溅射方法和溅射设备与流程

1.本发明涉及溅射技术领域，尤其涉及一种溅射方法和溅射设备。


背景技术：

2.溅射设备主要功能是利用电子在电场的作用下向靶材移动过程中，与氩原子发生碰撞，使其电离产生ar 离子和新的电子，ar 离子在电场作用下加速飞向靶材，并以高能量轰击靶材表面，靶材被溅射出来形成溅射粒子，其中，被溅射出的中性靶原子或分子沉积在基板的表面。溅射过程中产生的二次电子受电场和磁场的共同作用而被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域又电离出大量的ar ，这些ar 离子又进一步轰击靶材表面，使其不断地被溅射下来，并沉积在基板的表面形成金属膜，镀膜完成后把基板切割成多个硅芯片，并在后续的工序中加工成压电薄膜，压电薄膜通常用于感受外界压强的变化，并将压强的变化转换为电信号的变化。而硅片又是感受压强变化的主要元件，因此基板及硅晶片本身的压强需要达到一定的指标。
3.现有方法制备得到薄膜上各点的压强值的差别大，导致一致性差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种溅射方法和溅射设备，用于中和各层次的压强不均匀的情况，降低基板上各点压强波动较大的情况，提高基板上薄膜各点压强的一致性，从而保证压电薄膜的电信号精确性。
5.本发明的目的采用以下技术方案实现：
6.一种溅射方法，用于在基板上形成薄膜，所述薄膜包括依次叠放的多个膜层单元，所述溅射方法包括：
7.在基板上通过多次溅射形成多个膜层单元，每次溅射形成一个膜层单元，每个所述膜层单元采用如下步骤形成：对反应腔体抽真空后，向所述反应腔体内的阴极体和基板之间的反应区域充入工作气体和等离子体，所述阴极体包括靶材；在所述反应腔体内的阴极体和阳极体上加载电压，使溅射粒子沉积在所述基板上并形成膜层单元，在沉积膜层单元过程中，通过控制等离子体从反应区域溢出的量来控制所述基板上膜层单元的各点处的压强值；
8.在至少相邻两个膜层单元形成过程中，等离子体从反应区域溢出的量不同，以使所述相邻两个膜层单元在基板的相同位置处的压强值不同，并使基板上薄膜各点处的压强值趋于一致。
9.优选地，对反应腔体抽真空后，向所述反应腔体内的阴极体和基板之间的反应区域持续定量地充入工作气体和等离子体，所述阴极体和基板之间的反应区域的周缘处设置有供等离子体从反应区域溢出的间隙，通过控制所述间隙的大小以控制等离子体在单位时间内从反应区域溢出的量。
10.优选地，所述反应腔体内设有靶材防护罩、溅射防护罩和旋转磁体，所述旋转磁体
可旋转地设置在阴极体背向阳极体的一侧，所述旋转磁体用于形成约束反应区域的等离子体的磁场，所述靶材防护罩靠近所述靶材的边缘并用于防止溅射粒子向靶材的周缘与反应腔体内壁之间区域运动，所述溅射防护罩设置在所述基板的周缘处并用于防止溅射粒子沉积在阳极体上，所述溅射防护罩的靠近靶材防护罩的部分与靶材防护罩之间形成所述间隙。
11.优选地，在所述相邻两个膜层单元形成过程中，分别控制所述间隙的间距分别为1-12mm和13-33mm。
12.优选地，在所述相邻两个膜层单元形成过程中，分别控制所述间隙的间距分别为4-6mm和13-33mm。
13.优选地，所述反应腔体内设有多个旋转磁体，所述多个旋转磁体在靠近阴极体的周缘处间隔设置，所述多个旋转磁体用于在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场。
14.优选地，所述旋转磁体为绕穿过基板中心的轴旋转，每个所述旋转磁体在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场的形状为球形或椭球形。
15.优选地，所述相邻两个膜层单元的材料相同或不同。
16.优选地，对反应腔体抽真空后，向所述反应区域还充入反应气体。
17.一种溅射设备，用于在基板上形成薄膜，所述薄膜包括依次叠放的多个膜层单元，所述溅射设备包括多个溅射装置，每个溅射装置分别用于形成一个膜层单元，每个溅射装置包括：反应腔体、位于反应腔体内的阴极体和阳极体，所述阴极体包括靶材，所述靶材具有相对的上表面和下表面，所述靶材的下表面朝向阳极体，所述基板用于设置在靶材和阳极体之间，所述阴极体和靶材之间形成反应区域，所述反应区域的周缘处设置有间隙，所述间隙用于供等离子体从反应区域溢出；
18.用于形成至少相邻两个膜层单元的溅射装置中，所述反应区域的周缘处的间隙的大小不同，以使所述相邻两个膜层单元在基板的相同位置处的压强值不同，并使基板上薄膜各点处的压强值趋于一致。
