全自动磁控溅射镀膜设备及工艺的探析

全自动磁控溅射镀膜设备及工艺的探析

黄法

株洲欧科亿数控精密刀具股份有限公司 湖南株洲 412000

[摘要]全自动磁控溅射的镀膜设备，属于单靶单腔，不但能够将以往传统磁控溅射的镀膜设备所潜在靶间污染相关问题有效处理好，且以高真空的机械手实施传送片作业，工艺腔室当中真空破坏得以减少，可实现高效化地生产作业，工作效率总体提升显著。故本文主要探讨全自动磁控溅射的镀膜设备与其工艺，仅供业内参考。

[关键词]镀膜设备；磁控溅射；全自动；工艺

前言：

以往国内所生产制备磁控溅射的镀膜设备往往在自动化总体程度层面较低，一个腔室当中含有多个的磁控靶，致使靶之间极易出现污染问题。但伴随国内设备研发及生产制备各项技术的持续进步发展，自动式磁控溅射的镀膜设备被逐渐研发制备并应用开来。那么，为能够更进一步地了解此种设备及其工艺，便于今后更好地开展此方面的实践应用及研究工作，则对全自动磁控溅射的镀膜设备与其工艺开展综合分析较为必要。

1、关于磁控溅射及其镀膜的概述

磁控溅射技术，属于薄膜沉积的一种有效性方法，有着相对广泛的应用范围，尤其是混合的集成电路、材料表面部位处理、光学薄膜等相关行业领域当中，应用至薄膜沉积及表面覆盖层等制备当中。在一定程度上，相比较于热蒸发及电弧镀，磁控溅射技术在沉积薄膜整个过程更具稳定性，整个控制过程极具便捷性，能够结合不同需要实施靶材设计，极易获取范围较大薄膜的均匀性[1]。那么，针对磁控溅射的镀膜，即以镀膜材料和基片分别作为阴极、阳极，借助磁场和电场所产生的交互作用，确保电子处于靶表面周边位置可呈螺旋状持续运行，促使电子撞击到氩气情况下，离子的实际产生几率增加，将气体总体离化率和溅射率等有效提升的一种技术手段。电子风向基片整个过程当中，会碰撞到惰性气体Ar原子，经电离后会有正离子产生，受电场总体加速作用，能量较高正离子会与靶材表面相互撞击，致使靶材表面部位原子吸收到正离子动能，逐渐从原晶格的束缚当中脱离出来，中性靶原子逐渐从靶材表面部位逸出，沉积于基片上面后促使薄膜逐渐形成，经更换材质不同的靶及把控不同溅射时间，即可获取材质及厚度不同的薄膜。

2、全自动磁控溅射的镀膜设备与其工艺

2.1设备总体构成及其重要功能

2.1.1设备总体构成

针对全自动磁控溅射的镀膜设备基本功能，即对薄膜混合的集成电路实施物理气相的镀膜处理。设计过程当中，通常需充分考虑到单靶单体腔室内部防止出现靶中毒、实现高效生产等各项要求，实行群集方式。该全自动磁控溅射的镀膜设备整体构成，以上料室、真空式机械手的腔室、独立溅射的镀膜室、电气控制及真空系统等为主。此设备提供独立式溅射的镀膜室为3个，能够分别予以独立溅射氧化物或金属。各腔室均实行独立的溅射镀膜处理工艺，能够对200mm基片实施溅射镀膜作业[2]。此设备当中设有1个上料室，能够放置25片装的一个标准片盒，对上料室当中留设晶圆隔离处理技术标准的机械接口。此全自动磁控溅射的镀膜设备当中真空式机械手的腔室，其处于真空环境当中，基片能够经由真空式机械手处于各腔室间实现有效传送，该真空式机械手的腔室整体呈正五边形，各边设真空腔室相应接口，最多能够扩充至4个独立式溅射的镀膜室。

