一种提高旋转靶材利用率的溅射方法及溅射设备

技术领域

本发明涉及溅射镀膜技术领域，尤其涉及一种提高旋转靶材利用率的溅射方法及溅射设备。

背景技术

磁控溅射是一种常见镀膜方法，旋转靶材是磁控溅射的一种常见靶材。旋转靶材内设置有磁控组件，靶材在真空腔内旋转时在其内磁场与电场共同作用下溅射，以实现镀膜。

当靶材某处被刻穿后需要更换新的靶材，由于靶材刻蚀不均匀，导致靶材局部刻蚀深度较深，先被刻穿，这导致在需要更换靶材时，大部分靶材还没有被充分利用，靶材的有效使用寿命被严重缩短。

为提高靶材利用率，现有技术中通常定期将靶材由真空腔中取出，操作人员使用游标卡尺测量靶材长度方向多个测量点的外径数据，根据测量的外径数据手动调整靶材长度方向各处磁场强度，从而使下一个周期的靶材刻蚀相对均匀。但这种调整方式存在的缺陷也较明显，主要包括以下方面：

1、该调整方式需要循环几次后才能达到提升靶材利用率的效果，整个改善过程需要持续几个月；

2、该调整方式容易出现调整不及时，导致靶材利用率的改善幅度有限；

3、该调整方式容错率也较低，若某次调节出错后无法及时纠错；

4、该调整方式采用手动测量和调整，每次调整所需时间长，操作精度难以保证，测量点的数量有限，导致调节准确性难以保证，调整的效率低。

5、在换靶周期中期开腔调整影响设备的设备运行率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高旋转靶材利用率的溅射方法及溅射设备，能够解决现有靶材利用率需手动调整、改善效率低、效果差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高旋转靶材利用率的溅射方法，包括：

在线获取位于真空室内的所述靶材的形貌信息；

根据所述靶材的形貌信息自动生成所述靶材的外径形貌拟合图；

根据所述外径形貌拟合图，自动控制所述靶材轴向各处的磁场强度，以使所述靶材均匀消耗。

作为上述提高旋转靶材利用率的溅射方法的一种可选方案，在线获取位于真空室内的所述靶材的形貌信息包括：

在生产间隙期间，在线获取所述靶材上沿轴向排列的多个采集点的径向尺寸。

作为上述提高旋转靶材利用率的溅射方法的一种可选方案，根据所述外径形貌拟合图，自动控制所述靶材轴向各处的磁场强度包括：

根据所述外径形貌拟合图，获取刻蚀均匀位置以及刻蚀深点的位置；

减弱与所述刻蚀深点对应位置处的磁场强度。

作为上述提高旋转靶材利用率的溅射方法的一种可选方案，减弱与所述刻蚀深点对应位置处的磁场强度包括：

获取所述刻蚀深点与所述刻蚀均匀位置的尺寸差；

获取所述尺寸差所在差值区间；

获取与所述差值区间对应的磁场强度减弱值；

根据所述磁场强度减弱值调整与所述刻蚀深点对应位置处的磁场强度。

作为上述提高旋转靶材利用率的溅射方法的一种可选方案，当所述刻蚀深点与所述刻蚀均匀位置的尺寸差为0.5mm-1.5mm时，所述磁场强度减弱值为140Gs-160Gs；

当所述刻蚀深点与所述刻蚀均匀位置的尺寸差为1.5mm-2.5mm时，所述磁场强度减弱值为280Gs-320Gs。

一种溅射设备，包括：

真空室；

靶材，转动设置于所述真空室内；

磁控组件，设置于所述靶材内；

检测机构，设置于所述真空室内，用于检测所述靶材的形貌信息；

调节机构，所述调节机构被配置为根据所述检测机构的检测结果选择性调整所述靶材轴向各处的磁场强度。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述检测机构包括：

导轨，设置于所述真空室内且沿所述靶材的轴向延伸；

检测件，滑动设置于所述导轨上，用于检测所述检测件到所述靶材的径向距离；

检测驱动件，用于驱动所述检测件沿所述导轨滑动。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述检测机构还包括：

移动挡板，活动设置于所述检测件与所述靶材之间，所述移动挡板被配置为在所述靶材溅射时将所述靶材与所述检测件隔开。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述磁控组件包括磁轭和磁铁阵列，所述磁轭设置于所述靶材内，所述磁铁阵列设置于所述磁轭上；

所述调节机构包括沿所述靶材轴向分布的多个调节组件，所述调节组件的输出端与所述磁轭连接，所述调节组件的输出端能够沿所述靶材的径向往复移动，以带动与所述调节组件输出端连接处的所述磁轭靠近或远离所述靶材。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述磁控组件还包括封装结构，所述封装结构设置于所述靶材内，所述封装结构形成有密封腔室，所述磁轭和所述磁铁阵列设置于所述密封腔室内。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述调节组件包括：

