模块1包括基片夹具101、掩膜块102，基片夹具101装夹待镀基片，基片夹具101和掩膜块102均固定在门体4的内侧（如图2所示）。

所述门体4上固定有基片模块1、清洁模块5和铜制冷板6（如图5、图6所示）；冷板6嵌入在门体4内侧，冷板6的上表面与门体4内侧平面齐平，冷板6的尺寸对门体4非基片夹具挡住的部分全覆盖；冷板6内为微流道结构水冷系统（图6冷水管道601），溅射时通过冷水管道601中的冷却液对冷板6上表面进行降温，冷板6上表面温度保持在40 -60°C，能降低溅射的纳米金属颗粒的附着度，使得门体4方向的内壁更容易清洗和处理。

所述清洁模块5（如图3-5所示）包括出风口501、排渣口502、挡板（上挡板503、下挡板504）和吸渣电机；上挡板503和下挡板504均向基片夹具101方向倾斜，上挡板503与基片夹具101装夹端面的夹角为45度锐角，上挡板503上的出风口501可对基片夹具101及基片夹具101未覆盖的门体4内侧进行吹洗；下挡板504与基片夹具101装夹端面的夹角也为45度锐角，利于收集纳米金属颗粒和灰尘并从排渣口502排出。

本实施例中（如图3所示）上挡板503上设有四个出风口501，下挡板504下端设有五个排渣口502（如图4所示）。出风口501输出工作气体（氩气）对腔体内和基片夹具101周围进行吹洗，排渣口502依次经通孔505-下阀门506-过滤袋507接吸渣电机，吸渣电机给排渣口502提供吸力，将腔体内产生的纳米金属颗粒和灰尘，通过排渣口502吸附进入过滤袋507内进行回收处理。过滤袋507内还设置静电网来提高吸附纳米金属颗粒和灰尘的效果，或者在过滤袋507内放入吸附剂进行吸附；最后在清洁完成时拆卸过滤袋507，直接处理过滤袋507内吸附的纳米金属颗粒和灰尘，实现保护操作人员的同时对设备内部清洁。

本设备主要是在不打开门体4的情况下，通过气流控制对腔体内的纳米金属颗粒和灰尘进行处理和收集；可避免操作人员溅射完成后，直接开启门体4，直接接触大量的纳米金属颗粒，不利于操作安全性；同时通过在溅射后，立刻对冷板6上和腔体内的纳米金属颗粒进行处理，减少腔体内的污染，保护了设备，提高了设备的使用寿命。

一种自清洁的高通量磁控溅射设备的操作方法，包括有以下步骤：

第一步：打开门体4，将待镀基片安装在基片夹具101上，关闭门体4。

第二步：通过靶材传动部件202先将靶材夹具201传动到与门体4上基片相适应位置，然后对待镀基片进行离子轰击，进行预溅射。

第三步：通过靶材传动部件202将靶材夹具201转动到相适应位置，让待镀靶材与待镀基片相对，设定溅射参数，靶材传动部件202带动靶材夹具201在腔体内水平移动，进行溅射镀膜；需要更换靶材进行高通量镀膜时，靶材夹具201绕中心轴转动，更换新的靶材，再在腔体内水平移动溅射镀膜，根据设定的溅射镀膜参数加工。

第四步：溅射的同时开启冷板6，通过冷水管道601内的冷却液让其上保持40 -60°C，在此温度下，溅射在基片夹具及其周围区域的纳米金属颗粒不易形成强附着。

第五步：溅射镀膜完成后，开启下阀门506和吸渣电机，出风口501通入氩气对基片夹具101及基片附近的内壁进行吹洗清洁，再通过排渣口502经通孔505将游离的纳米金属颗粒吸出并吸入过滤袋507中收集，清洁10min后，开启设备，取出基片，进行下一步工艺。

第六步：多次溅射实验结束后，可将过滤袋507取出，将纳米金属颗粒进行统一处理，防止环境污染。

通过以上实施例可见，本发明通过在门体4上设置基片模块1，辅以同样设置在门体4上适配的清洁模块5，清洁模块5通过气流控制对腔体内和基片模块1及其周围区域的纳米金属颗粒进行清洁处理和收集；并进一步的提供了冷板6使得溅射时的纳米金属颗粒不会对基片模块区域形成强附着，以利于后期的清洁。本发明不仅防止了环境污染，还保护了操作人员健康，同时简化了镀膜腔体内的结构，便于对基片进行换片和对基片夹具101进行维修；在设备操作安全性和设备清洁便捷性上都有明显提高，有利于广泛使用。

