一种磁控溅射设备及磁控溅射系统的制作方法

本发明涉及半导体制造领域，具体而言，涉及一种磁控溅射设备及磁控溅射系统。

背景技术：

物理气相沉积(PVD)技术应用于很多领域，其利用溅射靶材组件可提供带有原子级光滑表面的具有精确厚度的薄膜材料沉积物。靶材组件是由符合溅射性能的靶材和适于与靶材结合并具有一定强度的背板构成。

在溅射过程中，靶材组件装配在溅射基台上，位于充满惰性气体的腔室里的靶材暴露于电场中，从而产生等离子区。等离子区的等离子与溅射靶材表面发生碰撞，从而从靶材表面逸出原子。靶材与待涂布基材之间的电压差使得逸出原子在基材表面上形成预期的薄膜。

目前，锆靶材组件中含有高纯度的锆靶材。在溅射过程中，锆靶材的溅射面溅射出的锆原子除了会沉积于待涂布基材表面，也可能会沉积于腔室内的其他表面上，包括靶材溅射面边缘、靶材侧面及部分背板的表面。在溅射一段时间后，上述表面会出现一些堆积物,即反溅射物，这些反溅射物的附着力不大，容易在溅射的过程中脱落下来，形成异常放电，影响溅射环境。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种磁控溅射设备，以解决传统的磁控溅射设备在长时间使用后反溅射物脱落而影响溅射环境的缺陷。

本发明的第二目的在于提供一种磁控溅射系统，这种磁控溅射系统包括上述磁控溅射设备和相应的控制系统，自动化程度高，有利于工业大生产。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种磁控溅射设备，包括壳体、磁靶、锆靶材组件、遮挡部以及用于安装基材的炉盘。壳体具有第一内壁、第二内壁和第三内壁，第一内壁和第二内壁相对间隔设置。第一内壁、第二内壁和第三内壁共同围合成反应腔体，磁靶、锆靶材组件、遮挡部和炉盘设置于反应腔体内。炉盘安装于第一内壁，磁靶安装于第二内壁，锆靶材组件设置于磁靶远离第二内壁的一侧。遮挡部设置于第三内壁，遮挡部具有第一凹槽，第一凹槽的开口朝向远离第三内壁的一侧，且第一凹槽的开口覆盖有筛网。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述筛网的目数为200-400目。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述筛网由绝缘材料制成。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述锆靶材组件包括固定连接的锆靶材和背板，背板可拆卸连接于磁靶，锆靶材靠近基材的一面为溅射面。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述锆靶材包括一体成型的基底和凸台，基底具有上表面和下表面，背板设有第二凹槽，第二凹槽由底面和周面围合而成，基底的下表面焊接于第二凹槽的底面，基底的上表面设有锯齿状凸起，上表面与背板的靠近凸台的一面位于同一平面。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述第二凹槽的周面与基底的侧壁间隙配合，第二凹槽的周面与基底的侧壁之间的间隙小于0.1mm。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述凸起为锥形，相邻两个凸起的侧壁之间的夹角为45°-75°，凸起的高度小于凸台的高度。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述背板远离凸台的一侧开设有多个散热通道，多个散热通道间隔均匀分布。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，上述磁靶与锆靶材组件之间设置有缓冲板并用于调整锆靶材组件与基材之间的磁场强度，缓冲板包括至少两个依次叠放的调整板。

一种磁控溅射系统，包括上述磁控溅射设备，以及与磁控溅射设备相匹配的控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

这种磁控溅射设备的壳体内为反应腔体，溅射反应就发生在这一相对密闭的反应腔体中。反应腔体内的第一内壁上安装有炉盘，在溅射反应时，炉盘上设置有待涂布的基材，炉盘用于将基材加热至预设温度，便于薄膜的形成。在与第一内壁相对的第二内壁上安装的磁靶为溅射反应提供磁场。锆靶材组件安装于磁靶上，并于上述基材相对设置。

同时，在壳体的内壁中除第一内壁和第二内壁以外的第三内壁上设置有遮挡部，遮挡部上具有第一凹槽，用于接收在溅射反应时射向反应腔体内壁的锆原子，并对锆原子进行沉积，即形成反溅射物。在第一凹槽开口处设置的筛网，能够对脱落的上述反溅射物进行有效截留，防止其掉落在反应腔体内形成异常放电，影响溅射环境。

