CN212533105U

CN212533105U - 一种磁控溅射设备

Info

Publication number: CN212533105U
Application number: CN202021399924.0U
Authority: CN
Inventors: 张�诚
Original assignee: Sanhe Heng Yue Vacuum Equipment Co ltd
Current assignee: Sanhe Heng Yue Vacuum Equipment Co ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2030-07-16

Abstract

本实用新型提供了一种磁控溅射设备，该磁控溅射设备包括溅射室、以及在该溅射室内相对设置的基片台和溅射靶枪，该溅射靶枪内设置有靶材，其中，该磁控溅射设备还包括：挡板以及匀气环，该挡板以及匀气环设置在该溅射室内；挡板包括侧遮挡部以及上遮挡部，其中，侧遮挡部环绕溅射靶枪设置且其上端超出靶材的溅射面，上遮挡部从侧遮挡部的上端向内延伸至靶材边缘处；匀气环与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔，匀气环设置在挡板和溅射靶枪之间并对靶材形成环绕，匀气环的设置高度位于靶材溅射面和上遮挡部之间。使用本实用新型所提供的磁控溅射设备可以确保稳定的溅射速率。

Description

一种磁控溅射设备

技术领域

本实用新型涉及磁控溅射技术领域，尤其涉及一种磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射设备目前被广泛应用于电子、机械、光学、装饰等领域，其主要包括溅射室、基片台、靶枪以及溅射电源。具体地，溅射室的室壁上开设有进气口和抽气口，其中，进气口用于通入溅射所需的工艺气体，抽气口与外部真空泵连接，真空泵通过该抽气口对溅射室抽真空至规定压力。基片台设置在溅射室内，用于承载待镀膜的基片。靶枪也设置在溅射室内，其包括靶材以及磁场发生装置，其中，靶材用于提供溅射源，其溅射面朝向基片，磁场发生装置用于在靶材溅射面的表面形成磁场。溅射电源设置在溅射室外，与靶材和基片分别连接，用于为溅射提供能量。

磁控溅射设备的工作原理如下：按照预设流量从溅射室的进气口向溅射室内通入溅射所需的工艺气体，与此同时利用真空泵按照预设抽速从溅射室的抽气口抽气，以保证溅射室内工艺气体达到溅射所需的压力。溅射电源作用于靶材和基片以在溅射室内产生电场，该电场离化溅射室内的工艺气体原子产生等离子体。等离子体中的电子在电场和磁场的作用下继续和工艺气体原子发生碰撞以不断使工艺气体原子电离出更多的电子和离子。等离子中的离子则在电场和磁场的作用下则加速飞向靶材轰击其表面。靶材表面被轰击出来的原子沉积在基片表面上形成薄膜。

磁控溅射设备镀膜的厚度控制精度主要取决于溅射速率的稳定性，其中，溅射速率越稳定，则镀膜的厚度控制精度越高。通过上述磁控溅射设备工作原理的描述可知，磁控溅射设备其溅射速率的稳定性取决于三个因素，该三个因素分别是靶枪的稳定性、溅射电源的稳定性、以及溅射工艺气体压力的稳定性。考虑到目前靶枪和溅射电源的制造工艺非常成熟，可以保证其稳定性，所以溅射工艺气体压力的稳定性成为磁控溅射设备溅射速率稳定性的决定性因素。

针对于现有磁控溅射设备的溅射速率来说，其稳定性的问题在于：磁控溅射设备工作时，工艺气体从进气口进入溅射室后流经整个溅射室然后从抽气口排出，这种情况下，只有抽气口和溅射室之间存在一个压差，而溅射室内各空间之间的工艺气体压力基本是相同的。也就是说，溅射靶枪附近和溅射室内其他空间之间并不存在压差。如此一来，溅射室内的任何操作(例如工件台的旋转或移动、溅射室内部件的安装位置差异等)都会对溅射室内工艺气体的流动方向以及流动速度造成影响，其中就包括对溅射靶枪附近工艺气体的影响，导致靶枪附近的工艺气体压力发生波动，从而影响到溅射速率的稳定性，进而影响到镀膜的厚度控制精度。就现有的磁控溅射设备来说，镀膜的厚度控制精度为+/-3％左右。