调节电机，设置于所述密封腔室内；

主动齿轮，与所述调节电机的输出轴传动连接；

从动齿轮，转动设置于所述密封腔室内，并与所述主动齿轮啮合；

调节轴，同轴穿设于所述从动齿轮中并与所述从动齿轮螺纹配合，所述调节轴的一端与所述磁轭连接，另一端沿所述调节轴的轴向滑动连接于所述封装结构。

作为上述溅射设备的一种可选方案，所述调节组件还包括：

限位件，设置于所述封装结构上，所述调节轴的另一端滑动穿过所述限位件，所述限位件与所述从动齿轮的端面抵接，以限制所述从动齿轮沿所述靶材的径向移动。

本发明的有益效果：

本发明提供的提高旋转靶材利用率的溅射方法中，在线获取靶材刻蚀情况并自动调整磁场强度，不需要对真空室破除真空后取出靶材，调整更方便，有利于提高设备运行率，且有利于提高调整频率，从而能够及时调整靶材轴向各处的磁场强度，有利于增大靶材利用率的调整幅度。

本发明提供的溅射设备，能够在线自动获取靶材表面刻蚀情况，从而自动调整对应位置磁场强度，不需人工操作，效率高，调整及时，能明显改善靶材的利用率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的提高旋转靶材利用率的溅射方法的流程图一；

图2是本发明实施例一提供的提高旋转靶材利用率的溅射方法的流程图二；

图3是本发明实施例一提供的靶材外径形貌拟合图；

图4是本发明实施例二提供的溅射设备的结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的调节组件的结构示意图。

图中：

10、真空室；20、靶材；30、磁控组件；31、磁轭；32、磁铁；33、封装结构；40、检测机构；41、导轨；42、检测件；43、移动挡板；50、调节机构；51、调节电机；52、主动齿轮；53、从动齿轮；54、调节轴；55、限位件；60、控制机构；70、光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

本实施例提供了一种提高旋转靶材20利用率的溅射方法，可以用于旋转靶材20进行磁控溅射，以延长靶材20的使用寿命，提高靶材20的利用率。

具体地，如图1所示，本实施例中提高旋转靶材20利用率的溅射方法包括：

S1：在线获取位于真空室10内靶材20的形貌信息；

S2：根据靶材20的形貌信息，自动生成靶材20的外径形貌拟合图；

S3：根据外径形貌拟合图，自动控制靶材20轴向各处的磁场强度，以使靶材20均匀消耗。

本实施例中，通过调整靶材20轴向各处的磁强强度，可以调整靶材20轴向各处的材料刻蚀速度，有利于使靶材20各处材料刻蚀速度均匀，从而延长靶材20的使用寿命，提高靶材20利用率。利用通过在线获取靶材20的形貌信息，不需要对真空室10破除真空后取出靶材20，调整更方便，且有利于提高调整频率，从而能够及时调整靶材20轴向各处的磁场强度，有利于增大靶材20利用率的调整幅度。此处需要说明的是，在线获取靶材20的形貌信息可以在溅射过程中获取，也可以在生产间隙期间获取。其中，生产间隙是指未进行溅射的时间段。

为方便获取靶材20的形貌信息，如图2所示，选取靶材20上沿轴向排列的多个采集点，获取每个采集点处靶材20的径向尺寸，即每个采集点处靶材20的直径。根据多个采集点处的直径，可以通过拟合获取靶材20的外径形貌拟合图，如图3所示。通过分析该外径形貌拟合图可以获取靶材20表面刻蚀深度变化，从而方便根据靶材20表面实际刻蚀深度，调整各处磁场强度，从而达到靶材20均匀刻蚀的目的。

进一步地，为使磁场调节更合理，在获取外径形貌拟合图后，可以根据靶材20表面各位置外径的变化，获取刻蚀均匀位置以及刻蚀深点的位置。具体地，靶材20外径的差值较小区域可以认定为刻蚀均匀位置，该区域内靶材20外径基本相同。与刻蚀均匀位置处靶材20外径的差值较大的位置可认定为刻蚀深点位置，刻蚀深点位置处靶材20的直径小于刻蚀均匀位置处靶材20的直径。

因不同刻蚀深点位置处靶材20的刻蚀深度可能不同，为使磁场强度调整与靶材20的实际情况更匹配，在减弱与刻蚀深点对应位置处的磁场强度时，根据刻蚀深点与刻蚀均匀位置处靶材20的尺寸差，获取与该尺寸差所在差值区间对应的磁场强度减弱值，根据磁场强度减弱值调整与刻蚀深点对应位置处的磁场强度，以使磁场的强度变化与刻蚀深度更匹配。

