(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105543792 A (43)申请公布日 2016.05.04
(21)申请号 201510912832.5(22)申请日 2015.12.11
(71)申请人中国电子科技集团公司第四十八研
究所
地址410111 湖南省长沙市天心区新开铺路
1025号(72)发明人陈长平 佘鹏程 胡凡 陈庆广
毛朝斌 张赛(74)专利代理机构湖南兆弘专利事务所 43008
代理人周长清(51)Int.Cl.
C23C 14/35(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
磁控溅射装置及磁控溅射方法(57)摘要
本发明公开了一种磁控溅射装置及磁控溅射方法，磁控溅射装置包括：用于放置基片的基片台；与基片台相对布置的靶，用于放置向基片进行溅射的靶材；反应腔体，基片台和靶均设于反应腔体内；还包括：与靶对应的角度调节装置，用于调节对应的靶相对于基片台的角度。磁控溅射方法包括以下步骤：（1）清洗反应腔和基片，安装靶材；（2）调节靶相对于基片的角度、靶和基片之间的距离；（3）将反应腔体抽真空；（4）进行预溅射，同时开启基片台的旋转和摆动功能；（5）进行磁控溅射。该装置可用于高均匀性、良好重复性的大面积薄膜沉积，且可实现多层薄膜的连续溅射沉积；该方法可节约镀膜时间并提高镀膜效率。 C N 1 0 5 5 4 3 7 9 2 ACN 105543792 A
权 利 要 求 书
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1.一种磁控溅射装置，包括：用于放置基片（105）的基片台（102）；
进行溅射的靶材；与所述基片台（102）相对布置的靶（104），用于放置向所述基片（105）
反应腔体（101），所述基片台（102）和所述靶（104）均设于所述反应腔体（101）内；其特征在于，还包括：与所述靶（104）连接的角度调节装置，用于调节靶（104）相对于基片台（102）的角度。2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括：旋转装置，用于驱动所述基片台（102）旋转；摆动装置（131），用于带动所述基片台（102）摆动；靶-基距调节装置，用于调节靶（104）相对于所述基片台（102）的距离。3.根据权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转装置包括旋转电机（133）和球铰链（134），所述基片台（102）通过所述球铰链（134）与旋转电机（133）的输出轴相连；
所述摆动装置（131）包括摆动电机（150）、摆动轴（151）和偏心盘（152），所述偏心盘（152）通过摆动轴（151）与摆动电机（150）相连，所述偏心盘（152）的圆周与所述基片台（102）的表面接触。
4.根据权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述角度调节装置包括弹性联轴器（137）和连接杆，所述靶（104）通过弹性联轴器（137）安装在所述连接杆上。
5.根据权利要求1～4任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述靶（104）的数量为多个，多个靶（104）呈圆周分布，所述圆周的圆心正对所述基片台（102）的中心，各靶（104）均配设有角度调节装置。
6.根据权利要求5所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括与所述反应腔体（101）连通的多路气路，各气路上均设有气体流量控制器。
7.根据权利要求6所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述多条气路包括：靠近所述圆周的圆心设置的第一Ar气路（106），用于为磁控溅射提供工作气体；第一N2气路（112），用于为反应腔体（101）提供充气气体。8.根据权利要求7所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述多条气路还包括靠近所述圆周的圆心设置的第一O2气路（107）和/或第二N2气路（108），用于为磁控溅射提供辅助溅射气体。
9.根据权利要求8所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述多条气路还包括靠近所述基
，用于为薄膜结晶提供补偿气体。片台（102）设置的第二O2气路（109）和/或第三N2气路（111）