为了解决上述问题，人们提出在磁控溅射设备中采用高精度压力计(例如高精度的薄膜电容压力)来测量溅射室内工艺气体的压力，并根据测量值反馈控制真空泵的抽速或控制工艺气体的进气流量，以稳定溅射室内工艺气体的压力。这种方式的缺陷在于：(1)高精度压力计价格昂贵，导致磁控溅射设备整体成本的增加；(2)控制真空泵的抽速一般通过自动调节的真空阀门来实现，控制工艺气体的进气流量一般通过调节气体质量流量计阀门来实现，即都是通过机械运动进行微调实现的，而机械运动的响应时间往往都比较缓慢，所以导致溅射室内工艺气体的压力无法及时得到稳定；(3)高精度压力计以及阀门长时间使用会存在精度降低和出现故障的可能性。

实用新型内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本实用新型提供了一种磁控溅射设备，该磁控溅射设备包括溅射室、以及在该溅射室内相对设置的基片台和溅射靶枪，该溅射靶枪内设置有靶材，其中，该磁控溅射设备还包括：

挡板以及匀气环，该挡板以及匀气环设置在该溅射室内；

所述挡板包括侧遮挡部以及上遮挡部，其中，所述侧遮挡部环绕所述溅射靶枪设置且其上端超出所述靶材的溅射面，所述上遮挡部从所述侧遮挡部的上端向内延伸至所述靶材边缘处；

所述匀气环与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔，所述匀气环设置在所述挡板和所述溅射靶枪之间、并对所述靶材形成环绕，所述匀气环的设置高度位于所述靶材溅射面和所述上遮挡部之间。

根据本实用新型的一个方面，该磁控溅射设备中，所述匀气环固定在所述挡板的内壁上。

根据本实用新型的另一个方面，该磁控溅射设备中，所述匀气环设置在所述侧遮挡部和所述上遮挡部连接的位置处。

根据本实用新型的又一个方面，该磁控溅射设备中，所述出气孔均匀地分布在所述匀气环的内侧，其中，所述出气孔的出气方向呈水平方向。

根据本实用新型的又一个方面，该磁控溅射设备中，所述出气孔是圆孔，其直径小于0.1mm。

根据本实用新型的又一个方面，该磁控溅射设备中，所述挡板和所述匀气环的材料均是不锈钢。

根据本实用新型的又一个方面，该磁控溅射设备中，所述匀气环呈与所述靶材形状相匹配的环状结构，且所述匀气环与所述靶材同心设置。

本实用新型所提供的磁控溅射设备包括溅射室、基片台、溅射靶枪、挡板以及匀气环，溅射靶枪内设置有靶材，挡板包括侧遮挡部以及上遮挡部，其中，侧遮挡部环绕溅射靶枪设置且其上端超出靶材的溅射面，上遮挡部从侧遮挡部的上端向内延伸至靶材边缘的上方，匀气环与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔，匀气环设置在挡板和溅射靶枪之间对靶材形成环绕，且匀气环的设置高度位于靶材溅射面和上遮挡部之间。针对于本实用新型所提供的磁控溅射设备来说，挡板的设置在靶材附近形成了一个相对封闭的空间，而匀气环又设置在挡板和溅射靶枪之间(即设置在该相对封闭的空间内)，因此，当工艺气体从匀气环溢出后首先进入该相对封闭的空间，其中，由于匀气环对靶材形成环绕且其设置高度位于靶材溅射面和上遮挡部之间，所以工艺气体进入该相对封闭的空间后会首先流动至靶材溅射面上方的空间，从而快速地在靶材表面形成溅射所需的工艺气体环境。工艺气体经过该相对封闭空间后再流经溅射室的其他空间直至最终从抽气口被真空泵抽出。由于靶材附近的相对封闭空间对工艺气体的流动产生一定限制，所以导致靶材表面的工艺气体和溅射室其他空间内的工艺气体之间形成一个压差。也就是说，除了抽气口和溅射室之间存在一个压差外，溅射室内的空间之间还存在一个压差，而正是由于这个压差的存在，使得溅射室其他空间内的操作不会对靶材表面的工艺气体压力造成干扰，从而有效地提高了靶材表面工艺气体压力的稳定性，进而有效地提高了溅射速率的稳定性。由于溅射速率的稳定性被有效提高了，所以镀膜的厚度控制精度也相应提升。经测试，使用本实用新型所提供的磁控溅射设备镀膜，可以将镀膜的厚度控制精度从现有的+/-3％提高到+/-0.5％。此外，由于匀气环和挡板其成本较低，因此使得本实用新型所提供的磁控溅射设备其制造成本也相对较低。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本实用新型的一个具体实施例的磁控溅射设备的剖面结构示意图；