此处需要说明的是，与差值区间对应的磁场强度减弱值可以根据实验获取，以使磁场强度调整后靶材20的利用率更高。

可选地，当刻蚀深点与刻蚀均匀位置的尺寸差为0.5mm-1.5mm时，磁场强度减弱值为140Gs-160Gs，例如145Gs、150Gs或155Gs；

当刻蚀深点与刻蚀均匀位置的尺寸差为1.5mm-2.5mm时，磁场强度减弱值为280Gs-320Gs，例如285Gs、290Gs、295Gs、300Gs、305Gs、310Gs或315Gs。

示例性地，靶材20的原始外径为145mm，图3为某次生产间隙时获得的靶材20外径形貌拟合图，根据图3可知，刻蚀均匀位置处靶材20的外径约为138.5mm，靶材20上存在四处刻蚀深点，刻蚀深点的点位大致位于100mm、330mm、650mm和880mm。其中，100mm和880mm点位处的刻蚀深度与刻蚀均匀位置处的尺寸差约为2mm，330mm和650mm点位处的刻蚀深度与刻蚀均匀位置处的尺寸差约为1mm。对应地，将与100mm和880mm点位对应位置处的磁强强度减弱300Gs，与330mm和650mm点位对应位置处的磁强强度减弱150Gs。

通过定期重复上述调整动作，可以在出现刻蚀深点时对磁场强度进行调节，从而实现整个周期内靶材20均匀刻蚀，延长靶材20的使用寿命，提高靶材20利用率。

可以理解的是，定期可以是每次生产间隙均进行调节，也可以每间隔指定个生产间隙后进行调节，具体可以根据实际需要确定。

实施例二

本实施例提供了一种溅射设备，可以采用实施例一中提高旋转靶材20利用率的溅射方法。

如图4和图5所示，该溅射设备包括真空室10、靶材20、磁控组件30、检测机构40和调节机构50。真空室10内可以抽真空，以为靶材20溅射提供真空环境。靶材20转动设置于真空室10内。靶材20中空，其内设置有腔体，磁控组件30设置于靶材20的腔体内。当溅射设备使用时，待镀膜工件设置于靶材20的下方。靶材20表面被轰击后发生溅射，溅射的粒子在磁控组件30产生的磁场作用下，向指定方向漂移，从而增加溅射率，实现工件镀膜。

为避免靶材20局部的材料被过渡刻蚀而迫使靶材20的寿命过早终结，本实施例中，溅射设备还包括检测机构40和调节机构50。检测机构40设置于真空室10内，用于检测旋转靶材20的形貌信息。调节机构50被配置为根据检测机构40的检测结果选择性调整靶材20轴向各处的磁场强度。本实施例中，通过检测机构40获取靶材20表面的刻蚀深度，通过调节机构50降低与刻蚀较深位置对应的磁场强度，以降低溅射过程中刻蚀较深位置处靶材20的溅射程度，从而相对减少刻蚀较深位置处靶材20的消耗，以保证靶材20的有效寿命。

可选地，磁控组件30包括沿靶材20轴向排布的多个磁场调节点，调节磁场强度时，降低与刻蚀较深位置正对的磁场调节点处的磁场强度或距离刻蚀较深位置最近的磁场调节点处的磁强强度。

如图4所示，溅射设备还包括控制机构60，控制机构60分别与检测机构40和调节机构50电连接。检测机构40将获取的靶材20的形貌信息发送至控制机构60，控制机构60对形貌信息进行分析和处理，并控制调节机构50启动，以调节对应位置处的磁强强度。

为方便控制机构60、检测机构40和调节机构50之间的信号传递，控制机构60可以通过光纤70分别与检测机构40和调节机构50通讯连接。

为方便获取靶材20的外貌信息，检测机构40包括导轨41、检测件42和检测驱动件。导轨41设置于真空室10内且沿靶材20的轴向延伸；检测件42滑动设置于导轨41上，用于检测检测件42到靶材20之间的径向距离。检测驱动件的输出端与检测件42连接，用于驱动检测件42沿导轨41滑动，以便检测件42在沿导轨41滑动过程中获取靶材20上沿轴线多个采集点到检测件42的径向距离。

可以理解的是，在检测件42沿导轨41滑动的速度不变的基础上，设定检测件42的检测频率，可以确定采集点的数量以及位置。采集频率越高，采集点数量越多，测量的准确度越高，调整结果越准确。