10.根据权利要求9所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述反应腔体（101）内还设有气管（135），所述气管（135）沿所述基片台（102）环向布设，所述气管（135）上沿管环向间隔开设有多个气孔（136），所述第二O2气路（109）和/或所述第三N2气路（111）与所述气管（135）连通。
11.根据权利要求7～10任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括辅助沉积离子源（140），所述辅助沉积离子源（140）设于所述反应腔体（101）上，所述辅助沉积离子源（140）的开口朝向所述基片台（102），所述多条气路还包括与所述辅助沉积离子源（140）连接的第二Ar气路（110），用于为所述辅助沉积离子源（140）提供工作气体。
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12.根据权利要求1～4任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括：与所述反应腔体（101）连通的真空获取装置（120）。
13.根据权利要求1～4任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括：与所述基片台（102）对应的加热装置和/或冷却装置。
14.根据权利要求1～4任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，还包括多个靶电源，所述多个靶电源与多个靶一一对应，每个所述靶与其对应的靶电源电连接。
15.根据权利要求14所述的磁控溅射装置，其特征在于，每个所述靶电源包括直流电源、射频电源或直流脉冲电源。
16.一种磁控溅射方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）清洗反应腔和基片，安装靶材；
靶和基片之间的距离；（2）调节靶相对于基片的角度、
（3）将反应腔体抽真空；（4）进行预溅射，同时开启基片台的旋转和摆动功能；（5）进行磁控溅射。
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说 明 书
磁控溅射装置及磁控溅射方法
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技术领域
[0001]本发明属于磁控溅射技术（Magnetron Sputtering）领域，尤其涉及一种磁控溅射装置及磁控溅射方法。
背景技术
[0002]目前，磁控溅射镀膜技术已经发展比较成熟，具有沉积速度快、基材温升低、溅射靶材种类多等优势，所沉积的薄膜具有纯度高、损伤小、致密性好、均匀性好、附着力强、工艺重复性好等系列优点。此外，磁控溅射技术由于装置较简单，同时可以精确控制膜层厚度，易于实现产业化，备受薄膜生产厂家的青睐。随着平板显示产业、光存储器产业以及太阳能电池产业的飞速发展，人们对大面积镀膜技术提出要求，主要面临三个方面的问题：1）薄膜的均匀性（包括薄膜厚度、薄膜组成等）难以控制。2）薄膜生产工艺的可重复性难以控制。3）多层薄膜工艺技术面临较多难题，包括多腔体真空技术、基片传送技术、超高洁净的薄膜制备环境成本高等。
发明内容
[0003]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可用于高均匀性、良好重复性的大面积薄膜沉积、且可实现多层薄膜的连续溅射沉积、节约镀膜时间及提高效率的磁控溅射装置和磁控溅射方法。[0004]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种磁控溅射装置，包括：用于放置基片的基片台；与所述基片台相对布置的靶，用于放置向所述基片进行溅射的靶材；反应腔体，所述基片台和所述靶均设于所述反应腔体内；还包括：
与所述靶连接的角度调节装置，用于调节靶相对于基片台的角度。[0005]作为上述技术方案的进一步改进：
还包括：旋转装置，用于驱动所述基片台旋转；摆动装置，用于带动所述基片台摆动；靶-基距调节装置，用于调节靶相对于所述基片台的距离。
[0006]
所述旋转装置包括旋转电机和球铰链，所述基片台通过所述球铰链与旋转电机的输出轴相连；
所述摆动装置包括摆动电机、摆动轴和偏心盘，所述偏心盘通过摆动轴与摆动电机相连，所述偏心盘的圆周与所述基片台的表面接触。
[0007]所述角度调节装置包括弹性联轴器和连接杆，所述靶通过弹性联轴器安装在所述
