一种多功能集成的PVD镀膜设备

技术领域

本发明属于PVD镀膜设备技术领域，具体涉及一种将磁控溅射，电阻蒸发，电子束蒸发多功能集成的PVD镀膜设备。

背景技术

磁控溅射，电阻蒸发，电子束蒸发的镀膜设备，在半导体、微电子、声表器件、航空航天、激光器、太阳能、机械、生物医药等领域有着广泛应用。

现有磁控溅射，电阻蒸发，电子束蒸发的镀膜设备一般均是独立性的设备，其镀膜的专业性和精度均符合行业发展的需要。对于有同时满足三方面工艺的要求市场需求时，可采购每种工艺的设备，除成本较高以外，设备占地面积也很大，严重影响了真空镀膜产业的效率。

发明内容

针对目前现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多功能集成的PVD镀膜设备，将磁控溅射，电阻蒸发，电子束蒸发技术集成一套PVD系统，从而节省成本和减小占地面积。

本发明完整的技术方案包括：

一种多功能集成的PVD镀膜设备，包括传送系统和镀膜系统；

所述的传送系统包括进样室1和传送室2，所述镀膜系统至少包括单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6，

所述多功能集成的PVD镀膜设备的整体结构大体为环形布置方式，传送室2位于设备的中心位置，其前方连接有进样室1，周边环绕设置单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6，所述传送室2为上开门结构，在其顶部设有上盖板，所述进样室1、单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6均为前开门结构，并且腔室门均设于环形的外侧；

所述进样室1、传送室2、垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6均设有独立的抽真空机构；

进样室1内部设有工件装置1-3，工件装置用于承载工件，传送室2通过腔室接口分别与进样室1、单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6相连通，传送室2中设有机械手，机械手可将工件传送至单个工艺腔室或进样室1。

进一步的，进样室1和传送室2之间，传送室2与各个工艺腔室之间由高真空隔离阀连接。

进一步的，所述进样室1为多片进样室，可一次放置多个工件，采用前开门形式，包括位于前面的进样室门1-1，进样室门上设有进样室观察窗1-2，进样室内部设有多片工件装置1-3，多片工件装置用于承载工件，承载工件的数量≥2。

进一步的，所述传送室2具有大致为圆形形状的腔体，其前方设有与相连接的第一腔室接口2-1，第一腔室接口截面为圆形；四周设有四个与镀膜系统各腔室相连接的第二腔室接口2-2，第二腔室接口的截面为圆形；传送室2为上开口方式，顶部设有上盖板2-3，传送室2内部设有机械手2-4，机械手可将工件传送至单个工艺腔室或进样室，传送室2下方设有独立的传送室抽真空机构2-5。

进一步的，所述单靶磁控垂直溅射室采用垂直向上溅射，包括设于前方的垂直溅射室腔室门3-1，垂直溅射室腔室门上设有垂直溅射室观察窗3-2，腔室一侧连接有垂直溅射室真空机构3-5，腔室内部上方设有垂直溅射工件盘机构3-3，工件盘机构下方设有单靶枪机构3-4。

进一步的，多靶磁控共焦溅射室采用垂直向下溅射，包括设于前方的共焦溅射腔室门4-1，共焦溅射腔室门上设有共焦溅射室观察窗4-2，共焦溅射室观察窗上设有挡板，腔室一侧连接有共焦溅射室真空机构4-5，腔室内部上方设有共焦溅射工件盘机构4-3，工件盘机构下方设有多靶枪机构4-4。

进一步的，电子束蒸发室5包括设于前方的电子束蒸发腔室门5-1，电子束蒸发腔室门上设有电子束蒸发室观察窗5-2，电子束蒸发室观察窗上设有挡板，腔室一侧连接有电子束蒸发室真空机构5-5，腔室内部上方设有电子束蒸发工件盘机构5-3，工件盘机构下方设有电子束蒸发源5-4。

进一步的，电阻蒸发室6包括设于前方的电阻蒸发腔室门6-1，电阻蒸发腔室门上设有电阻蒸发室观察窗6-2，电阻蒸发室观察窗包括上观察窗和下观察窗，各观察窗上均设有挡板，腔室一侧连接有电阻蒸发室真空机构6-5，腔室内部上方设有电阻蒸发工件盘机构6-3，工件盘机构下方设有电阻蒸发源6-4。

利用所述PVD镀膜设备进行镀膜的方法，包括如下步骤：

(1)将进行单靶磁控垂直溅射工艺，多靶磁控共焦溅射工艺，电阻蒸发工艺，电子束蒸发工艺的工件放置在进样室的工件装置台上，并使进样室的抽真空系统将进样室抽至对应的真空度，传送室和各工艺腔室保持在个工艺所需的真空；