19.优选地，所述溅射装置还包括：靶材防护罩、溅射防护罩和旋转磁体，所述旋转磁体可旋转地设置在阴极体背向阳极体的一侧，所述旋转磁体用于形成约束反应区域的等离子体的磁场，所述靶材防护罩靠近所述靶材的边缘并用于防止溅射粒子向靶材的周缘与反应腔体内壁之间区域运动，所述溅射防护罩设置在所述基板的周缘处并用于防止溅射粒子沉积在阳极体上，所述溅射防护罩的靠近靶材防护罩的部分与靶材防护罩之间形成所述间隙。
20.优选地，用于形成所述相邻两个膜层单元的溅射装置中，所述间隙的间距分别为1-12mm和13-33mm。
21.优选地，用于形成所述相邻两个膜层单元的溅射装置中，所述间隙的间距分别为4-6mm和13-33mm。
22.优选地，所述反应腔体内设有多个旋转磁体，所述多个旋转磁体在靠近阴极体的周缘处间隔设置，所述多个旋转磁体用于在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场。
23.优选地，所述旋转磁体绕穿过基板中心的轴旋转，每个所述旋转磁体在靠近反应
区域的边缘处形成约束等离子体的磁场的形状为球形或椭球形。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
25.在至少相邻两个膜层单元形成过程中，通过控制等离子体从反应区域溢出的量不同，以使所述相邻两个膜层单元在基板的相同位置处的压强值不同，并使基板上薄膜各点处的压强值趋于一致，中和各层次的压强不均匀的情况，提高基板上薄膜各点压强的一致性，从而保证压电薄膜的电信号精确性。
附图说明
26.图1是本发明实施例1和实施例2中在gap为3mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
27.图2是本发明实施例1和实施例2在gap为5mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
28.图3是本发明实施例1和实施例2在gap为7mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
29.图4是本发明实施例1和实施例2在gap为9mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
30.图5是本发明实施例1和实施例2在gap为11mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
31.图6是本发明实施例1和实施例2在gap为13mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
32.图7是本发明实施例1和实施例2在gap为15mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
33.图8是本发明实施例1和实施例2在gap为17mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
34.图9是本发明实施例1和实施例2在gap为19-30mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
35.图10是本发明实施例1和实施例2在gap大于等于33mm时溅射得到的基板的薄膜压强检测数据图；
36.图11是本发明实施例1和实施例2的溅射装置一种状态的截面结构示意图；
37.图12是本发明实施例1和实施例2的溅射装置另一状态的截面结构示意图；
38.图13是图12中a部结构的放大示意图；
39.图14是本发明实施例2的溅射装置在gap小于1mm时反应区域内等离子体的形状示意图；
40.图15是本发明实施例1和实施例2在gap为1-5mm时反应区域内等离子体的形状示意图；
41.图16是本发明实施例1和实施例2在gap大于5mm时反应区域内等离子体的形状示意图；
42.图17是图14的局部结构示意图；
43.图18是图15的局部结构示意图；
44.图19是图16的局部结构示意图；
45.图20是本发明实施例1实验中基板上薄膜的压强检测数据图。
46.图中：1、反应腔体；2、阴极体；3、靶材；4、阳极体；5、靶材防护罩；6、溅射防护罩；7、旋转磁体；8、升降支撑件；9、顶销；10、第二驱动机构；11、迷宫结构；100、基板；101、间隙。
具体实施方式
47.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