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连接杆。
[0008]所述靶的数量为多个，多个靶呈圆周分布，所述圆周的圆心正对所述基片台的中心，各靶均配设有角度调节装置。
[0009]还包括与所述反应腔体连通的多路气路，各气路上均设有气体流量控制器。[0010]所述多条气路包括：
靠近所述圆周的圆心设置的第一Ar气路，用于为磁控溅射提供工作气体；第一N2气路，用于为反应腔体提供充气气体。
[0011]所述多条气路还包括靠近所述圆周的圆心设置的第一O2气路和/或第二N2气路，用于为磁控溅射提供辅助溅射气体。
[0012]所述多条气路还包括靠近所述基片台设置的第二O2气路和/或第三N2气路，用于为薄膜结晶提供补偿气体。
[0013]所述反应腔体内还设有气管，所述气管沿所述基片台环向布设，所述气管上沿管环向间隔开设有多个气孔，所述第二O2气路和/或所述第三N2气路与所述气管连通。[0014]还包括辅助沉积离子源，所述辅助沉积离子源设于所述反应腔体上，所述辅助沉积离子源的开口朝向所述基片台，所述多条气路还包括与所述辅助沉积离子源连接的第二Ar气路，用于为所述辅助沉积离子源提供工作气体。[0015]还包括：与所述反应腔体连通的真空获取装置。[0016]还包括：与所述基片台对应的加热装置和/或冷却装置。[0017]还包括多个靶电源，所述多个靶电源与多个靶一一对应，每个所述靶与其对应的靶电源电连接。
[0018]每个所述靶电源包括直流电源、射频电源或直流脉冲电源。[0019]作为一个总的发明构思，本发明还提供一种磁控溅射方法，包括以下步骤：
清洗反应腔和基片，安装靶材；调节靶相对于基片的角度、靶和基片之间的距离；将反应腔体抽真空；进行预溅射，同时开启基片台的旋转和摆动功能；进行磁控溅射。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的磁控溅射装置，溅射靶连接有角度调节装置。申请人在进行大尺寸基片镀膜试验中发现，一般靶材中间部分辉光区的溅射粒子密度较高，所以在进行大尺寸基片成膜时，当溅射粒子垂直飞向基片时，基片中间区域形成的薄膜较厚，边缘区域形成的薄膜较薄，导致薄膜的均匀性差。本发明通过设置与溅射靶对应的角度调节装置，用于调节对应的靶相对于基片台的角度，继而可使溅射粒子以一定的角度飞向基片，再配以基片台的旋转和摆动，选择合适的靶-基距，从而避免大尺寸基片表面形成中间区域较厚而边缘区域较薄的薄膜层。[0021]2、本发明的磁控溅射装置，将多个靶，多路气路集成在一个反应腔体内，可以在一台设备中实现多层薄膜的连续不间断制备，多层薄膜可以是金属薄膜、合金薄膜、金属化合物薄膜或其组合，不同的溅射靶可以连接不同的靶电源，既可以进行单个靶溅射的多次工艺，也可以进行多个溅射靶的多次工艺及共溅射工艺，该装置配置合理，功能齐全，自动控
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制性好，使多层薄膜的制备周期大大缩短，提高薄膜沉积效率和质量，降低生产成本。[0022]3、本发明的磁控溅射装置，还包括对基片进行加热的加热装置和对基片进行轰击的辅助沉积离子源，在溅射沉积过程中，通过对基片进行加热和/或轰击，可提高薄膜的附着力。
附图说明
[0023]图1为本发明实施例1的磁控溅射装置的示意图。[0024]图2为本发明装置例1的摆动装置示意图。[0025]图3为本发明实施例1的气管的俯视示意图。
[0026]图4为本发明实施例1的磁控溅射靶及其附近的气路的位置分布示意图。[0027]图5为本发明实施例1的磁控溅射方法流程图。[0028]图例说明：101、反应腔体；102、基片台；103、加热装置；104、靶；105、基片；106、第一Ar气路；107、第一O2气路；108、第二N2气路；109、第二O2气路；110、第二Ar气路；111、第三N2气路；112、第一N2气路；120、真空获取装置；121、第一靶电源；122、第二靶电源；123、第三靶电源；131、摆动装置；133、旋转电机；134、球铰链；135、气管；136、气孔；137、弹性联轴器；140、辅助沉积离子源；150、摆动电机；151、摆动轴；152、偏心盘；160、法兰；170、靶材。具体实施方式
[0029]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。[0030]实施例1：
参照图1至图4，本发明的磁控溅射装置，包括：用于放置基片105的基片台102；与基片台102相对布置的靶104，用于放置向基片105进行溅射的靶材；反应腔体101，基片台102和靶104均设于所述反应腔体101内；还包括：