图2至图4是根据本实用新型的三个优选实施例的匀气环和溅射靶枪的俯视结构示意图；

图5和图6是根据本实用新型的两个优选实施例的匀气环和靶材的俯视结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本实用新型，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型提供了一种磁控溅射设备，该磁控溅射设备包括溅射室、以及在该溅射室内相对设置的基片台和溅射靶枪，该溅射靶枪内设置有靶材，其中，该磁控溅射设备还包括：

挡板以及匀气环，该挡板以及匀气环设置在该溅射室内；

所述匀气环与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔，所述匀气环设置在所述挡板和所述溅射靶枪之间、并对所述靶材形成环绕，所述匀气环的设置高度位于所述靶材溅射面和所述基片台之间。

下面，将结合图1对上述磁控溅射设备的各个构成部分进行详细说明。

具体地，如图1所示，本实用新型所提供的磁控溅射设备包括溅射室100，磁控溅射工艺在该溅射室100内实现。溅射室100上设置有抽气口1001，该抽气1001口与外部抽气系统(例如真空泵)连接，外部抽气系统通过该抽气口对溅射室100抽真空至规定压力。溅射室100内设置有基片台101，用于承载待镀膜的基片102。本实用新型对基片台101的具体设置位置不做任何限定，可以如图1所示固定在溅射室100的顶部，也可以根据设计需求固定在其他位置上(例如溅射室100底部等)。

本实用新型所提供的磁控溅射设备还包括溅射靶枪，该溅射靶枪设置在溅射室100内。溅射靶枪包括背板201、以及设置在背板201两侧的靶材200和磁场装置202。靶材200用于提供溅射源。本实用新型对靶材的材料以及形状不做任何限定，其中，靶材200的材料可以根据实际镀膜工艺的需求决定，例如可以是金属靶材、合金靶材、或陶瓷靶材等；靶材200的形状可以是典型的圆形或矩形，也可以是其他形状。背板201用于承载靶材200，其中，较为典型的方式是通过压块(未示出)或焊接的方式将靶材200固定在背板201上。背板201的材料优选为铜。通常情况下，背板201内还设置有与外部冷媒提供装置连通的冷媒通道(未示出)，在磁控溅射过程中，冷媒提供装置向冷媒通道中输入冷媒(例如冷却水等)，以实现对靶材200的冷却。磁场装置202包括磁铁，用于在靶材200的表面形成磁场。需要说明的是，(1)溅射靶枪需要相对于基片台101进行安装，以使靶材200用于溅射的表面(下文简称为溅射面)和待镀膜的基片102相对设置。以图1所示结构为例，基片台101固定在溅射室100的顶部其上的基片102朝下，溅射靶枪固定在溅射室100的底部其中的靶材200溅射面朝上。(2)磁场装置202为现有技术，存在多种设计方式，例如磁场装置202中磁铁可以是规则形状、也可以是异形，又或者磁场装置202中的磁铁可以是静止的、也可以是运动的(如旋转等)。一种较为典型的磁场装置202包括中心磁铁和环绕该中心磁铁的外圈磁铁，该中心磁铁和外圈磁铁朝向靶材200的磁极极性相反，从而在靶材200表面形成磁场。本领域技术人员可以理解的是，磁场装置202的具体结构不应仅仅限于上述描述，凡是可以在靶材200表面形成磁场的结构均适用于本实用新型的磁场装置202。此外还需要说明的是，除了磁铁之外，根据设计需求磁场装置202还可以包括其他部件，举例说明，针对于磁铁旋转的磁场装置202来说，磁场装置202还需要包括用于连接磁铁和驱动机构的旋转轴等。为了简明起见，在此不再对磁场装置202所有可能的结构进行一一描述。

