(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103993274 A(43)申请公布日 2014.08.20
(21)申请号 201410194591.0(22)申请日 2014.05.09
(71)申请人浙江上方电子装备有限公司
地址312300 浙江省绍兴市滨海新城畅和路
7号(72)发明人赵军 刘钧 陈金良 许倩斐(74)专利代理机构湖州金卫知识产权代理事务
所(普通合伙) 33232
代理人赵卫康(51)Int.Cl.
C23C 14/35(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图1页权利要求书1页 说明书5页 附图1页
(54)发明名称
一种磁控溅射系统及其清洁方法(57)摘要
一种磁控溅射系统及其清洁方法，属于溅射镀膜工艺。本发明包括真空箱体，旋转阴极，旋转阴极包括设置于旋转靶材内部的一根或两根磁棒；设置在真空箱体外侧的第一、第二真空泵和用于连接真空泵的第一、第二管道；设置在真空箱体内的第一、第二工艺气体隔离板；设置在真空箱体内的旋转靶材和溅射沉积基板；第一、第二工艺气体隔离板分别放置在沿旋转靶材直径方向的两侧，并将系统分为第一溅射区域和设置有溅射沉积基板的第二溅射区域。本发明能在一个系统中同步实现旋转阴极靶材表面清洁以及反应溅射沉积镀膜，不仅减少了镀膜工艺中的打开真空箱体反复清洁等操作，且提高了靶材表面氧化物或氮化物镀膜速率，进而提高生产效率，降低生产成本。CN 103993274 ACN 103993274 A
权 利 要 求 书
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1.一种磁控溅射系统，其特征在于，包括真空箱体（1），旋转阴极，所述旋转阴极包括设置于旋转靶材（5）内部的一根或两根磁棒（7）；
设置在所述真空箱体（1）外侧的第一、第二真空泵（21、22）和用于连接真空泵的第一、第二管道；
设置在所述真空箱体（1）内的第一、第二工艺气体隔离板（31、32）；设置在所述真空箱体（1）内的旋转靶材（5）和溅射沉积基板（6）；所述第一、第二工艺气体隔离板（31、32）分别放置在沿所述旋转靶材（5）直径方向的两侧，并将所述系统分为第一溅射区域和设置有溅射沉积基板（6）的第二溅射区域。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射系统，其特征在于，所述第一、第二工艺气体隔离板（31、32）接近所述旋转靶材（5）的表面且与所述旋转靶材（5）的表面保持间距d。
3.根据权利要求2所述的磁控溅射系统，所述间距d为10～30mm。4.根据权利要求3所述的磁控溅射系统，其特征在于，所述磁棒（7）为两根时，所述两根磁棒（7）平行背靠背排列且固设于旋转靶材（5）内。
5.根据权利要求3所述的磁控溅射系统，其特征在于，所述磁棒（7）为一根时，所述磁棒（7）可以在所述旋转靶材（5）内部根据需要调整磁棒（7）位置和方向。
6.一种用于前述权利要求1或2或3或4所述磁控溅射系统的清洁方法，其特征在于，当靶材（5）内安装有两根磁棒（7）时，所述两根磁棒（7）分别安装于所述第一、第二溅射区域内，所述第一、第二管道分别连接第一、第二真空泵（21、22），同时打开所述第一、第二真空泵（21、22）并将所述第一溅射区域和第二溅射区域分别充入第一工艺气体（41）和第二工艺气体（42）一定时间，直至所述第一溅射区域和第二溅射区域的气体压强相等 ；然后，打开与所述旋转靶材（5）连接的溅射电源，所述旋转靶材（5）旋转，在第一溅射区域和第二溅射区域同时分别进行所述靶材（5）表面清理和所述溅射沉积基板（6）上的反应溅射沉积镀膜。