可选地，检测件42可以为激光测距仪。其他实施例中，检测件42也可以为其他能够检测其余靶材20表面距离的传感器。

可选地，检测驱动件可以为气缸、直线电机、齿轮齿条传动机构或丝杠螺母传动机构，只要能够实现检测件42沿导轨41滑动即可。

因溅射设备启动时，靶材20将向周围溅射粒子，为了避免粒子附着于检测件42表面而影响检测件42的检测精度，检测机构40还包括移动挡板43，移动挡板43活动设置于检测件42与靶材20之间，移动挡板43被配置为在靶材20溅射时将靶材20与检测件42隔开，避免溅射的粒子附着在检测件42表面，从而保证生产间隙时检测件42的检测精度，以改善靶材20利用率。

可选地，移动挡板43可以滑动设置于真空室10内。当溅射设备工作时，移动挡板43滑动至检测件42和靶材20之间，以遮挡溅射的粒子；当溅射设备位于生产间隙时，移动挡板43滑动至避让位置，以使检测件42在沿导轨41滑动过程中，检测件42能够直接与靶材20正对，以进行检测。

其他实施例中，移动挡板43可以转动设置于真空室10内。具体地，移动挡板43可以绕移动挡板43的一端转动。当移动挡板43转动至水平位置时，移动挡板43位于检测件42和靶材20之间，以遮挡溅射的粒子。当移动挡板43转动至竖直位置时，移动挡板43位于靶材20和检测件42的旁侧，以使检测件42与靶材20正对。

为使磁控组件30具有多个磁场调节点，磁控组件30包括磁轭31和磁铁阵列。磁轭31设置于靶材20的腔体内，磁铁阵列设置于磁轭31上。其中，磁铁阵列包括以阵列方式排布的多个磁铁32，可选地，磁铁阵列包括至少三列磁铁32。调节机构50包括多个调节组件，调节组件的输出端与磁轭31连接，调节组件用于驱动磁轭31沿靶材20的径向靠近或远离靶材20。磁轭31是一种软磁材料，当调节组件的输出端沿靶材20的径向移动时，会带动与调节组件输出端连接的磁轭31位置变形，从而改变该变形位置附近的磁铁32与靶材20表面的距离，从而调整靶材20表面处的磁场强度，以改变溅射时该部分靶材20材料的刻蚀程度。通过设置多个调节组件，可以实现多个磁场调节点处磁场强度的单独调整，以更好改善靶材20利用率。

可选地，调节组件的数量可以设置为4-30个，例如6个、8个、10个、12个、14个、16个、18个、20个、22个、24个、26个或28个。每个调节组件均对应一个磁场强度调节位置。通过设置4-30个调节组件，靶材20对应的磁场调节位置较多，有利于准确调节靶材20上各处位置刻蚀的深浅程度，从而有利于靶材20均匀消耗。

可选地，磁轭31可以设置一个，也可以设置两个以上，均可以实现多个位置处磁场强度的调节。

为避免磁轭31、磁铁32或调节组件接触到水，磁控组件30还包括封装结构33，封装结构33设置于靶材20内，封装结构33形成有密封腔室，磁轭31和磁铁32设置于密封腔室内。

可选地，调节组件包括调节电机51、主动齿轮52、从动齿轮53和调节轴54。调节电机51、主动齿轮52和从动齿轮53均设置于密封腔室内。主动齿轮52与调节电机51的输出轴传动连接；从动齿轮53与封装结构33转动连接，并与主动齿轮52啮合；调节轴54与从动齿轮53同轴设置且螺纹配合，调节轴54的一端与磁轭31连接，另一端沿调节轴54的轴向滑动连接于封装结构33。调节电机51驱动主动齿轮52转动，主动齿轮52通过与从动齿轮53啮合带动从动齿轮53转动。因从动齿轮53与调节轴54螺纹连接，且调节轴54只能相对封装结构33沿轴向滑动，从而使从动齿轮53转动时，调节轴54将沿其自身轴向移动，以带动磁轭31靠近或远离靶材20的侧壁，实现磁场强度调整。

进一步地，本实施例中，从动齿轮53和主动齿轮52均为锥齿轮，从动齿轮53的轴线沿靶材20的轴线延伸，主动齿轮52的轴线沿靶材20的轴线延伸，以减小调节组件在靶材20径向的尺寸，进而减小封装结构33的径向尺寸。

调节组件还包括限位件55，限位件55设置于封装结构33上，调节轴54的另一端滑动穿过限位件55，限位件55能与从动齿轮53的端面抵接，以将从动齿轮53压向主动齿轮52，并限制从动齿轮53沿靶材20的径向移动。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。