本实用新型所提供的磁控溅射设备还包括挡板以及匀气环204，该挡板和匀气环204均设置在溅射室100内。下面对挡板和匀气环204分别进行说明。

在本实施例中，挡板包括侧遮挡部203b以及上遮挡部203a。侧遮挡部203b环绕溅射靶枪设置，其中，侧遮挡部203b的高度大于溅射靶枪的高度，使得侧遮挡部203b的上端超出靶材200的溅射面，即侧遮挡部203b的上端位于靶材200溅射面和基片台之间。针对于如图1所示溅射靶枪安装在溅射室100底部的情况，挡板侧遮挡部203b上端所在高度需要高于溅射靶枪中靶材200溅射面所在高度，以确保侧遮挡部203b超出靶材的溅射面；针对于溅射靶枪安装在溅射室100顶部的情况，挡板侧遮挡部203上端所在高度需要低于溅射靶枪中靶材200溅射面所在高度，以确保侧遮挡部203b超出靶材200的溅射面。上遮挡部203a从侧遮挡部203b的上端向内延伸至靶材200边缘的上方。挡板优选使用不锈钢制成。此外需要说明的是，本实用新型对挡板的固定方式不做任何限定，可以通过例如固定件或焊接的方式将挡板固定在溅射室100的室壁上。

匀气环204与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔(未示出)，当需要向溅射室100内通入工艺气体时，外部工艺气体提供装置向匀气环204输送工艺气体，工艺气体进入匀气环204后通过其上开设的出气孔进入至溅射室100内。本实用新型对于匀气环204如何与外部工艺气体提供装置相连通不作任何限制，可以利用诸如现有技术中的导气管205伸入溅射室100内将其二者进行连通即可。匀气环204设置在挡板和溅射靶枪之间，其设置位置需要满足以下两个方面：一方面，匀气环204对靶材200形成环绕，即靶材200在水平面上的投影落入匀气环204在水平面上的投影区域内；另一方面，匀气环204的设置高度位于靶材200溅射面和上遮挡部203a之间，针对于如图1所示溅射靶枪安装在溅射室100底部的情况，匀气环204的设置高度高于靶材200溅射面所在高度但低于上遮挡部203a所在高度，针对于溅射靶枪安装在溅射室100顶部的情况，匀气环204的设置高度则高于上遮挡部203a所在高度但低于靶材200溅射面所在高度。此外，匀气环204优选使用不锈钢制成。

由于挡板中的侧遮挡部203b对溅射靶枪形成环绕且其上端又超出靶材200的溅射面，加之上遮挡部203a从侧遮挡部203b的上端向内延伸，从而使得在溅射室100内溅射靶枪的附近(特别是在靶材溅射面附近)形成了一个相对封闭的空间。由于匀气环204设置在挡板和溅射靶枪之间，所以当工艺气体从匀气环204的出气孔中溢出后首先进入该相对封闭的空间。其中，由于匀气环204对靶材200形成环绕且其设置高度位于靶材200溅射面和上遮挡部203a之间，所以工艺气体进入该相对封闭的空间后会首先流动至靶材200溅射面上方的空间，从而快速地在靶材200溅射面上方形成溅射所需的工艺气体环境。工艺气体经过靶材200附近由挡板所述形成的相对封闭空间后，会继续流经溅射室100的其他空间直至最终从抽气口被真空泵抽出。由于靶材200附近的相对封闭空间对工艺气体的流动产生一定限制，所以导致靶材200表面的工艺气体和溅射室其他空间内的工艺气体之间形成一个压差(靶材200表面工艺气体压力比溅射室100内其他空间工艺气体压力大约高出半个量级，例如当溅射室100内工艺气体压力为5×10^-4torr时靶材200表面工艺气体压力约为1×10^- ³torr)。也就是说，除了抽气口和溅射室之间存在一个压差外，溅射室内的空间之间还存在一个压差，而正是由于这个压差的存在，使得溅射室其他空间内的操作不会对靶材200表面的工艺气体压力造成干扰，从而有效地提高了靶材200表面工艺气体压力的稳定性，进而有效地提高了溅射速率的稳定性。由于溅射速率的稳定性被有效提高了，所以镀膜的厚度控制精度也相应提升。经测试，使用本实用新型所提供的磁控溅射设备镀膜，可以将镀膜的厚度控制精度从现有的+/-3％提高到+/-0.5％。以镀制100mm的薄膜为例，利用现有磁控溅射设备溅射镀膜的话薄膜厚度在97nm至103nm之间变化，而利用本实用新型所提供的磁控溅射设备镀膜的话薄膜厚度则在99.5nm至100.5nm之间变化。此外，由于挡板和匀气环204的成本较低，所以使得本实用新型所提供的磁控溅射设备其制造成本也相应较低。