这种磁控溅射设备，能够有效的避免反溅射物脱落对溅射环境的影响，有效提高反应腔体内锆金属薄膜的质量，从而提高半导体器件的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种磁控溅射装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种磁控溅射装置的壳体的剖面示意图；

图3是本发明实施例1提供的磁控溅射装置中锆靶材组件的结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的一种磁控溅射装置的结构示意图。

图中标记分别为：

标号：100-磁控溅射设备；200-磁控溅射设备；110-壳体；111-第一内壁；112-第二内壁；113-第三内壁；114-反应腔体；120-磁靶；130-锆靶材组件；131-锆靶材；1311-基底；1312-凸台；1313-溅射面；132-背板；1321-第二凹槽；133-凸起；134-散热通道；235-缓冲板；236-调整板；140-遮挡部；141-第一凹槽；142-筛网；150-炉盘；151-基材。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1如图1-图3所示，

本实施例提供一种磁控溅射设备100，如图1所示，这种磁控溅射设备100包括壳体110、炉盘150、磁靶120、锆靶材组件130和遮挡部140。

本实施例中，这种磁控溅射设备100的壳体110为四边体，在其他实施例中壳体110也可以为圆柱形、棱柱形或不规则形等其他形状。壳体110具有第一内壁111、第二内壁112和第三内壁113，第一内壁111和第二内壁112相对间隔设置，在本实施例中，第一内壁111位于壳体110的顶壁，可以为壳体110的整个顶壁，也可以为顶壁的其中一部分；第二内壁112位于壳体110的底壁，可以为壳体110的整个底壁，也可以为底壁的其中一部分。在壳体110的内壁中除第一内壁111和第二内壁112以外的其余部分均为第三内壁113。第一内壁111、第二内壁112和第三内壁113共同围合成反应腔体114，磁控溅射反应发生于反应腔体114中。

炉盘150，安装于反应腔体114的第一内壁111上。在溅射反应时，炉盘150上设置有待涂布的基材151。炉盘150用于将基材151加热至预设温度，便于锆原子在基材151表面沉积形成薄膜。

磁靶120，安装于反应腔体114的第二内壁112上。磁靶120为溅射反应提供磁场，通过该磁场能够改变溅射反应中离子的运动方向。锆靶材组件130安装于磁靶120上，并于上述基材151相对设置。

传统的磁控溅射设备中，第三内壁与溅射环境是直接接触的。因此，在溅射反应中，锆原子除了沉积到待涂布的基材表面形成薄膜外，还有相当一部分散射到第三内壁上并沉积下来，形成反溅射物。通常，第三内壁为金属材质，由于锆原子与第三内壁之间的结合力弱，当锆原子持续轰击第三内壁时，在重力及锆原子轰击力作用下，沉积于第三内壁的反溅射物容易脱落下来，掉落在反应腔体内形成碎渣，甚至有些碎渣会直接掉落在靶材表面，这些碎渣容易在溅射的过程中形成异常放电，影响溅射环境，最终导致制备的薄膜质量不达标。

鉴于此，本实施例提供的磁控溅射设备100为了避免上述反溅射物脱落的现象，在第三内壁113上设置了遮挡部140。遮挡部140具有第一凹槽141，第一凹槽141的开口朝向远离第三内壁113的一侧，即第一凹槽141的开口朝向溅射反应发生的一侧。第一凹槽141用于接收在溅射反应时射向反应腔体114内壁的锆原子，并对锆原子进行沉积。在本实施例中第一凹槽141的形状为矩形槽，在本发明的其他实施例中，第一凹槽141的形状可以为T型槽、燕尾槽或者其他能满足实际需求的凹槽。