与靶104连接的角度调节装置，用于调节靶104相对于基片台102的角度。[0031]现有技术中，往往设计的是靶材与基片台正对设置，溅射粒子垂直飞向基片，但是，一般靶材中间部分辉光区的溅射粒子密度较高，所以在进行大尺寸基片成膜时，基片中间区域形成的薄膜较厚，边缘区域形成的薄膜较薄。本发明通过设置与溅射靶对应的角度调节装置，用于调节对应的靶相对于基片台的角度，继而可使溅射粒子以一定的角度飞向基片，从而避免大尺寸基片表面形成中间区域较厚而边缘区域较薄的薄膜层。[0032]本实施例的磁控溅射装置，还包括：
旋转装置，用于驱动基片台102旋转；摆动装置，用于带动基片台102摆动；靶-基距调节装置，用于调节靶相对于基片台102的距离。[0033]为保证大面积薄膜沉积的均匀性，本实施例中，除设置了与靶104连接的角度调节装置外，还设置了靶-基距调节装置，并引入了分别用于驱动基片台102旋转和摆动的旋转装置和摆动装置。溅射实验进行前，先根据工作压强和溅射功率等参数，选择合适的靶-基
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距和靶角度，磁控溅射过程中，开启旋转装置和摆动装置，驱动基片台102进行旋转和摆动，可进一步实现大面积高均匀性的薄膜沉积。[0034]如图2所示，本实施例中，旋转装置包括旋转电机133和球铰链134，基片台102通过球铰链134与旋转电机133的输出轴相连。[0035]摆动装置131包括摆动电机150、摆动轴151和偏心盘152，偏心盘152的圆周与所述基片台102的表面接触，偏心盘152通过摆动轴151与摆动电机150相连。[0036]本实施例中，基片台102的摆动是通过摆动装置131和球铰链134的配合实现的，摆动电机150通过摆动轴151带动偏心盘152旋转，由于偏心盘152的非对称性，偏心盘152在旋转过程中对基片台102施加压力，在球铰链134的配合下，基片台102实现上下摆动。[0037]本实施例中，基片台102的两端均设有摆动装置131，通过错开两端的摆动电机150的启动时间，可实现基片台102的双边上下摆动。[0038]本实施例中，角度调节装置包括弹性联轴器137和连接杆，靶104通过弹性联轴器
一样可以实现靶137安装在连接杆上。在其他实施例中，弹性联轴器137可以替换成铰链，
104相对于基片台102的角度调节。
[0039]连接杆远离靶104的一端伸出反应腔体101外，通过移动连接杆在反应腔体101中的距离，并用法兰160将连接杆固定于反应腔体101的外壁，即可实现靶相对于基片台102的距离调节。
[0040]本实施例中，靶104的数量为多个，多个靶104呈圆周分布，该圆周的圆心正对基片台102的中心。且各靶104均配设有角度调节装置。本发明通过对多个靶的排列方式进行优化，可确保多个靶共溅射时，更进一步实现大面积高薄膜沉积的均匀性。
[0041]本实施例的磁控溅射装置还包括与反应腔体101连通的多条气路，多路气路用于将磁控溅射所需的气体通过气体流量控制器注入反应腔体101内。[0042]多条气路包括：
靠近上述圆周的圆心设置的第一Ar气路106，用于为磁控溅射提供工作气体。[0043]第一N2气路112，用于为反应腔体101提供充气气体。[0044]本实施例中，多条气路还包括靠近上述圆周的圆心设置的第一O2气路107和/或第
提供辅助溅射气体。二N2气路108，为沉积含氮和/或氧的化合物薄膜时，
[0045]本实施例中，多条气路还包括靠近基片台102设置的第二O2气路109和/或第三N2气路111，为沉积含氮和/或氧的化合物薄膜时，提供薄膜结晶的补偿气体。氧化物/或氮化物中溅射出的氧原子/或氮原子飞向基片105的过程中，受粒子平均自由程和多次碰撞的影响，动量减小，会有部分不能达到基片105，通过在靠近基片台102处设置第二O2气路109和/或第三N2气路111，保证及时的、足够的气体补偿，提高薄膜结晶质量。[0046]本实施例中，为磁控溅射提供工作气体的第一Ar气路106、为磁控溅射提供辅助溅射气体的第一O2气路107和/或第二N2气路108均靠近多个靶围成的圆周的中心设置，可促进等离子体的形成与维持，尤其是沉积化合物薄膜时，用于提供磁控溅射的辅助溅射气体的第一O2气路107和/或第二N2气路108较重要，可使化合物靶材在溅射初期得到有效的氧或氮组分补偿，进一步改善薄膜质量。[0047]本实施例中，反应腔体101内还设有气管135，该气管135沿基片台102环向布设，气管135上沿管环向间隔开设有多个气孔136，第二O2气路109和/或第三N2气路111与该气管
