一种物理气相沉积用磁控溅射装置的制作方法

1.本发明涉及物理气相沉积领域，特别涉及一种磁控溅射装置。


背景技术：

2.物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
3.其中，溅射镀膜基本原理是充氩(ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(ar)原子电离成氩离子(ar )，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材因被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流(qc)溅射，射频(rf)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(m)辉光放电引起的称磁控溅射。本发明涉及的就是磁控溅射技术。
4.磁控溅射装置是在溅射靶表面形成磁场并且使电子在磁场中移动而效率良好地将溅射气体等离子体化的装置。相较其他方式，磁控溅射因能提高镀膜效率与镀膜均匀性被广泛地用于薄膜的形成。
5.目前磁控溅射装置具有两大缺点：
6.1.靶材利用率低，靶材使用率约30％。
7.2.薄膜沉积在基体表面均匀性较低，均匀性约3％。表现为基体表面薄膜边缘薄，中间厚。


技术实现要素：

8.本发明解决了两个技术问题：
9.1，磁感应强度在靶材上分布不均匀，靶材被溅射得不均匀，靶材利用率低。
10.2，在基体表面沉积的薄膜均匀性差。
11.本发明实施例提出一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置包括：磁控溅射装置底座7、条形永磁铁8和磁铁位置调节机构9；
12.该条形永磁铁8在该磁控溅射装置底座7内沿径向均匀分布且在该径向上的位置也相同，以六个以上的偶数数量设置，相邻两个该条形永磁铁8的n极和s极交错放置，当第一条形永磁铁8的该n极指向该磁控溅射装置底座7的圆心，该s极指向该磁控溅射装置底座7的圆周时，相邻的第二磁铁的该n极指向该磁控溅射装置底座7的圆周，该s极指向该磁控溅射装置底座7的圆心；
13.该磁铁位置调节机构9固定在该磁控溅射装置底座7上，位于该条形永磁铁8的上方，与该条形永磁铁8相连接，用于带动该条形永磁铁8沿该磁控溅射装置的径向运动；每一个该条形永磁铁8的上方都有一个该磁铁位置调节机构9。
14.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的该
磁铁位置调节机构9包括：
15.步进电机14；与该步进电机14相连接的丝杆12；安装在该丝杆12上的滑块13；
16.该步进电机14和该丝杆12固定在该磁控溅射装置底座7上；
17.该滑块13与该条形永磁铁8相连接，在该滑块13与该条形永磁铁8之间有隔磁片15；
18.当该步进电机14转动时，该滑块13沿着该丝杆12滑动，带动与该滑块13相连的该条形永磁铁8沿着该丝杆12，即沿着该磁控溅射装置底座7的径向，调整位置。
19.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的该磁铁位置调节机构9还包括：
20.位置传感器，用于检测该条形永磁铁8的位置。
21.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的磁铁位置调节机构9的移动速度为：6-10mm/s。
22.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的处于同一组闭合磁力线之内的该条形永磁铁8在该磁控溅射装置底座7的径向上的位置保持一致，即处于该同一组闭合磁力线之内的该条形永磁铁8的中心始终在同一条圆周线上。
23.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置还包括：
24.旋转电机10，固定在该磁控溅射装置底座7上，用于带动该磁控溅射装置做整体旋转。
25.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的旋转电机10的旋转速度为：60-90转/分。
26.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置还包括：
27.环形永磁铁11，固定在该磁控溅射装置底座7的边缘，环绕该磁控溅射装置，该环形永磁铁11的s极向上，n极向下。