如图2所示，第一凹槽141的开口覆盖有筛网142，筛网142能够对脱落的上述反溅射物进行有效截留，防止其掉落在反应腔体114内形成异常放电，影响溅射环境。在本发明较佳的实施例中，筛网142的目数在200-400目之间。发明人经过数次试验发现，当设置的筛网142为200-400目时，筛网142的孔径略小于脱落下来的反溅射物的碎渣，能够对碎渣进行很好的截留。而当筛网142的目数大于400目时，筛网142的孔径小，经过长时间的溅射反应后，锆原子极易沉积在筛网142上，阻塞筛网142上的筛孔，使反溅射物沉积在筛网142的表面，进而不但不能防止反溅射物掉落在反应腔体114内，甚至会加速反溅射物的脱落。

发明人经过多次试验证实，筛网142的目数最佳为300目，这种筛网142的截留效果与锆原子透过效果均较佳，二者之间能够达到有效平衡，更加有利于避免反溅射物脱落至反应腔体114内影响薄膜的制备。在本实施例中，筛网142由绝缘材料制成，从而避免在溅射反应中由于筛网142的原因而出现的电磁干扰现象。

如图3所示，锆靶材组件130包括固定连接的锆靶材131和背板132，背板132可拆卸连接于磁靶120上。这种可拆卸连接方式可以为卡接、磁吸和粘接等。在本实施例中，背板132通过卡接的方式连接于磁靶120上。锆靶材组件130中背板132一方面起到支撑锆靶材131的作用，另一方面具有传导热量的作用。

锆靶材131靠近基材151的一面为溅射面1313，溅射面1313与基材151相对设置。在溅射过程中，真空的反应腔体114内产生氩离子，并向具有负电势的锆靶材131加速运动，在加速过程中氩离子获得动量，并轰击锆靶材131的溅射面1313，撞击出锆原子，随后锆原子迁移到基材151表面沉积并形成薄膜，完成溅射过程。

在溅射过程中，锆原子除了会沉积在基材151表面和第三内壁113上，锆原子也会沉积在锆靶材131的溅射面1313边缘、背板132表面等位置。在溅射一段时间后，锆靶材131和背板132的部分表面上会出现与锆靶材131成分相同的堆积物，即反溅射物。由于这些反溅射物与锆靶材131和/或背板132之间的附着力小，堆积到一定程度后会在重力和氩离子的轰击力作用下脱落，形成异常放电，对锆金属薄膜的质量造成一定的影响。

鉴于此，为了克服锆靶材131和背板132的部分表面上的反溅射物脱落影响薄膜的质量，发明人对上述磁控溅射设备100进行进一步的改进。

锆靶材131包括一体成型的基底1311和凸台1312，基底1311和凸台1312都是由锆金属材料制成。基底1311和凸台1312可以有多种形状，比如长方体形、圆柱形、棱柱形等，在本实施例中基底1311和凸台1312均为圆柱状。凸台1312远离基底1311的表面为溅射面1313。在溅射反应中，氩离子轰击凸台1312的溅射面1313，产生用于制备薄膜的锆原子。

由于在实际生产中，常常会出现远离锆靶材131的溅射面1313中心的磁场较弱，而使得轰击锆靶材131边缘处的锆原子的动量不够大，所以从锆靶材131上轰击出的锆原子的动量也不大。这些锆原子由于动量不足，很难迁移至位于锆靶材131相对面的基材151上形成薄膜，因而会沉积在反应腔体114内的其他表面。在本发明较佳的实施例中，凸台1312的直径是基底1311的一半。这样设置的好处在于，能够减少溅射面1313边缘磁场较弱区域的面积，从而减少由锆靶材131的溅射面1313边缘因磁场较弱而产生的动量不足的锆原子，使得反溅射物的量进一步减少，从根本上解决反溅射物对薄膜质量的影响。

基底1311具有相对设置的上表面(图未示)和下表面(图未示)，上表面与凸台1312相邻，下表面与背板132连接。基底1311也是由锆金属加工而成，用于使凸台1312与背板132连接。

背板132设有第二凹槽1321，第二凹槽1321的形状和大小与基底1311相匹配。背板132具有底面(图未示)和周面(图未示)，底面和周面共同围合成第二凹槽1321。基底1311的下表面焊接于第二凹槽1321的底面，这种焊接的方式有多种，本实施例中采用扩散焊接的方式，精确实现基底1311与第二凹槽1321之间的致密扩散连接，而无需整体进行包装或真空保护。这种结构在焊接时，不需要采取繁琐的包套处理工序，也无需在扩散焊接后进行复杂的去包套工序，具有加工工序少、成本低的优点。