2.1.2各项重要功能

1）在溅射的镀膜腔室层面

针对溅射的镀膜腔室，其整体属于全不锈钢材质的方形结构，上部分装设一整套的磁控靶，而下部分装设是一整套的可调速相应工件台，把工件转架合理应用至待镀基片的安装当中，在旋转电机的有效带动之下，通过转速调节，达到对靶材粒子的入射角有效调节目的。那么，为确保膜层更具均匀性和附着力，通常设转速5～30r/min。针对工件台上部分，装设挡板，借助旋转电机逐渐带动遮挡屏运转，预溅射作业期间，遮挡放置于阴极靶前，以免污染到基片。工件台下部分设加热系统，实行红外加热，加热功率设定1kW，且最高温度以400℃为宜。腔室当中包含O2、N2、Ar这三路工艺的气体，借助进口质量的流量控制装置来对于工艺气体实施精确控制，确保可充分满足于总体的工艺要求。该溅射的镀膜腔室当中，真空泵及溅射靶各部分具体运行时候会有一定的热量产生，可以水冷方式来对各发热部件予以冷却处理。设备逐渐进入真空情况下，进气系统主要负责充气，确保真空室当中气压达到良好的动态平衡状态。为确保工艺总体更具稳定性，则真空室当中真空度应维持恒定，且送气量务必要平稳。

2）在真空式机械手的腔室层面

针对真空式机械手的腔室，其从属于全自动磁控溅射的镀膜设备内部重要构成部分，通常应用至真空环境当中，促使基片能够在溅射的镀膜腔室和上料室相互间实现有效传递，则溅射镀膜技术工艺总体自动化的运行程度可得以提升，搬运时间明显缩短，人工干预相对较少，可防止搬运过程当中晶圆受损，促使晶圆总体生产效率及其成品率有所提升，对整台设备自身密封性和工艺环境实际洁净度等可起到保障作用。真空式机械手的腔室，其整体实行全铝合金材质正五边形类型结构，其腔室下部分设真空式机械手，该机械手可呈360°实现自由旋转，且机械手整个手臂为三节的伸缩臂，能够把基片快速传送到各腔室。此外，基片处于各腔室间可实现有效传送，在实施移动过程当中运行较为平稳，且定位精度＞±0.50mm。

3）在控制系统层面

该全自动磁控溅射的镀膜设备当中，控制系统从属重要构成部分，其以PLC和工控机为控制核心，能够对设备开展实时监控。该控制系统当中，PLC和工控机主要经交换装置实现有效连接，便于实施数据交换及设备操作。各腔室当中设一台PLC实施独立控制，借助交换装置和工控装置予以交换数据，便于溅射的镀膜腔室有效增减，且不会对控制系统产生不利影响。工控装置负责对溅射的镀膜腔室PLC及主控PLC实施密切监控[3]。主控PLC能够把整机状态实时发送至工控装置当中，并接收溅射的镀膜腔室当中PLC相关状态信息，对机械手实际传送流程予以控制，启动安全互锁及报警各项操作。溅射腔室当中PLC负责对真空系统、工艺气体的流量、工件台、溅射靶的电源等实施控制。

2.5在技术工艺层面

针对该全自动磁控溅射的镀膜设备而言，其总体的工艺质量及碎片率属于能否高效应用至实际的工业生产当中的关键点。此设备处于实验线当中通过对整个技术工艺的分析探索，可确定其可充分满足于实际的工艺要求及标准。持续4个月的生产运行之后，该全自动磁控溅射的镀膜设备总体碎片率始终可维持千分之一范围内。针对膜厚实际均匀性开展试验分析，选定Cu靶材，φ200mm硅片为基片，功率设定100 W/50 W，靶-基距设定100mm，压强设定0.5 Pa。经测试后确定全部测试样品均合格；同时，对陶瓷基片位置实施钛钨合金及纯金电极的溅射镀膜作业后，对溅射之后样品，选取25μm金丝实施键合强度现场检测及分析后，同样可确定全部测试样品均合格。

3、结语

综上所述，全自动磁控溅射的镀膜设备，它是以现有技术为基础，对设备总体结构及其功能予以合理设计，并结合产品实际的应用方向，设定设备工艺，经投放运行之后，该设备总体稳定可靠，可充分满足于实际的工艺需求，值得持续推广应用。

参考文献：

[1]陈大伟.浅谈磁控溅射镀膜工艺中的反应溅射[J].建筑玻璃与工业玻璃,2019,000(003):4-8.

[2]李学龙,徐兴文,徐斌骁.磁控溅射的发展和工艺参数的探讨[J].新型工业化,2021,011(009):9-10.

[3]田杰成,李俊.磁控溅射镀膜设备用旋转装置及磁控溅射镀膜设备:,CN215517615U[P].2022.