28.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的条形永磁铁8的磁场强度为：500-600高斯。
29.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的条形永磁铁8的数量为：6个或8个或10个。
30.综上所述，本发明的有益效果为：
31.本发明通过在磁控溅射装置底座7上沿径向交错、均匀布置偶数数量的条形永磁铁8，使得相邻的两个条形永磁铁8两端的磁力线闭合，有利于束缚腔室内的电子，形成更多的等离子，增加溅射效率；通过设置磁铁调节机构调整条形永磁铁8在径向上的位置，使得靶材上磁感应强度分布更均匀，靶材被均匀溅射，提高靶材使用率；通过在磁控溅射装置边缘设置上方为s极、下方为n极的环形永磁铁11，增强装置边缘的磁感应强度，有效束缚靶材边缘的电子，使靶材边缘与中间的溅射速度相同进而提升靶材使用率，提升基片上薄膜的均匀性。应用本发明的成果后，靶材利用率从原来的30％，提升到约60％，降低了生产成本；基片薄膜的均匀性则从原来的约3％提升到约0.8％，提升了产品的稳定性，增加了良率。靶材利用率和基片薄膜的均匀性的大大提升，产生了“量”的变化。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为物理气相沉积设备腔体示意图；
34.图2为本发明的物理气相沉积用磁控溅射装置的一具体实施例的结构示意图；
35.图3为本发明的物理气相沉积用磁控溅射装置的一具体实施例的磁铁位置调节机构9的结构示意图；
36.图4为现有磁控溅射装置的结构示意图；
37.图5为现有磁控溅射装置在使用后的靶材消耗情况示意图；
38.图6为本发明的物理气相沉积用磁控溅射装置的一具体实施例在使用后的靶材消耗情况示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应当理解的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员可以进行任何适当的修改或变型，从而获得所有其它实施例。
40.本发明实施例提出一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置包括：磁控溅射装置底座7、条形永磁铁8和磁铁位置调节机构9；
41.该条形永磁铁8在该磁控溅射装置底座7内沿径向均匀分布且在该径向上的位置也相同，以六个以上的偶数数量设置，相邻两个该条形永磁铁8的n极和s极交错放置，当第一条形永磁铁8的该n极指向该磁控溅射装置底座7的圆心，该s极指向该磁控溅射装置底座7的圆周时，相邻的第二磁铁的该n极指向该磁控溅射装置底座7的圆周，该s极指向该磁控溅射装置底座7的圆心；
42.该磁铁位置调节机构9固定在该磁控溅射装置底座7上，位于该条形永磁铁8的上方，与该条形永磁铁8相连接，用于带动该条形永磁铁8沿该磁控溅射装置的径向运动；每一个该条形永磁铁8的上方都有一个该磁铁位置调节机构9。
43.在本实施例中，如图1物理气相沉积设备腔体示意图所示，物体气相沉积设备腔体由腔体外壳1，腔体底座2，靶材3，以及磁控溅射装置4组成。该磁控溅射装置4通过圆锥销5与靶材底座16相连。该磁控溅射装置中的磁铁与靶材3之间设置间隙，间隙约1～3mm。需要沉积薄膜的基片6位于底座上。
44.如图2所示，磁控溅射装置包括磁控溅射装置底座7，若干偶数数量、均匀分布在该磁控溅射装置底座7内的条形永磁铁8，以及磁铁位置调节机构9。条形永磁铁8的数量可以根据实际需求增减，以偶数数量设置。相邻两个条形永磁铁8的n极和s极交错放置。如，第一条形永磁铁8的n极朝向装置内侧，指向圆心，s极朝向装置外侧，指向圆周，则相邻的条形永磁铁8的n极朝向装置外侧，指向圆周，s极朝向装置内侧，指向圆心，依此类推，交错放置。多个条形永磁铁8均匀布置，可以提高装置内磁场的均匀性。交错放置便于两相邻的磁铁两端
磁力线闭合，有利于束缚腔室内的电子，形成更多的等离子，增加溅射效率。但是，因条形永磁铁8两极磁感应强度强，中间磁感应强度弱，尽管磁感应强度的均匀性在整体上有了提高，但磁感应强度在局域上的分布还是不均匀的，在靶材3上也有体现，因此靶材3会被溅射得不均匀，使用过的靶材3上会形成两圈v字形凹槽，此凹槽区域与磁铁两极位置对应。因此，在每个该条形永磁铁8上方设置了磁铁位置调节机构9。该磁铁位置调节机构9可以采用多种方式实现，如步进电机14带动丝杆12与滑块13，同步齿形带传动等，能通过现有机械结构带动条形永磁铁8做直线运动即可。该磁铁位置调节机构9带动该条形永磁铁8沿该磁控溅射装置的径向运动，调节该条形永磁铁8的位置，该条形永磁铁8的两极和中间区域都不再固定对应于靶材3的同一区域，使得靶材3上各个区域从时间维度来说磁感应强度分布均匀，靶材3被均匀溅射，提高靶材3使用率。