7.一种用于前述权利要求1或2或3或5所述磁控溅射系统的清洁方法，其特征在于，当靶材（5）内只安装有一根磁棒（7）时，所述磁棒（7）安装于所述第二溅射区域内，所述第一、第二管道分别连接第一、第二真空泵（21、22）， 然后，打开与所述旋转靶材（5）连接的溅射电源，进行所述溅射沉积基板（6）上的反应溅射沉积镀膜；当旋转靶材（5）需要清洁维护时，先关闭与所述旋转靶材（5）连接的溅射电源，然后将磁棒（7）旋转至所述第一溅射区域内，并再次打开与所述旋转靶材（5）连接的溅射电源，对所述旋转靶材（5）进行靶材（5）表面清洁。
8.根据权利要求6或7所述的清洁方法，其特征在于，所述第一工艺气体（41）为纯惰性气体。
9.根据权利要求6或7所述的清洁方法，其特征在于，所述第二工艺气体（42）为混合气体。
10.根据权利要求9所述的清洁方法，其特征在于，所述第二工艺气体（42）为镀膜反应气体和惰性气体的混合气体。
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CN 103993274 A
说 明 书
一种磁控溅射系统及其清洁方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及溅射镀膜工艺，尤其是涉及一种磁控溅射系统及其清洁方法。
背景技术
[0002]
磁控溅射镀膜是目前应用广泛的镀膜沉积工艺。在镀膜过程中，对磁控溅射镀膜
设备及磁控溅射系统的质量要求很高，其中尤为重要的是磁控溅射阴极。利用磁控溅射镀膜设备可进行金属氧化物或金属氮化物等薄膜的沉积，一般根据镀膜需要选择合适的金属靶材，引入活性镀膜反应气体，如氧气或氮气等，适量与惰性气体（如氩气）混合形成工作气体，在磁控环境下与溅射出来的金属粒子进行反应溅射沉积。在沉积的过程中，反应溅射形成的金属氧化物或者氮化物有可能在靶材表面沉积形成薄膜。长期镀膜后靶材表面氧化物或氮化物越积越厚，即“靶材中毒”，靶材表面溅射速率降低，容易引起结疤和打弧，不得不进行停机维护，从而降低了生产效率，提高了维护成本。
发明内容
[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种通过在镀膜过程中同步去除靶材表面氧化物的沉积而维持靶材表面的清洁状况来节省维护成本，提高镀膜线生产效率的磁控溅射系统及其清洁方法。
[0004] 本发明的技术方案是提供一种磁控溅射系统，其特征在于，包括真空箱体，旋转阴极，所述旋转阴极包括设置于旋转靶材内部的一根或两根磁棒；设置在所述真空箱体外侧设有第一、第二真空泵和用于连接真空泵的第一、第二管道；设置在所述真空箱体内的第一、第二工艺气体隔离板；设置在所述真空箱体内的旋转靶材和溅射沉积基板；所述第一、第二工艺气体隔离板分别放置在沿所述旋转靶材直径方向的两侧，并将所述系统分为第一溅射区域和设置有溅射沉积基板的第二溅射区域。
[0005] 该磁控溅射系统在第一溅射区域和第二溅射区域分别对旋转靶材进行靶材表面清洁和溅射沉积基板上的溅射沉积镀膜，这样不仅能及时清洁旋转阴极的靶材表面，以防氧化物或氮化物过厚而影响靶材表面溅射效率下降，而且镀膜工艺和清洁靶材在同一磁控溅射系统中实现，无需停止镀膜装置并开腔体清洁靶材，减少了维护费用和生产线停工时间，进而提高了磁控溅射系统开机率。此外，利用工艺气体隔离板能有效防止充入真空箱体内的两种不同气体彼此大面积扩散，优化控制第一溅射区域内的清洁和第二溅射区域内的镀膜效率。
[0006] 所述第一、第二工艺气体隔离板接近所述旋转靶材的表面且与所述旋转靶材的表面保持间距d。
[0007] 所述间距d为10mm～30mm。
所述磁棒为两根时，所述两根磁棒平行背靠背排列且固设于旋转靶材内。
[0009] 所述磁棒为一根时，所述磁棒可以在所述旋转靶材内部根据需要调整磁棒位置和方向。