48.本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。
49.本技术发明人经研究发现，在溅射的过程中，高温使得硅晶圆发生膨胀形变，靶原子附着在基板上形成金属膜之后，基板开始收缩，此时金属膜对基板产生应力，从而在硅晶圆上薄膜各点处形成压强，等离子体在靶材和基板之间的形状、浓度分布，会使得氩离子撞击靶材的能量以及靶原子着陆在硅晶圆上的数量不同，这会造成靶原子在硅晶圆上的位置和数量不同，金属膜对硅晶圆产生的应力不同，从而导致基板上薄膜各点的压强不同，最终硅晶片会造成压电薄膜的电信号不精确，从而导致整个基板成为次品。
50.上述等离子体虽然不参与溅射反应，但是等离子体的形状、浓度不同会使得靶原子的分布、能量不同，因此等离子体的形状、浓度密切影响着基板上薄膜各点压强，本技术基于以上研究发现做出。
51.实施例1
52.本实施例提供一种溅射方法，用于在基板100上形成薄膜，薄膜包括依次叠放的多个膜层单元。
53.如图11所示，溅射方法包括：
54.在基板100上通过多次溅射形成多个膜层单元，每次溅射形成一个膜层单元，每个膜层单元采用如下步骤形成：对反应腔体1抽真空后，向反应腔体1内的阴极体2和基板100之间的反应区域充入工作气体和等离子体，工作气体例如为氩气，阴极体2包括靶材3；在反应腔体1内的阴极体2和阳极体4上加载电压，本实施例中的加载的电压超过1000v，此时氩气会被电离成ar 离子，ar 离子在电场的作用下加速飞向靶材3，并以高能量轰击靶材3表面，靶材3被溅射出来形成溅射粒子，溅射粒子沉积在基板100上并形成膜层单元，在沉积膜层单元过程中，通过控制等离子体从反应区域溢出的量来控制基板100上膜层单元的各点处的压强值。
55.在至少相邻两个膜层单元形成过程中，等离子体从反应区域溢出的量不同，以使该相邻两个膜层单元在基板100的相同位置处的压强值不同，并使基板100上薄膜各点处的压强值趋于一致，中和各层次的压强不均匀的情况，降低基板100上薄膜各点压强波动较大的情况，提高基板100上薄膜各点压强的一致性，从而保证压电薄膜的电信号精确性。
56.如图12至图19所示，对反应腔体1抽真空后，向反应腔体1内的阴极体2和基板100之间的反应区域持续定量地充入工作气体和等离子体，阴极体2和基板100之间的反应区域
的周缘处设置有供等离子体从反应区域溢出的间隙101，通过控制间隙101的大小以控制等离子体在单位时间内从反应区域溢出的量，间隙101在图中表示为gap，间隙101的大小具体是指沿反应腔体1高度方向上的间隙大小。
57.如图11和图12所示，反应腔体1内设有靶材防护罩5、溅射防护罩6和旋转磁体7，旋转磁体7可通过设置在反应腔体1内的电机驱动旋转，图中并未表示出此电机的具体位置，旋转磁体7可以可旋转地设置在阴极体2背向阳极体4的一侧，磁体用于形成约束反应区域的等离子体的磁场，溅射过程中，由于洛伦磁力的作用，部分等离子体会被磁场约束，形成球形等离子体，且由于等离子体的特殊性质，局部等离子体通过间隙101流动到反应区域之外时，通过控制间隙101的大小以控制等离子体从反应区域溢出的量，间隙101越大，等离子体溢出的量越多，在反应腔体1的高度方向上，等离子体的整体形状就会越细，反应区域内等离子体的浓度也会越低，随着间隙101增大，反应区域内等离子体的形状发生不规则地变化，但球形等离子体由于受到球形磁场的约束，会产生规律的形状变化。间隙101较小时，保持近似球形；间隙101逐渐增大时，球形逐渐变成椭球形，并且椭球形的长轴逐渐变长，浓度几乎不变，而等离子体为靶材3的靶原子运动提供能量，椭球形等离子体的长轴越长，上方的靶原子能够运动的距离越远，与此同时，运动越远的靶原子，靶原子运动的路径与基板100表面的夹角α就越小，夹角α越小，靶原子在基板100表面形成的压强越大，靶材防护罩5靠近靶材3的边缘并用于防止溅射粒子向靶材3的周缘与反应腔体1内壁之间区域运动，溅射防护罩6设置在基板100的周缘处并用于防止溅射粒子沉积在阳极体4上，溅射防护罩6的靠近靶材防护罩5的部分与靶材防护罩5之间形成间隙101，通过控制间隙101的大小，从而缩小基板100上薄膜各点的压强差，提高基板100上薄膜各点的压强值的一致性，以便提高压电薄膜电信号的准确性，提高良品率。
