一种离子辅助的多靶磁控溅射设备的制作方法

1.本发明属于磁控溅射设备技术领域，更具体的说涉及一种离子辅助的多靶磁控溅射设备。


背景技术：

2.磁控溅射技术及设备是微纳加工的基础技术和设备，是现代微电子行业制造的核心和基础，它类似于传统工业的钢铁等材料制备行业，为半导体、微电子器件行业提供丰富、全面的各种器件构建、辅助材料。磁控溅射技术成熟，制备的薄膜性能优越，可以制造几乎各种金属、半导体、绝缘体薄膜材料，是半导体、mems、太阳能、显示器、led等及各种现代微电子器件的核心技术；其设备成本较低、应用广泛，是现代半导体、微电子器件等制备超净间必备之设备。
3.磁控溅射设备通常至少包括一个工艺腔体，如图1所示，其中有基片台、靶材等：
4.1.该腔体连接至真空泵等真空形成装置，其运行之后，将该腔体抽至真空。
5.2.同时，腔体有至少一个入气口，用于引入工艺气体，通常是氩气。
6.3.基片台用于承载基片，可依据具体需要，对该基片台加热、冷却、施加偏置磁场、电场；该基片台也可以静止、旋转、倾斜等等。
7.4.靶材通常连接至外部电源，电源可以是直流(dc)、射频(rf)、交流(ac)、脉冲直流(pulsed dc)、大功率脉冲磁控溅射电源(hipims)或其他能量产生部件。
8.5.通常，在真空腔体之外，靶材背板背面且平行于靶材之处，还置有磁控管，磁控管一般由永磁材料和软铁组成，可以在靶材表明形成磁场，控制靶材表面正负离子、电子的运动，且将其束缚于靶材表面一定区域，提高其碰撞几率，使得工艺气体离化率增加，进而提高轰击靶材表面的离子密度，最终提高薄膜沉积速率。
9.磁控溅射沉积的薄膜，基片温度、工艺气体压力、靶材功率、靶材至基片间距、角度、磁控管等对其组织结构有较大影响。通常，室温下磁控溅射沉积薄膜过程中，由于粒子能量较高，沉积的薄膜材料，多数处于一种非平衡结构状态。因此，获得的薄膜组织结构，大多或者处于非晶、微晶状态，如磁控溅射所得氧化物、氮化物、半导体薄膜材料等；或者形成富含缺陷、杂质、孔洞等缺陷的、有较大内应力的柱状晶结构，如cu、ti、ta、cr、nife等金属；其薄膜材料的密度一般也略小于理论值，表面粗糙度也较大。
10.因此需要pvd溅射设备能够改善沉积薄膜的密度、晶体结构、应力等组织性能。
11.同时，在实际应用中，通常不单是制备单层薄膜，而是需要制作多层膜结构，例如，磁性隧道结构(tmr)、巨磁电阻结构、pzt压电陶瓷结构、光学增透膜、反光膜等等。单个的腔体，只有一种靶材，只能溅射沉积一种材料；也有簇团结构的pvd溅射系统，即通过输运腔体组合多个的pvd溅射腔体，形成一个组合的真空溅射系统，但是，这样的系统因为需要多套的真空形成设备，成本过高，同时，又由于晶圆的传输也需要时间，使机器的产能降低。
12.因此需要pvd溅射设备能够在一个腔体中装置多个靶材，以更有利于多层膜的溅射，并提高生产产能，降低设备制造成本。
13.同时，在实际应用中，通常要求沉积的薄膜对于已经存在于晶圆之上的3d结构达到一定的覆盖率(conformal coating)，即沉积于3d结构的边、角上的薄膜厚度与沉积于平面之上的薄膜厚度达到一定比例，且薄膜的组织结构、性能一致。图1所示的pvd溅射模式为面对面沉积，即靶材表面平行于晶圆表面，这样的沉积方式，覆盖率较低。
14.因此，亟需一种能够控制、改善沉积薄膜的组织结构性能，能形成覆盖沉积，且能在一个腔体中装置多个靶材的pvd溅射系统。


技术实现要素：

15.针对现有技术的不足，本发明提供了一种能够在一个工艺腔体内装置多个靶材的离子辅助pvd溅射系统，无需多个工艺腔室，且无需多次的装夹，效率高。