[0008]
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说 明 书
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本发明的另一技术方案是提供一种用于所述磁控溅射系统的清洁方法，当靶材内
安装有两根磁棒时，所述两根磁棒分别安装于所述第一、第二溅射区域内，所述第一、第二管道分别连接第一、第二真空泵，同时打开所述第一、第二真空泵并将所述第一溅射区域和第二溅射区域分别充满第一工艺气体和第二工艺气体一定时间，直至所述第一溅射区域和第二溅射区域的气体压强相等；然后，打开与所述旋转靶材连接的溅射电源，所述旋转靶材旋转，在第一溅射区域和第二溅射区域同时分别进行所述靶材表面清理和所述溅射沉积基板上的反应溅射沉积镀膜。
[0011] 该用于磁控溅射系统的清洁方法利用有两根磁棒的磁控溅射系统在同一磁控溅射系统内，同时在第一溅射区域和第二溅射区域分别进行靶材表面清洁和溅射沉积基板上的溅射镀膜。这种方法同样解决了镀膜过程中的停机清洁操作以及因镀膜设备停启而造成停工损失，较之仅有一根磁棒的磁控溅射系统而言，最显著的优势是靶材清洁和沉积镀膜同步进行。
[0012] 本发明的另一技术方案是提供一种用于所述磁控溅射系统的清洁方法，当靶材内只安装有一根磁棒时，所述磁棒安装于第二溅射区域内，所述第一、第二管道分别连接第一、第二真空泵，同时打开所述第一、第二真空泵并将所述第一溅射区域和第二溅射区域分别充满第一工艺气体和第二工艺气体一定时间，直至所述第一溅射区域和第二溅射区域的气体压强相等；打开与所述旋转靶材连接的溅射电源，进行所述溅射沉积基板上的反应溅射沉积镀膜；当旋转靶材需要清洁维护时，先关闭与所述旋转靶材连接的溅射电源，然后将磁棒旋转至所述第一溅射区域内，再次打开与所述旋转靶材连接的溅射电源，对所述旋转靶材进行靶材表面清洁。
[0013] 该用于磁控溅射系统的清洁方法利用有且仅有一根磁棒的磁控溅射系统在同一磁控溅射系统内，进行溅射沉积基板上的溅射镀膜和靶材表面清洁。这种无需多次打开真空箱体清洁靶材的方法，有利于磁控溅射系统镀膜过程稳定、镀膜速率提高且镀膜效果优良。
[0014] 所述第一工艺气体为纯惰性气体。[0015] 所述第二工艺气体为混合气体。
[0016] 所述第二工艺气体为镀膜反应气体和惰性气体的混合气体。[0017] 所述溅射电源可以是直流、脉冲直流、中频、射频电源。[0018] 本发明的有益效果：本发明磁控溅射系统及其清洁方法能在一个系统中同步实现旋转阴极靶材表面氧化物或氮化物清洁以及金属氧化物或金属氮化物溅射沉积，不仅减少了镀膜工艺中的打开真空箱体反复清洁等操作，提高了磁控溅射系统溅射镀膜效率和开机率；而且通过减慢及减少靶材表面氧化物或氮化物形成速度及厚度，使得靶材表面氧化物或氮化物反应溅射速率提高，进而提高金属氧化物或金属氮化物薄膜的生产效率，降低成产成本。附图说明
[0019]
下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，其中：图1为本发明所述磁控溅射系统实施例一的原理示意图；图2为本发明所述磁控溅射系统实施例二的原理示意图。
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说 明 书
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图中，1-真空箱体；21-第一真空泵；22-第二真空泵；31-第一工艺气体隔离板；
32-第二工艺气体隔离板；41-第一工艺气体；42-第二工艺气体；5-旋转靶材；6-溅射沉积基板；7-磁棒；d-第一或第二隔离板的端部与靶材表面的间距；L1-第一位置；L2-第二位置。