58.如图1至图10所示，为了在基板100上溅射形成一个膜层单元时，以8英寸的基板100为实验本体，靶材为铝，反应区域内充入氮气和氩气，进行溅射反应实验，从而在基板100上镀aln(氮化铝)薄膜，测试8英寸基板100上不同点位的压强值，在图1至图10中，横坐标是测试点位距离基板100圆心的半径值，横坐标的正值和负值分别表示位于圆心相对两侧的测试点位的位置，纵坐标是测试点位的压强值，不同形状的数据点表示不同的间距值，因此，得出间隙101在5mm时，基板100上薄膜各点的压强范围区间缩小到[-50，100]，范围的跨度和区间内各点压强值的波动也均减小，各点压强值的一致性优于间隙101为1～3mm时的一致性，随着间隙101逐渐增大，各点压强值的一致性逐渐优化，而当间隙101值超过13mm时，基板100上薄膜各点的压强范围区间开始增大，各点压强值的一致性开始变差，当间隙101值选取5～30mm时，满足压强范围[-100，100]、压强一致性一般的要求，当间隙101值选取7～15mm时，满足了压强范围[-75，75]、压强一致性较高的要求，更而当间隙101值选取9～13mm时、满足压强范围[-50，50]，压强一致性高的要求，这使得间隙101的调整可用于缩小基板100上薄膜各点的压强差，从而提高压电薄膜电信号的准确性，并进一步提高良品率，由此可得，当间隙101增大时，各点的压强值呈现先减小，然后反向增加的变化形势。因此利用此变化形势，结合叠层镀膜的方式，中和各层次的压强不均匀的情况。
[0059]
在相邻两个膜层单元形成过程中，分别控制间隙101的间距分别为1-12mm和13-33mm，作为更优选的方案，分别控制所述间隙101的间距分别为4-6mm和13-33mm。
[0060]
如图20所示，为了证实可通过分别控制间隙101的间距从而在基板100上溅射形成
两个膜层单元，基板100上薄膜各点处的压强值即趋于一致的结论，作出如下实验：
[0061]
在8英寸的基板100上镀1000nm的ain(氮化铝)薄膜，分两个膜层单元镀，每个膜层单元的厚度为500nm。通过控制在镀两个膜层单元时的间隙101不同，如图20所示，图中横坐标是测试点位的半径值，纵坐标是测试点位的压强值，不同形状的数据点表示不同的间距值，第一组gap1＝1mm，gap2＝33mm；第二组gap1＝5mm，gap2＝33；第三组gap1＝7mm，gap2＝33mm(其中gap1表示镀第一层膜层单元时的间隙101值，gap2表示镀第二层膜层时的间隙101值)。由此可见，三组的压强范围均在{50,50}，且波动小，尤其是第二组，压强范围在{0,50}之间，波动范围更小，薄膜各点压强的一致性明显提高。
[0062]
而膜层单元的数量，各膜层单元的厚度是可以根据需求变化的，对各膜层单元厚度的控制如下：在其他条件不变的情况下，厚度与溅射时间近似成正比；而其他条件的改变会影响厚度随时间变化的变化率，在实际生产中通过控制反应时间，从而得到既定厚度的膜层单元。
[0063]
如图11和图12所示，反应腔体1内设有多个旋转磁体7，多个旋转磁体7在靠近阴极体2的周缘处间隔设置，多个旋转磁体7用于在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场，旋转磁体7至少设置有两个，本实施例中优选为两个旋转磁体7，两个旋转磁体7固定设置于一圆盘中心的两侧，图中并未表示出圆盘的具体结构和位置，圆盘活动设置于反应腔体1内，圆盘由固定设置在反应腔体1内的电机驱动，圆盘的旋转带动旋转磁体7绕穿过基板100中心的轴旋转，每个旋转磁体7在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场的形状为球形或椭球形。
[0064]
相邻两个膜层单元的材料可相同或不同，溅射形成两个膜层单元时，由于两个膜层单元的材料相同时，可在同一反应腔体1内进行溅射，当两个膜层单元的材料不同时，则需要在不同的反应腔体1内进行溅射。
[0065]
溅射方法还可以包括：对反应腔体1抽真空后，向反应区域还充入反应气体，反应气体例如是氧气，或，氮气，或，氧气和氮气，反应气体可以用于与溅射粒子反应并形成薄膜。
[0066]
实施例2
[0067]
本实施例提供一种溅射设备，用于在基板100上形成薄膜，薄膜包括依次叠放的多个膜层单元。
[0068]
如图11和图12所示，溅射设备包括多个溅射装置，每个溅射装置分别用于形成一个膜层单元，每个溅射装置包括：反应腔体1、位于反应腔体1内的阴极体2和阳极体4，阴极体2包括靶材3，靶材3具有相对的上表面和下表面，靶材3的下表面朝向阳极体4，基板100用于设置在靶材3和阳极体4之间，阴极体2和靶材3之间形成反应区域，反应区域的周缘处设置有间隙101，间隙101用于供等离子体从反应区域溢出；用于形成相邻两个膜层单元的溅射装置中，反应区域的周缘处的间隙101的大小不同，以使相邻两个膜层单元在基板100的相同位置处的压强值不同，并使基板100上薄膜各点处的压强值趋于一致。由此通过控制间隙101的大小，从而缩小基板100上薄膜各点的压强差，提高基板100上薄膜各点的压强值的一致性，以便提高压电薄膜电信号的准确性，提高良品率。