16.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种离子辅助的多靶磁控溅射设备，包括上载腔体、输运腔体和工艺腔体，输运腔体内设置有机械手，所述工艺腔体内设置有晶圆台、至少一个离子源装置和至少两个磁控管装置，所述晶圆台位于下方，离子源装置和磁控管装置位于上方，且离子源装置与磁控管装置围绕晶圆台的中心均分布，所述离子源装置与磁控管均朝向晶圆台并与晶圆台呈角度倾斜布置。
17.进一步的所述工艺腔体的顶部为穹形，所有磁控管和离子源装置围绕穹形的顶部中心均匀分布。
18.进一步的所述工艺腔体内还设置有挡板窗，所述挡板窗位于离子源装置和磁控管的下方，且挡板窗对应离子源装置和每个磁控管的下方均设置有可独立开启的快门。
19.进一步的所述工艺腔体内还设置有挡板窗，所述挡板窗上设置有一个开口，所述挡板窗与工艺腔体转动连接，挡板窗的转动轴线与穹形的顶部中心重叠。
20.进一步的所述磁控管装置包括靶材背板、磁控管背板和保护盖子，所述靶材背板的前侧设置有靶材，磁控管背板位于靶材背板的后侧，且磁控管背板的前侧设置有磁控管，所述磁控管背板连接有驱动其转动的第一马达，所述靶材背板连接有电源，所述保护盖子盖在靶材背板上，使磁控管背板及磁控管罩在内部。
21.进一步的所述靶材背板内设置有冷却水路。
22.进一步的所述离子源装置包括底座和密封金属盒，所述密封金属盒内设置有石英管，石英管与底座形成真空腔体，所述石英管外设置有线圈，所述石英管连接天线。
23.进一步的所述底座与石英管的连接面设置为金属栅网。
24.进一步的所述晶圆台包括自上而下依次布置的晶圆托架、加热器、支架托、腔体真空法兰、附加支架和伸缩管，所述伸缩管连接有第二马达，所述附加支架连接有第三马达。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用离子辅助的多靶材腔体，安装多个靶材在一个腔体中，可以一次完成多层膜的溅射，如tmr,gmr、ar、hr、pzt结构等薄膜的溅射，提高产能，同时，也可以安装多个同样的靶材，如pzt，提高沉积速率和生产效率；又由于采用倾斜溅射，可以减小靶材尺寸，节省贵金属如pt靶材的费用；另一方面，可以增加3d结构的覆盖率(conformal coating)；同时，离子源也可以产生高密度的、相对低能量的离子轰击基片方向，其离子轰击动能可以部分转化为沉积于基片表面的粒子的动能，从而提高基片上粒子的流动性，改善薄膜性能。
附图说明
26.图1为现有技术中磁控溅射设备的示意图；
27.图2为本发明的俯视示意图；
28.图3为本发明中工艺腔体的示意图；
29.图4为本发明中磁控管装置的示意图；
30.图5为本发明中离子源装置的示意图；
31.图6为本发明中挡板窗具有多个快门时的示意图；
32.图7为本发明中挡板窗具有一个开口时的示意图；
33.图8为本发明中晶圆台的示意图。
34.附图标记：1、上载腔体；2、输运腔体；21、机械手；3、工艺腔体；4、阀门；5、晶圆；6、磁控管装置；61、马达；62、传动轴；63、电源；64、保护盖子；65、磁控管背板；66、磁铁；67、靶材；68、靶材背板；7、离子源装置；71、密封金属盒子；72、天线；73、电源；74、石英管；75、线圈；76、底座；8、挡板窗；81、快门；82、开口；9、晶圆台；91、导线管；92、伸缩管；93、马达a；94、晶圆托架；95、加热器；96、支托架；97、腔体真空法兰；98、附加支架；99、马达b。
具体实施方式