具体实施方式
[0021] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例一如图1，本发明磁控溅射系统包括真空箱体1、设置在所述真空箱体1外侧的第一、第二真空泵21、22和用于连接真空泵的第一、第二管道以及均设置在所述真空箱体1内的旋转阴极、第一、第二工艺气体隔离板31、32、旋转靶材5和溅射沉积基板6。所述第一、第二工艺气体隔离板31、32分别放置在沿所述旋转靶材5直径方向的两侧，并将所述系统分为第一溅射区域和设置有溅射沉积基板6的第二溅射区域；所述旋转阴极包括设置于旋转靶材5内部的一根磁棒7。其中，所述磁棒7可以在所述旋转靶材5内部根据需要调整磁棒7位置和方向，例如图中的第一位置L1或第二位置L2，但不限于图中所述位置，以使得磁棒7在第一溅射区域和第二溅射区域分别进行靶材5表面清洁和溅射沉积基板6上的反应溅射沉积镀膜。所述磁棒7由至少三排平行的磁铁组成，所述每排磁铁可以为多块不同大小的磁铁或是整块完整形状的磁铁构成，所述磁铁的磁力线方向垂直与靶材5表面，中间一排的磁铁的极性与相邻两排磁铁的极性相反。[0022] 为了防止两种不同工艺气体41、42相互扩散，设置了第一、第二工艺气体隔离板31、32，同时所述第一、第二工艺气体隔离板31、32接近所述旋转靶材5的表面且与所述旋转靶材5的表面保持间距d，以尽量避免一种工艺气体通过隔离板31、32的端部与靶材5表面间的缝隙从一种工艺区域扩散到对面的另一种工艺区域中；其中所述第一、第二工艺气体隔离板31、32选用耐高温、不易受电场影响的材料。[0023] 所述缝隙的宽度也就是所述隔离板31、32接近旋转靶材5表面一端与所述旋转靶材5的表面之间的间距d，所述第一、第二隔离板31、32的端部分别与靶材5表面的间距均为d，所述间距d不可为0mm，以防碰到旋转靶材5表面，；且所述间距d不可过大，以尽可能的控制第一、第二工艺气体41、42从其所在工艺区域扩散到对面的另一工艺区域中，所述间距d优选为10mm-30mm。
[0024] 在通过所述磁控溅射系统对溅射沉积基板6进行溅射镀膜时，选定镀膜所需的金属靶材5，如铝靶材等。当所述磁棒7安装于第二溅射区域内，如第二位置L2时，同时打开所述第一、第二真空泵21、22，将所述第一溅射区域和第二溅射区域分别充满第一工艺气体41和第二工艺气体42一定时间，直至所述第一溅射区域和第二溅射区域的气体压强相等，气体压强范围在1mTorr~50mTorr。其中所述第一工艺气体41为纯惰性气体，如纯氩气，其中所述第二工艺气体42为混合气体，可包括镀膜反应气体和惰性气体，如氩气与氧气（70：30）混合气体，所述混合比例不限于上述比例，且根据氧化铝光学特性设置合理混合气体比例。
[0025] 然后，接通与所述旋转靶材5连接的溅射电源，此时所述磁控溅射系统进行氧化铝溅射沉积，在溅射沉积基板6上形成氧化铝薄膜。当旋转靶材5需要清洁维护时，先关闭
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与所述旋转靶材5连接的溅射电源，然后将磁棒7旋转至第一位置L1，并再次打开与所述旋转靶材5连接的溅射电源，使得磁棒7磁场工作于第一溅射区域，在第一工艺气体41作用下开始清理靶材5表面氧化物。[0026] 实施例二
