溅射设备腔室处理工艺的优化研究

王海东

（中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050000）



溅射设备腔室处理工艺的优化研究

王海东

（中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050000）

摘要：对溅射原理进行了详细的分析，对溅射设备的结构组成进行了概括性的说明。研究了溅射腔室的传统工艺处理流程，并提出了新的工艺处理流程。实验表明，新的工艺流程更加省时省力，效果上也更好，应用于实际中，带来了一定的经济效益。

关键词：溅射设备；腔室处理；溅射工艺；工艺优化

1　前言

磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备的各个领域，通过磁控溅射技术我们可以制备所需要的各种工业薄膜，如超导性质的薄膜、具有优良光学性质的薄膜、电阻类薄膜（氮化钽电阻膜）、导电类薄膜（溅射铜层膜、溅射金层膜）、超硬薄膜、耐腐蚀薄膜、耐摩擦薄膜、带有磁性的薄膜以及各种各样的特殊类型薄膜。磁控溅射技术的实现，需要使用溅射设备去完成，在溅射设备的工作过程中，溅射腔室的处理至关重要，对产品的各种性能产生重要影响。

本文从磁控溅射技术的基本原理、溅射设备的结构构成、溅射腔室处理工艺流程方面入手，提出了新的处理方法。

2　原理分析

溅射的原理，就是在溅射设备中造就高真空环境，然后以工艺气体充满腔室，并在高电压的作用下，让这些气体进行辉光放电，形成等离子体，其中阳离子在电场作用下向靶材移动，与靶材进行能量互换，使靶材原子向外溅射，其中大部分粒子作用于我们所需要溅射的产品上，还有一部分溅射于腔室的各个地方，时间长了也会形成溅射薄膜。如果同一台溅射设备溅射不同的物质，这些溅射膜会很容易脱落，造成腔室不清洁并污染产品，这样会影响我们的产品溅射质量，所以清理溅射设备是薄膜工艺中的一项重要内容，本文针对这一情况进行了详细的说明，并提出了一套简单易行的方法，省时省力，提高了生产效率，节省了成本。图1为靶材粒子运动图。

图1　溅射设备腔室靶材粒子运动图

3　溅射设备的结构组成

3.1溅射设备的总体结构

溅射设备是一套用于完成溅射技术的自动化控制系统，属于高精尖类设备，在半导体设备行业中占据重要地位，大致总体结构如图2。

图2　溅射设备结构组成图

3.2组成说明

腔室系统：用于完成溅射的整个操作，在目标产品中溅射所需要的薄膜材料膜层；

真空系统：用于真空的载体如腔体与传递腔体、用于造成真空环境的泵类系统如机械泵和真空泵、用于测量真空环境的真空测量仪器，例如电离真空计、皮拉尼电阻真空计等；

电源系统：用于提供电离气体所需要的能量，例如直流电源、直流脉冲电源、射频电源等；

传递系统：与腔体互连的传递产品的小腔室、用于传递的机械结构如机械手；

控制系统与软件：用于控制设备运行的控制系统如PLC部件以及用于设备运行和工艺处理的软件系统；

电气系统与安全链路：用于设备的电气运行以及电气和操作人员的安全处理，包括一些电气连线、继电器之类的电气部件；

产品载体系统：用于放置产品的载体（托盘），包括一些可用于产品旋转的结构；

水冷系统：各种水流管路与阀门、流量计等，用于把设备和靶材的热量带走；

气路系统：各种气体管路与阀门、流量计等，用于产品保护和高真空等离子环境的制取（氩气）、用于工艺反应的气体（氮气）等；

靶材系统：用于产品溅射的目标材料，靶材如铜靶、金靶、氮化钽靶、铝靶等；

挡片系统：用于工艺处理的挡片系统如靶材挡片、腔体挡片等。

由于使用时间的延长和不同靶材之间的交叉使用会造成挡片系统的沾污。根据使用情况，我们需要定期对这些挡片和腔室进行处理，以保持一个良好的工作环境，制造出优良的产品。图3是沾污后的挡片。

图3　沾污后的挡片

4　常用方法

4.1工艺流程

工艺流程为：部件拆卸→喷沙处理→丙酮清洗→酒精清洗→再次安装。

4.2步骤说明

（1）部件拆卸：将需要清洁的腔体部件从设备上拆卸下来；

（2）喷沙处理：将这些部件进行喷沙处理；

（3）丙酮清洗：将这些部件放置于容器中，丙酮浸泡超声处理；

（4）酒精清洗：将这些部件放置于容器中，酒精浸泡超声处理；

（5）再次安装：安装上去。

4.3使用工具

图4和图5分别为喷砂机原理示意图与一款喷砂机产品。

图4　喷砂原理图

图5　喷砂设备外观图

5　创新方法

5.1工艺流程

新方法的工艺流程为：部件拆卸→工具打磨→酒精清洁→腔体预处理。

5.2步骤说明

（1）部件拆卸：将需要清洁的腔体部件从设备上拆卸下来；

（2）工具打磨：采用小型的打磨工具对部件进行打磨处理；

（3）酒精清洁：采用无尘布，沾取酒精棉轻轻对打磨后的地方进行处理，直到部件清洁干净；

（4）腔室预处理：采用比较便宜的溅射靶材进行腔体空跑，便于在腔体中维持一个可靠的高真空环境。

5.3使用工具

采用手持式的小型电动打磨工具，如图6。

图6　小型电动打磨工具与打磨头

6　总结说明

传统的工艺处理流程中需要喷砂设备，结构复杂、价格贵重，需要专业人员去操作，超声清洗设备也有类似的问题，操作一次费时费力，创新后的工艺流程，设备简单易操作，且可以多次使用，成本极低，二者相比，创新后的腔体处理工艺流程能带来一定的经济效益。

参考文献:

[1]许小红，武海顺.压电薄膜的制备、结构与应用[M].北京:科学出版社，2002.

[2]金永中，刘东亮，陈建.溅射靶材的制备及应用研究[J].四川理工学院学报(自然科学版)，2005，18(3) :22-24.

[3]杨邦朝，胡永达，蒋明.全球溅射靶材市场及发展趋势[J].电子元件与材料，2002，21(6) :29-31.

[4]张继成，吴卫东，许华，唐晓红.磁控溅射技术新进展及应用[J].材料导报，2004，18（4）.

[5]田民波.薄膜科学与技术手册[M].北京：机械工业出版社，1991.

王海东（1982—），男，内蒙古人，工程师，2007年毕业于兰州大学，长期从事半导体与微组装相关的工作。

The Optimization Study on Process Flow of Sputter Equipment Chamber

WANG Haidong
（China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute, Shijiazhuang 050000, China）

Abstract：The article elaboratively analyses sputter technology and synoptically illustrate structure of the sputter equipment. The article research the general process flow about sputter equipment chamber and provide a new process flow about sputter equipment chamber. The results shows that the new process flow can save time and effort and give us some economic benefits.

Keywords:sputter equipment; processing chamber; sputter process; process optimization

作者简介：

收稿日期：2016-2-28

中图分类号：TN305.92

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）04-0045-03