本实用新型对于匀气环204的固定并不作任何限定，可以通过诸如支撑架(图1中未示出)等固定件将其固定在设置高度上，还可以利用诸如焊接的方式将匀气环204直接固定在挡板侧壁与设置高度相对应的位置上。其中，匀气环204可以如图2所示固定在挡板的侧遮挡部203b的内壁上，还可以如图3所示固定在挡板的上遮挡部203a的内壁上。在一个优选实施例中，如图4所示，匀气环204固定在侧遮挡部203b和上遮挡部203a连接的位置处，即挡板内壁拐角处。针对于将匀气环204直接固定在挡板侧壁上的方式来说，由于无需使用额外的固定件，从而可以有效简化设备结构以及降低生产成本。

针对于匀气环204的具体形状，在一个优选实施例中，匀气环204设计为与靶材200形状相匹配的环状结构、且匀气环204与靶材200同心设置，如此一来，有利于。图5和图6是根据本实用新型的两个优选实施例的匀气环和靶材的俯视结构示意图。如图5所示，靶材200呈圆形形状、匀气环204呈圆环形状，且即靶材200的圆心与匀气环204的中心点重合。如图6所示，靶材200呈矩形形状、匀气环204呈矩形环形状，其二者同向放置且靶材200的中心点和匀气环204的中心点重合。本领域技术人员可以理解的是，匀气环204的具体形状并不应仅仅限定于上述举例，凡是可以对靶材形成环绕的匀气环均落入本实用新型所保护的范围内。

针对于匀气环204上出气孔的开设位置，在一个优选实施例中，该出气孔均匀地分布在匀气环204的内侧，其中，该出气孔的出气方向呈水平方向(如图4至图6中箭头所示方向)。一方面，出气孔均匀分布使得工艺气体可以从中均匀溢出，有利于在靶材200溅射面上方形成分布均匀的工艺气体环境，进而有利于提高溅射的均匀性。另一方面，出气孔形成在匀气环204的内侧且出气方向呈水平方向，使得工艺气体从出气孔溢出后直接向着靶材200方向流动，有利于快速在靶材200溅射面上方形成溅射所需要的工艺气体环境。特别是与匀气环204固定在上遮挡部203a上配合工作时，由于上遮挡部203a恰好可以起到很好的导向作用，所以当工艺气体从位于匀气环204内侧的出气孔中溢出后可以沿上遮挡部203a向靶材200的方向流动，从而可以更为快速地达到靶材200溅射面的上方形成溅射所需要的工艺气体环境。本领域技术人员可以理解的是，出气孔均匀地分布在匀气环204的内侧且其出气方向呈水平方向仅为优选实施方式，在其他实施例中，出气孔也可以设置在匀气环204内侧以外的其他位置上，又或者出气孔也可以非均匀分布，又或者出气孔的出气方向呈非水平方向等等，为了简明起见，在此不再对出气孔所有可能的开设位置进行一一列举。除此之外，本实用新型对于出气孔的形状以及尺寸也不作严格限定，可以根据实际设计需求相应进行制定。在一个优选实施例中，出气孔设计为圆孔，其直径小于0.1mm，例如0.05mm等。

通常情况下本实用新型所提供的磁控溅射设备还包括溅射电源(未示出)，该溅射电源设置在溅射室外，与靶材和基片分别连接，用于为溅射提供能量。本实用新型对溅射电源没有任何限定，可以根据实际设计需求从现有的溅射电源中进行选择即可。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

以上所揭露的仅为本实用新型的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims

1.一种磁控溅射设备，该磁控溅射设备包括溅射室、以及在该溅射室内相对设置的基片台和溅射靶枪，该溅射靶枪内设置有靶材，其特征在于，该磁控溅射设备还包括：

挡板以及匀气环，该挡板以及匀气环设置在该溅射室内；

所述匀气环与外部工艺气体提供装置相连通且其上开设有多个出气孔，所述匀气环设置在所述挡板和所述溅射靶枪之间、并对所述靶材形成环绕，所述匀气环的设置高度位于所述靶材的溅射面和所述上遮挡部之间。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述匀气环固定在所述挡板的内壁上。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述匀气环设置在所述侧遮挡部和所述上遮挡部连接的位置处。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁控溅射设备，其特征在于：

所述出气孔均匀地分布在所述匀气环的内侧，其中，所述出气孔的出气方向呈水平方向。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述出气孔是圆孔，其直径小于0.1mm。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的磁控溅射设备，其特征在于，所述挡板和所述匀气环的材料均是不锈钢。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的磁控溅射设备，其特征在于：

所述匀气环呈与所述靶材的形状相匹配的环状结构，且所述匀气环与所述靶材同心设置。