35.参照图2至图8对本发明离子辅助的多靶磁控溅射设备的实施例做进一步说明。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(x)”、“纵向(y)”、“竖向(z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
37.此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.一种离子辅助的多靶磁控溅射设备，包括上载腔体1、输运腔体2和工艺腔体3，输运腔体2内设置有机械手21，所述工艺腔体3内设置有晶圆台9、至少一个离子源装置7和至少两个磁控管装置6，所述晶圆台9位于下方，离子源装置7和磁控管装置6位于上方，且离子源装置7与磁控管装置6围绕晶圆台9的中心均分布，所述离子源装置7与磁控管均朝向晶圆台9并与晶圆台9呈角度倾斜布置。
39.如图2所示，上载腔体1用来上载放在晶圆盒里面的晶圆5，上载腔体1与输运腔体2之间有真空阀门4，输运腔体2中有机械手21，可以在阀门4打开后，伸入上载腔体1内获取晶圆，并将其运送至输运腔体2内；输运腔体2和工艺腔体3之间也有阀门4，在该阀门4打开后，已载有晶圆的机械手21伸入工艺腔体3内，将晶圆送至工艺腔体3内的晶圆台9上，这样就完成了晶圆上载至工艺腔体3的过程，可以在工艺腔体3内对晶圆5实施设定的工艺流程。
40.同样，待工艺流程完成后，输运腔体2内的机械手21，可以逆序完成将晶圆5下载的过程。
41.如图3所示，本实施例中以工艺腔体3内具有四个磁控管装置6和一个离子源装置7为例。
42.工艺腔体3上部可以为一穹形结构；其上，四个磁控管装置6和一个离子源装置7围绕穹形结构中心均匀分布，该布局可以充分利用空间，在真空腔体上尽可能地放置较多的磁控管和离子源；同时，磁控管装置6、离子源装置7相对于晶圆台9形成一个夹角α，从而形成倾斜溅射，有利于对3d结构的裹覆沉积。
43.其中离子源是产生带电的粒子(粒子、分子、cluster)束的装置，在半导体及微电子制造中，通常利用离子源来沉积或刻蚀材料或器件。
44.在离子辅助溅射过程中，由于离子源本身可以产生高密度的、相对低能量的离子轰击基片方向，其离子轰击动能可以部分转化为沉积于基片表面的粒子的动能，从而提高基片上粒子的流动性，粒子流动性的提高，对于沉积于基片之上的薄膜：
45.1.可以减少原子、分子之间的松散连接，从而提高其之间的紧密连接和紧密排列，形成致密、高密度、低缺陷的膜层。
46.2.可以减少柱状晶结构，形成较大晶粒，使膜的结构更趋近于单晶。
47.3.可以减少膜层的粗糙度。
48.4.可以增加薄膜和基片之间的粘结力。
49.5.可以减少形成高密度、单晶(或大晶粒)薄膜结构所需要的高基片温度。
50.6.可以形成对3d结构的裹覆沉积(conformal coating)。
51.7.可以用来调整沉积的薄膜的内应力。
52.8.可以提高薄膜沉积速率。
53.9.对于反应溅射，通过离子化反应气体，还可以提高薄膜化学成分的均匀性。
54.如图5所示，其为一个典型的离子源装置7示意图，该离子源为螺旋波等离子体源，即为通过螺旋波激励放电的等离子体，其螺旋波由射频天线激励并沿轴向磁场方向在有限直径的圆柱形等离子体柱中传播，具有哨声波和横波模式结构，其能量是通过碰撞或无碰撞阻尼被电子吸收，螺旋波等离子体源以其电离效率高、电子密度高、约束磁场低、结构相对简单、可在低气压下放电等优点，使其在集成电路工艺、薄膜沉积、刻蚀与表面改性和等离子体推进等领域有着良好而广泛的应用前景。其中，
55.71为密封金属盒子，用以保护内部器件、接地、隔离电磁干扰；