Claims (10)

1.一种自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：包括基片模块、靶材模块和外壳体；

外壳体提供磁控溅射的溅射腔体，溅射腔体内设有靶材模块，外壳体上设有可密封的门体；

基片模块包括基片夹具和掩膜块，基片夹具装夹待镀基片，基片夹具和掩膜块均固定在门体上的内侧；

靶材模块包括靶材夹具和靶材传动部件，靶材夹具上固定多个靶材，通过靶材传动部件将靶材夹具传送至与基片模块上的待镀基片相适应处；靶材夹具上设有多个靶材位，靶材夹具通过绕中心轴转动，更换不同的靶材；靶材传动部件既包括带动靶材夹具水平移动的丝杠结构，又包括转动靶材夹具的转动结构，转动结构可更换靶材夹具上装夹的不同靶材，实现换靶操作；

门体上还设有清洁模块，清洁模块也固定在门体内侧，清洁模块包括出风口、排渣口、挡板和吸渣电机；

所述挡板分为上、下挡板两部分，分设于门体内侧的上下两端，基片夹具位于上、下挡板之间的门体内侧区域，且上、下挡板均向基片夹具方向倾斜；其中，上挡板与门体连接靠基片夹具方向上设有出风口，下挡板与门体连接处设有排渣口；清洁模块通过上挡板和出风口实现对腔体内和基片夹具周围区域进行定向的气流控制吹洗，通过下挡板和门体形成的结构收集，并配合排渣口将吹洗控制收集后的纳米金属颗粒进行排出。

2.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述上挡板与基片夹具装夹端面的夹角为锐角，所述下挡板与基片夹具装夹端面的夹角也为锐角。

3.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述挡板外沿与门体内侧面的距离高于掩膜块与门体内侧面的距离，掩膜块与门体内侧面的距离高于基片夹具与门体内侧面的距离，且挡板外沿不对靶材和基片间的溅射通道构成遮挡。

4.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述排渣口至少3个，并均匀分布在下挡板内侧底部；所述排渣口依次与门体下端面的通孔、下阀门、过滤袋和吸渣电机连接，吸渣电机提供吸力将纳米金属颗粒从排渣口吸附排出，再进入过滤袋，过滤袋用于收集纳米金属颗粒和灰尘；过滤袋可拆卸，以单独取出过滤袋对收集的纳米金属颗粒进行处理，过滤袋为真空过滤袋。

5.如权利要求4所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述过滤袋内设有静电网；或设有吸附剂，吸附剂为活性炭或石墨烯，且该吸附剂不透过过滤袋；或静电网和吸附剂均有设置。

6.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述出风口有至少两个，并均匀分布。

7.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述门体内侧还设有嵌入式的冷板，且冷板的上表面与门体内侧平面齐平；冷板与基片夹具不接触，冷板对基片模块附近区域进行重点降温。

8.如权利要求7所述自清洁的高通量磁控溅射设备，其特征在于：所述冷板为芯片冷却所用的微流道结构水冷系统，具体为满布预冷却区域的水冷管道，预冷却区域为溅射时门体内侧的非基片覆盖区域。

9.如权利要求1所述自清洁的高通量磁控溅射设备的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：打开门体，将待镀基片安装在基片夹具上，关闭门体；

第二步：通过靶材传动部件将靶材夹具传动到与待镀基片相适应的位置，对待镀基片进行离子轰击，进行预溅射；

第三步：通过靶材传动部件将靶材夹具转动到相适应位置，设定溅射参数，进行溅射镀膜；

第四步：溅射镀膜完成后，开启清洁模块，通过门体上端的出风口输出工作气体，对基片夹具及基片附近的内壁进行吹洗清洁，并同时开启吸渣电机通过门体下端的排渣口将纳米金属颗粒和灰尘吸出，形成稳定流动气流，吸出的纳米金属颗粒进入过滤袋中，待清洁至少3min后，开启门体，取出镀膜完成的基片，进行下一步工艺。

10.如权利要求9所述自清洁的高通量磁控溅射设备的操作方法，其特征在于：所述第三步中在溅射镀膜的同时还开启冷板，冷水管道内通有冷却液。