基底1311的上表面与背板132的靠近凸台1312的一面位于同一平面，即在锆靶材组件130安装完成后，基底1311全部位于第二凹槽1321内，基底1311的厚度与第二凹槽1321的深度一致。这样设置的好处在于，使得溅射面1313高于背板132且使得溅射面1313的表面积小于第二凹槽1321的表面积，有助于使薄膜表面平整，提高薄膜的成品率。

在溅射反应中，基底1311靠近凸台1312的一侧也会被氩离子轰击，而基底1311的上表面与溅射面1313中心的距离较远，此处所受的磁场强度较弱，所以被轰击出的锆原子的动量也很小。为了解决这一问题，在这种锆靶材组件130的基底1311的上表面设有锯齿状凸起133。这种锯齿状凸起133能够增大基底1311表面的粗糙度，且能够改变反溅射物的运动轨迹，使其容易呈锯齿状沉积在基底1311的凸起133之间，减少了在溅射反应中反溅射物所受到的冲击力，增加了反溅射物在锆靶材组件130上的附着力，从而极大的减少了反溅射物脱落的情况发生，有效的提高了锆金属薄膜的质量。

作为优选的，如图3所示，凸起133为锥形，相邻两个凸起133的侧壁之间的夹角为45°-75°，本实施例中优选为60°。凸起133的高度小于凸台1312的高度。这种锥形的凸起133对反溅射物的防脱落作用好。当相邻两个凸起133的侧壁之间的夹角在45°-75°时，有利于增大反溅射物在凸起133上的附着力，使其不易脱落。

为了进一步避免反溅射物在第二凹槽1321内沉积，在本实施例中，第二凹槽1321的周面与基底1311的侧壁间隙配合，在实际加工中，采用真空电子束封焊连接，实现锆靶材131边缘封焊，使得第二凹槽1321的周面与基底1311的侧壁之间的间隙小于0.1mm。

为了进一步提高该磁控溅射设备100的性能，本实施例在背板132远离凸台1312的一侧开设有多个散热通道134，多个散热通道134间隔均匀分布。锆靶材组件130中背板132一方面起到支撑锆靶材131的作用，另一方面具有传导热量的作用。由于背板132与锆靶材131通过焊接的方式连接在一起，为了防止在溅射中由于温度升高，锆会催化背板132与锆靶材131之间的焊料融化，以至于影响溅射效果。因此，在本实施例提供的磁控溅射设备100中，通过上述散热通道134的设置，能够对锆靶材131进行充分冷却，有利于防止上述情况发生。在实际生产中，这些散热通道134可以通过机械加工的方式形成。

这种磁控溅射设备100，能够有效的避免反溅射物脱落对溅射环境的影响，有效提高反应腔体114内锆金属薄膜的质量，从而提高半导体器件的性能。

实施例2如图4所示，

本实施例提供一种磁控溅射设备200，如图4所示，其实现原理及产生的技术效果和实施例1相同，不同之处在于缓冲板235的设置。

磁靶120与锆靶材组件130之间设置有缓冲板235，这种缓冲板235能够调整锆靶材组件130与基材151之间的磁场强度，从而增强磁场对氩离子的约束力，有利于形成高质量的锆金属薄膜。缓冲板235包括至少两个依次叠放的调整板136，调整板136的数量可以是2个、4个、6个或者更多，设计者可以根据实际情况加以选用，在本实施例中调整板136的数量为3个。调整板236通过被移除或者移入工作区域，来调结锆靶材131与基材151之间的磁场强度。

这种磁控溅射设备200，能够根据实际需要，调节锆靶材组件130与基材151之间的磁场强度，有利于提高锆金属薄膜的质量和成品率。

实施例3

本实施例提供一种磁控溅射系统(图未示)，这种磁控溅射系统包括上述磁控溅射设备和控制系统(图未示)，该控制系统与上述磁控溅射设备相匹配，并能够控制这种磁控溅射设备的运行。使用这种磁控溅射系统进行半导体薄膜的制备，自动化程度高，有利于工业大生产。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。