56.72为天线，电源启动后，将rf能量引导至石英腔内，将石英管内气体离子化，产生等离子体；
57.73为电源，rf电源 网络匹配器；
58.74为石英管，以形成真空腔体；
59.75为线圈，与直流电源相连，电源启动后，产生电磁场，石英管内磁场方向与其轴线平行；
60.76为底座，支撑离子源，并与真空腔体以o-ring相连，使石英管内与腔体形成一个统一真空，底座与石英管的连接面，也可以由金属栅网构成，使得离子在装置出口形成多股相互平行的离子束。
61.如图4所示，其为一个典型磁控管装置6示意图。其中，
62.61为马达，通过传动轴、传动带等，带动磁控管(5、6)转动；
63.62为传动轴，连接马达和磁控管；
64.63为电源，通过连接背板(8)，与靶材(7)连接，给靶材提供能量，形成等离子体，轰击靶材表面；
65.64为保护盖子，通常接地。起到保护内部带电器件、屏蔽外部电磁干扰作用；
66.65为磁控管背板，使磁铁(6)能固定于背板之上，形成磁通路。同时，在与磁体相连的另一面形成磁屏蔽；
67.66为磁铁，多个磁铁排列成一定的形状，形成一定的磁场，形成磁控溅射，提高沉积效率；
68.67为靶材；
69.78为靶材背板，靶材固定于其上，内部有冷却水路，可以冷却靶材，通过导线与电源相连，给靶材提供能量。
70.如图6所示，所述工艺腔体3内还设置有挡板窗8，所述挡板窗8位于离子源装置7和磁控管的下方，且挡板窗8对应离子源装置7和每个磁控管的下方均设置有可独立开启的快门81，当某一个快门81打开时，其对应的磁控管装置6或离子源装置7就可以对晶圆形成磁控溅射或刻蚀的工艺；当某一个快门81关闭时，其对应的磁控管装置6或离子源装置7就不可以对晶圆形成磁控溅射或刻蚀的工艺。
71.图6中的挡板窗8也可以有多个快门81同时打开，其对应的多个磁控管装置6或离子源装置7就可以同时对晶圆形成磁控溅射或刻蚀的工艺，这非常有利于溅射合金薄膜，或提高溅射速率(使用相同靶材)，或离子辅助的磁控溅射以改善薄膜性能。
72.如图7所示，其为工艺腔体3内挡板窗8的另一种结构形式，其有一个单独的开口82，当开口82旋转至某一磁控管装置6或离子源装置7下时，该磁控管装置6或离子源装置7就可以对晶圆形成磁控溅射或刻蚀的工艺；当开口82不在某一磁控管或离子源下时，该磁控管装置6或离子源装置7就不可以对晶圆形成磁控溅射或刻蚀的工艺，处于关闭状态，该挡板窗8的优势在于结构简单，易于操作。
73.如图8所示，其为一个典型的晶圆台9，起到承载晶圆的作用。其中，
74.5为晶圆；
75.92为可伸缩管，它允许在马达a的作用下，样品架(94、95、96)可以作垂直方向的上下运动；
76.93为马达a，它可以带动样品架(94、95、96)作垂直方向的上下运动；
77.94为晶圆托架，用以加热晶圆；
78.95为加热器，可以用来加热晶圆；
79.96为支架托，用以支撑样品架；
80.97为腔体真空法兰，用来隔离腔体内外，形成真空腔体；
81.98为附加支架，可以在马达b的作用下，辅助晶圆托架94和晶圆5作垂直方向的上下运动，以完成晶圆的上下载；
82.99为马达b，可以带动晶圆5和晶圆托架94作垂直方向的上下运动，以完成晶圆的上下载；
83.91为导线管，是加热器95导线、热偶、偏置电压导线的导出口。
84.这样的晶圆台9，可以具有多项功能，例如旋转、上下运动、加热、施加偏置场等。
85.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。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。