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135连通。磁控溅射的补偿气体通过该气管135上的多个气孔136均匀扩散至基片表面，可保证整个大尺寸基片表面补偿气体的均匀性、及时性和足量性，有效降低了基片表面的气压波动，保证了镀膜工艺的重复性，使大尺寸基片各个区域内镀层厚度均匀。[0048]本实施例采用集成优化设计理念，将多个靶，多路气路集成在一个反应腔体内，通过可以在一个反应腔体中实现多层薄膜的连续不间断制备，多层薄膜可以是金属薄膜、合金薄膜、化合物薄膜或其组合，不同的溅射靶可以连接不同的靶电源，既可以进行单个靶溅射的多次工艺，也可以进行多个溅射靶的多次工艺及共溅射工艺，该装置配置合理，功能齐全，自动控制性好，使多层薄膜的制备周期大大缩短，提高薄膜沉积效率和质量，降低生产成本。
[0049]本实施例的磁控溅射装置还包括辅助沉积离子源140，该辅助沉积离子源140设于
该辅助沉积离子源140的开口朝向基片台102，多条气路还包括与辅助沉积反应腔体101上，
离子源140连接的第二Ar气路110，为辅助沉积离子源140提供工作气体。在进行磁控溅射的过程中，通过该辅助沉积离子源140轰击基片，可提高基片105表面薄膜的附着力。[0050]辅助沉积离子源140至少具备基片预清洗、薄膜辅助沉积功能，可以是考夫曼离子源或其他类型离子源。
[0051]本实施例的磁控溅射装置还包括与反应腔体101连通的真空获取装置120，用于对反应腔体101进行抽真空。
[0052]本实施例的磁控溅射装置还包括与基片台102对应的加热装置103和/或冷却装置，对工作状态的基片台102进行加热和/或冷却。通过加热装置103对基片进行加热，可进一步提高基片表面薄膜的附着力。
[0053]本实施例的磁控溅射装置还包括多个靶电源，多个靶电源与多个靶一一对应，每个靶与其对应的靶电源电连接。靶电源可以是直流电源、射频电源或直流脉冲电源。靶可以是普通靶或强磁靶，磁控溅射靶不局限于固定的尺寸和类型，可以是不同尺寸的圆形靶、柱形靶或长条形靶。
[0054]本实施例中，磁控溅射靶数量为三个，分别为靶104a、靶104b和靶104c，各个靶分别对应的靶电源为第一靶电源121、第二靶电源122和第三靶电源123。[0055]图5示出了本发明的磁控溅射方法，可以用于大面积的金属薄膜、合金薄膜、化合物薄膜等的沉积，包括以下步骤：
第一步，依次清洗反应腔体101，安装靶材170，清洗并安装基片105；第二步，调节靶104相对于基片105的距离及靶104相对于基片105的角度；第三步，对反应腔体101进行抽真空；第四步，采用辅助沉积离子源140对基片进行预清洗；第五步，依次设定工作压强、溅射功率和基片台加热温度，其中基片台加热为可选工艺；
第六步，根据具体工艺需要，进行预溅射；起辉成功后，形成稳定的等离子体辉光需要一定时间，这段时间内不能进行溅射镀膜，只进行预溅射，以清除基片表面氧化物和脏污；
第七步，执行预溅射工艺的同时，开启基片台旋转、基片台摆动和辅助离子源轰击；第八步，进行镀膜工艺，既可以是单个溅射靶的单次工艺或多次工艺，也可是多个溅射靶单次或多次的共溅射工艺。
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说 明 书
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对于金属和合金靶材，直流电源或脉冲直流电源起辉压强范围在0.1～10Pa，工作
压强407建议在0.1Pa～2.0Pa之间。对于化合物靶材，射频起辉压强范围在1Pa～10Pa之间，工艺压强407建议在0.1Pa～2.0Pa之间。溅射功率的大小可根据靶尺寸及功率密度计算，结合镀膜速度的应用需求，设定适当的溅射功率。[0057]为提高薄膜的沉积均匀性，工艺实验进行时，根据工作压强、溅射功率等参数，选择合适的靶-基距和靶角度，同时配合基片台旋转和基片台摆动功能，即可实现大面积高均匀性薄膜沉积。
[0058]为实现多层薄膜的连续制备，不同的溅射靶可以连接不同的靶电源，既可以进行单个靶溅射的多次工艺，也可以进行多个溅射靶的多次工艺及共溅射工艺，提高薄膜沉积效率和质量，降低生产成本。[0059]为提高薄膜的附着力，工艺进行时，可以通过基片台加热装置103对基片台102进行加热、通过辅助沉积离子源140对基片进行辅助轰击沉积，以及调整合适的工作压强大小来实现。
[0060]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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