如图2，本发明磁控溅射系统包括真空箱体1、设置在所述真空箱体1外侧的第一、第二真空泵21、22和用于连接真空泵的第一、第二管道以及均设置在所述真空箱体1内的旋转阴极、第一、第二工艺气体隔离板31、32、旋转靶材5和溅射沉积基板6。所述第一、第二工艺气体隔离板31、32分别放置在沿所述旋转靶材5直径方向的两侧，并将所述系统分为第一溅射区域和设置有溅射沉积基板6的第二溅射区域；所述旋转阴极包括设置于旋转靶材5内部的两根磁棒7。其中，所述两根磁棒7平行背靠背排列且固设于旋转靶材5内，例如图中的第一位置L1和第二位置L2，但不限于图中所述位置，以使得磁棒7在第一溅射区域和第二溅射区域分别同时进行靶材5表面清洁和反应溅射沉积镀膜。所述两根磁棒7均由至少三排平行的磁铁组成，所述每排磁铁可以为多块不同大小的磁铁或是整块完整形状的磁铁构成，所述磁铁的磁力线方向垂直与靶材5表面，中间一排的磁铁的极性与相邻两排磁铁的极性相反。
[0027] 为了防止两种不同工艺气体41、42相互扩散，设置了第一、第二工艺气体隔离板31、32，同时所述第一、第二工艺气体隔离板31、32接近所述旋转靶材5的表面且与所述旋转靶材5的表面保持间距d，以尽量避免一种工艺气体通过隔离板31、32的端部与靶材5表面的缝隙从一种工艺区域扩散到对面的另一种工艺区域中；其中所述第一、第二工艺气体隔离板31、32选用耐高温、不易受电场影响的材料。[0028] 所述缝隙的宽度也就是所述隔离板31、32接近旋转靶材5表面一端与所述旋转靶材5的表面之间的间距d，所述第一、第二隔离板31、32的端部分别与靶材5表面的间距均为d，所述间距d不可为0mm，以防碰到旋转靶材5表面；且所述间距d不可过大，以尽量控制第一、第二工艺气体41、42从其所在工艺区域扩散到对面的另一工艺区域中，所述间距d优选为10mm-30mm。
[0029] 在通过所述磁控溅射系统对溅射沉积基板6进行溅射镀膜时，选定镀膜所需的金属靶材5，如铝靶材等。所述两根磁棒7分别安装与所述第一、第二溅射区域内，如第一位置L1、第二位置L2，同时打开所述第一、第二真空泵21、22，将所述第一溅射区域和第二溅射区域分别充满第一工艺气体41和第二工艺气体42一定时间，直至所述第一溅射区域和第二溅射区域的气体压强相等，气体压强范围在1mTorr~50mTorr。其中所述第一工艺气体41为纯惰性气体，如纯氩气，所述第二工艺气体42为混合气体，可包括镀膜反应气体和惰性气体，如氩气与氧气（70：30）混合气体，所述混合比例不限于上述比例，且根据氧化铝光学特性设置合理混合气体比例。
然后，接通与所述旋转靶材5连接的溅射电源，所述旋转靶材5旋转，其中所述两
根磁棒7固定设置在所述靶材5内的第一位置L1和第二位置L2处，所述第一位置和第二位置相互平行且背靠背设置。所述靶材5分别暴露在第一、第二溅射区域内。所述第一溅射区域内的磁棒7在第一位置L1处，使得所述磁控溅射系统在所述第一溅射区域内对所述靶材5表面清洁；而所述第二溅射区域内的磁棒7在第二位置L2处，使得所述磁控溅射系统在第二溅射区域内进行氧化铝溅射沉积，在溅射沉积基板6上形成氧化铝薄膜。
[0030]
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区别于实施例一，实施例二中的旋转阴极具有两根磁棒7且固设于靶材5内部，而
实施例一中的旋转阴极仅有一根磁棒7且可根据使用需要设置在磁控溅射系统的不同溅射区域内。实施例一中具有一根磁棒7的旋转阴极在第二溅射区域进行镀膜，并在第一溅射区域进行清理，使得镀膜和清理不能同时实现；而具有两根磁棒7的旋转阴极可在两个溅射区域分别同时进行镀膜和清理，则实施例二的技术方案的镀膜效率更快，更有利于提高镀膜设备使用效率。
[0032] 上述实施例中纯惰性气体和镀膜反应气体不限于上述所提到的气体，还可采用本领域现有技术中的各类气体；所述溅射电源可以是直流、脉冲直流、中频、射频电源等。本领域普通人员可根据实际需要选择不同的靶材、气体及溅射电源。
[0033] 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
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