[发明专利]一种离子辅助的多靶磁控溅射设备

说明书

本发明公开了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，本发明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。

技术领域

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

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。