[0069]
如图11和图12所示，溅射装置还可以包括：靶材防护罩5、溅射防护罩6和旋转磁体7，旋转磁体7可旋转地设置在阴极体2背向阳极体4的一侧，旋转磁体7用于形成约束反应区
域的等离子体的磁场，靶材防护罩5靠近靶材3的边缘并用于防止溅射粒子向靶材3的周缘与反应腔体1内壁之间区域运动，溅射防护罩6设置在基板100的周缘处并用于防止溅射粒子沉积在阳极体4上，溅射防护罩6的靠近靶材防护罩5的部分与靶材防护罩5之间形成间隙101。
[0070]
本实施例中的反应腔体1内设有第二驱动机构10，第二驱动机构10用于驱动溅射防护罩6移动以控制间隙101的大小，同时，第二驱动机构10用于驱动溅射防护罩6随升降支撑件8的支撑面同步移动，这使得在操作时，工作人员只需通过第二驱动机构10即可同步驱动溅射防护罩6和基板100移动到反应区域进行溅射，方便控制间隙101的大小，从而根据不同压强需求来进行溅射，溅射防护罩6沿垂直于高度方向的单侧截面形状呈z字形，溅射防护罩6环绕基板100设置，且溅射防护的边缘延伸至基板100的朝向阳极体4的一侧，溅射防护罩6的边缘与所述基板100的外边缘形成迷宫结构11，由于此种溅射防护罩6结构的设置，反应过程中的溅射粒子很难绕过溅射防护罩6撞击并沉积在阳极体4上，从而有效的避免溅射粒子污染阳极体4，保证了反应腔体1内电场的稳定，减少出现溅射后基板100上薄膜各点压强一致性较差的情况。
[0071]
溅射装置还可以包括升降支撑件8，升降支撑件8的支撑面位于靶材3和阳极体4之间，升降支撑件8用于带动基板100靠近或远离所述靶材3，阳极体4固定设置于反应腔体1内，在操作时，基板100先是由机械手臂运送至反应腔体1中，由于机械手臂是从下方拖住基板100的，所以无法直接放在阳极体4上，而是要先放在升降支撑件8上，此时基板100呈水平放置，与此同时，升降支撑件8带动基板100靠近靶材3，使得基板100进入到反应区域内，随后即可开始进行溅射反应。
[0072]
如图11至图13所示，为了使得升降支撑件8可进行沿反应腔体1高度方向上的竖直移动，升降支撑件8包括顶销9和第一驱动机构，第一驱动机构用于驱动顶销9升降，此处需要说明的是，第一驱动机构未在图中表示出，其可固定于反应腔体1内，不局限于某一固定位置，只需能够驱动顶销9竖直往复移动且不影响溅射反应即可，在操作时，基板100先是由机械手臂运送至反应腔体1中，由于机械手臂是从下方拖住基板100的，所以无法直接放在阳极体4上，此时基板100放置在顶销9上，顶销9用于支撑基板100，顶销9用于支撑基板100的端部可根据基板100的构造来决定，并不限定于某一特定形状，顶销9也可具备一定的吸附力，用于更加牢固的吸附住基板100，第一驱动机构可用于驱动顶销9竖直向上或向下移动，从而使得基板100在顶销9的带动下靠近或远离靶材3，第一驱动机构可以设置为气缸、电推杆或电机等。
[0073]
在一具体实施方式中，用于形成相邻两个膜层单元的溅射装置中，间隙101的间距分别为1-12mm和13-33mm，实施例1的实验中已对此间距值的设置作出具体解释，此处不再赘述。
[0074]
在一具体实施方式中，用于形成相邻两个膜层单元的溅射装置中，间隙101的间距分别为4-6mm和13-33mm，实施例1的实验中已对此间距值的设置作出具体解释，此处不再赘述。
[0075]
如图11和图12所示，反应腔体1内设有多个旋转磁体7，多个旋转磁体7在靠近阴极体2的周缘处间隔设置，多个旋转磁体7用于在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场，上述结构与实施1中相同，此处不再进行赘述。
[0076]
如图11和图12所示，旋转磁体7为绕穿过基板100中心的轴旋转，每个旋转磁体7在靠近反应区域的边缘处形成约束等离子体的磁场的形状为球形或椭球形，上述结构与实施1中相同，此处不再进行赘述。
[0077]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，在发明的范围内以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，所有的这些改变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。