45.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的该磁铁位置调节机构9包括：
46.步进电机14；与该步进电机14相连接的丝杆12；安装在该丝杆12上的滑块13；
47.该步进电机14和该丝杆12固定在该磁控溅射装置底座7上；
48.该滑块13与该条形永磁铁8相连接，在该滑块13与该条形永磁铁8之间有隔磁片15；
49.当该步进电机14转动时，该滑块13沿着该丝杆12滑动，带动与该滑块13相连的该条形永磁铁8沿着该丝杆12，即沿着该磁控溅射装置底座7的径向，调整位置。
50.在本实施例中，如图3所示，该磁铁位置调节机构9通过步进电机14带动丝杆12旋转使得滑块13沿着丝杆12的方向移动，即沿着该磁控溅射装置底座7的径向移动，调整该条形永磁铁8的位置，使得该条形永磁铁8的两极和中间区域都不再固定对应于靶材3的同一区域，靶材3被均匀溅射，提高靶材3使用率。添加隔磁片15是因为，该条形永磁铁8的磁场强度约为550高斯，如果该条形永磁铁8与滑块13直接连接，该条形永磁铁8会给滑块13及后面的连接部件一个吸力，不便于滑块13运动。
51.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的该磁铁位置调节机构9还包括：
52.位置传感器，用于检测该形永磁铁7的位置。
53.在本实施例中，该磁铁位置调节机构9还包括了位置传感器。位置传感器用于检测条形永磁铁8的位置，可以是接近传感器，测距仪等，能够通过检测到该条形永磁铁8抵达某个特定位置来确定该条形永磁铁8在该特定时刻的位置，或通过测量条形永磁铁8距离传感器安装位置的距离来确定该测量时刻该条形永磁铁的位置即可。通过检测条形永磁铁8的位置，可以帮助更好地控制该条形永磁铁8的位置移动，使得磁感应强度在靶材3上的分布从时间维度来说更均匀。
54.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的磁铁位置调节机构9的移动速度为：6-10mm/s。
55.在本实施例中，优选地，该磁铁位置调节机构9的移动速度为：6-10mm/s。该速度如果过大，可能会导致磁场变化过于剧烈，磁场不稳定，从而影响靶材3使用及产品成膜的均匀性。
56.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的处
于同一组闭合磁力线之内的该条形永磁铁8在该磁控溅射装置底座7的径向上的位置保持一致，即处于该同一组闭合磁力线之内的该条形永磁铁8的中心始终在同一条圆周线上。
57.在本实施例中，调节该条形永磁铁8位置时，每个该步进电机14均同时、同向、同速转动，也同时同步停止，使得在该丝杆12上的该滑块13的运动状态也保持相同，确保每个该条形永磁铁8的中心在同一条圆周线上，以保证磁感应强度在整体上的均匀性。
58.例如，在丝杆12导轨外侧设置三个接近传感器，分别检测滑块13的左极限位置、右极限位置、零点位置。因为滑块13与该条形永磁铁8相连接，因此该滑块13位置即该条形永磁铁8的位置。以该条形永磁铁8可调范围的中间位置为零点位置，以该可调范围两端的极限位置分别为左极限位置、右极限位置。如，可调范围为60mm，右极限位置靠近圆心，为正向的30mm，左极限位置靠近圆周，为负向的30mm。磁铁位置调节机构9每次调整该条形永磁铁8的位置时，都先移动到零点位置进行位置校准，再移动至目标位置。通过软件控制，实现每个条形永磁铁8以相同的速度同时向装置内，或同时向装置外调节位置，确保每个磁铁的中心始终在同一条圆周线上。
59.调节次数123456789靶材消耗量(kwh)0～100100～200200～300300～400400～500500～600600～700700～800800～900磁铁位置(mm)0-7.5-15-22.5-307.51522.530
60.如上表所示的一个具体例子，在整个靶材3使用周期内，该条形永磁铁8进行了8次位置调节。靶材3每消耗约100kwh调整一次该条形永磁铁8的位置。通常靶材3消耗量以千瓦时(kwh)表示。在生产过程中，软件可以自动记录靶材3消耗量。靶材3消耗量在0～100kwh时磁铁位置在坐标为0的初始位置，即位置1；靶材3消耗量在100～200kwh时，靶材3位置调整到坐标-7.5mm的位置,即位置2
……
以此类推。每次调整位置后，用以下两种方法确认新的位置是否最优：
61.1)用基片进行溅射，测量基片上薄膜沉积的均匀性，如果均匀性不佳，微调磁铁位置，再次用基片溅射测试，直到基片上薄膜均匀性良好为止。
62.2)打开腔体，检查靶材3表面是否被均匀溅射，如果溅射不均匀，微调磁铁位置。
63.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置还包括：
64.旋转电机10，固定在该磁控溅射装置底座7上，用于带动该磁控溅射装置做整体旋转。
65.在本实施例中，磁控溅射装置顶端设置旋转电机10，该旋转电机10带动该磁控溅射装置整体旋转，产生旋转磁场。该旋转磁场可以确保在一定的时间周期内，磁感应强度均匀分布在整个磁控溅射装置内，即均匀分布在靶材3上，使得靶材3被均匀溅射，提高靶材3使用率，也可以提高成膜的均匀性。
66.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的旋转电机10的旋转速度为：60-90转/分。
67.在本实施例中，优选地，该旋转电机10的旋转速度为：60-90转/分。该速度如果过慢，对磁场均匀性的改善效果会较有限。该速度如果过快，该旋转磁场变化过于剧烈，反而会造成靶材3溅射及成膜的均匀性受到影响。
68.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置还包
括：
69.环形永磁铁11，固定在该磁控溅射装置底座7的边缘，环绕该磁控溅射装置，该环形永磁铁11的s极向上，n极向下。
70.在本实施例中，在磁控溅射装置边缘设置环形永磁铁11，该环形永磁铁11的上方为s极，下方为n极。该环形永磁铁11所产生的磁场能有效束缚靶材3边缘的电子,使得靶材3边缘与中间被电离的离子浓度相同，从而使靶材3边缘与中间溅射速度相同，进而提升靶材3使用率，提升基片上薄膜的均匀性。
71.图4为现有磁控溅射装置的结构示意图。从图中可见，现有装置的条形磁铁固定位置安装，环形磁铁位于该装置的中央。与本发明提供的磁控溅射装置相比，这些设计都不利于靶材3溅射与产品成膜的均匀性。现有磁控溅射装置在使用后的靶材3消耗情况如图5所示。靶材3位于靶材底座16上。假设，新靶材3初始厚度h为10mm，靶材3半径r为150mm，靶材3体积v＝πr
2 h＝3.14
×
1502×
10＝706500mm3。由于原装置磁感应强度在靶材3表面分布不均匀，在靶材3上会行成两圈凹槽，如图所示内圈和外圈凹槽。靶材3使用结束后，除凹槽区域外，其余区域靶材3厚度约8mm。内圈和外圈的凹槽深度、宽度都近似，深度约6mm,宽度约20mm。为确保安全生产，靶材3底部剩余2mm，以保证靶材3不会被完全击穿。原装置靶材3利用率计算过程如下：
72.外圈凹槽体积：v1＝3.14
×
120
×
120
×
6-3.14
×
100
×
100
×
6＝82896mm373.内圈凹槽体积：v2＝3.14
×
40
×
40
×
6-3.14
×
20
×
20
×
6＝22608mm374.靶材3剩余量体积：v3＝v
×
0.8-v
1-v2＝702000
×
0.8-82896-22608＝459696mm375.靶材3利用率：u％＝(v-v3)/v
×
100％＝34.93％
76.原装置靶材3利用率约为：35％。
77.在综合应用本发明的成果后，通过对磁铁位置的控制，旋转磁场，以及环形磁场等的综合作用，使得靶材3被均匀溅射。图6是综合应用本发明的成果后，使用后的靶材3消耗情况示意图。靶材3位于靶材底座16上。作为现有装置的对比，同样地，假设新靶材3初始厚度h为10mm，靶材3半径r为150mm。为确保安全生产，在使用后，靶材3底部剩余2mm，以保证靶材3不会被完全击穿。与现有装置对比明显的是，最厚处也仅约4mm厚度,靶材3使用率提高到60％以上。与此同时，产品成膜的均匀性也从原来的约3％提升到约0.8％。靶材3利用率和基片薄膜的均匀性的大大提升，产生了“量”的变化。
78.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的条形永磁铁8的磁场强度为：500-600高斯。
79.在本实施例中，优选地，该条形永磁铁8的磁场强度为：500-600高斯。
80.在一些实施例中，本发明提供的一种物理气相沉积用磁控溅射装置，该装置的条形永磁铁8的数量为：6个或8个或10个。
81.在本实施例中，优选地，该条形永磁铁8的数量为：6个或8个或10个。