(2)打开进样室和传送室之间的高真空隔离阀，传送室的机械手旋转至进样室的方向在多片工件架上将对应的工件取至传送室，关闭进样室和传送室之间的高真空隔离阀，打开传送室和所要执行工艺所需工艺腔室之间的高真空隔离阀，机械手将工件放置工件台上，机械手回到传送室的位置，关闭传送室和所要执行工艺所需工艺腔室之间的高真空隔离阀，按照设置工艺执行镀膜工艺；

(3)镀膜工艺进行完之后，打开传送室和所执行工艺的工艺腔室之间的高真空隔离阀，传送室的机械手旋转至所执行工艺的工艺腔室的方向，并在工件台上将工件盘取至机械手上回到传送室，关闭传送室和所执行工艺的工艺腔室之间的高真空隔离阀，打开传送室和进样室之间的高真空隔离阀，机械手旋转至进样室的位置，机械手将工件盘放置多片工件架上后回到传送室，关闭传送室和进样室之间的高真空隔离阀；

(4)使用氮气将进样室放气到大气状态，可将镀完膜的工件取出，并可重新装载工件；

(5)装载工件后，将进样室门关闭，抽至所需的真空；

装载卸载工件器件不影响正在执行的其他镀膜工艺，各工艺腔室的工艺不间断的运行。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1.本发明将磁控溅射，电阻蒸发，电子束蒸发技术集成一套PVD系统，减小占地面积，降低设备采购成本。

2.同一套系统可同时实现磁控垂直溅射，共焦溅射工艺，可以实现电阻蒸发工艺，可实现电子束工艺，配合整体式传送模块，可不间断生产，提高了生产效率。

3.本发明采用对镀膜时间进行标定后据此对多个镀膜工艺进行时间管理，并且将大气含水量作为真空控制的考虑因素，采用提高了镀膜效率以及镀膜质量。

附图说明

图1为本发明多功能集成的PVD镀膜设备结构示意图。

图2为进样室结构示意图。

图3为传送室结构示意图。

图4为单靶磁控垂直溅射室结构示意图。

图5为多靶磁控共焦溅射室结构示意图。

图6为电子束蒸发室结构示意图。

图7为电阻蒸发室结构示意图。

图中：1：进样室，2：传送室，3：单靶磁控垂直溅射室，4：多靶磁控共焦溅射室，5：电子束蒸发室，6：电阻蒸发室，1-1：进样室门，1-2：进样室观察窗，1-3：多片工件装置，2-1：第一腔室接口，2-2：第二腔室接口，2-3：上盖板，2-4：机械手，2-5：传送室抽真空机构，3-1：垂直溅射室腔室门，3-2：垂直溅射室观察窗，3-3：垂直溅射工件盘机构，3-4：单靶枪机构，3-5：垂直溅射室真空机构，4-1：共焦溅射腔室门，4-2：共焦溅射室观察窗，4-3：共焦溅射工件盘机构，4-4：多靶枪机构，4-5：共焦溅射室真空机构，5-1：电子束蒸发腔室门，5-2：电子束蒸发室观察窗，5-3：电子束蒸发工件盘机构，5-4：电子束蒸发源，5-5：电子束蒸发室真空机构，6-1：电阻蒸发腔室门，6-2：

电阻蒸发室观察窗，6-3：电阻蒸发工件盘机构，6-4：电阻蒸发源，6-5：电阻蒸发室真空机构。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

本发明公开了一种多功能集成的PVD镀膜设备，如图1所示，多功能集成的PVD镀膜设备包括传送系统、镀膜系统。

所述的传送系统包括进样室1和传送室2；所述镀膜系统包括单靶磁控垂直溅射室3(垂直向上)，多靶磁控共焦溅射室4(可实现垂直向上或垂直向下两种方式的任何一种垂直溅射)，电子束蒸发室5，电阻蒸发室6均分别通过高真空隔离阀与传送室2连接。

其中进样室1的结构如图2所示，为多片进样室，可一次放置多个工件，采用前开门形式，包括位于前面的进样室门1-1，进样室门上设有进样室观察窗1-2，进样室内部设有多片工件装置1-3，多片工件装置用于承载工件，承载工件的数量≥2。

进样室1和传送室2之间由高真空隔离阀连接。传送室2结构如图3所示，具有大致为圆形形状的腔体，其前方设有与相连接的第一腔室接口2-1，第一腔室接口截面为圆形。四周设有四个与镀膜系统各腔室相连接的第二腔室接口2-2，第二腔室接口的截面为圆形。传送室2为上开口方式，顶部设有上盖板2-3，方便对其进行维护，传送室2内部设有机械手2-4，机械手可将工件传送至单个工艺腔室或进样室。传送室2下方设有独立的传送室抽真空机构2-5。

单靶磁控垂直溅射室3结构如图4所示，其为前开门结构，包括设于前方的垂直溅射室腔室门3-1，垂直溅射室腔室门上设有垂直溅射室观察窗3-2，腔室一侧连接有垂直溅射室真空机构3-5，腔室内部上方设有垂直溅射工件盘机构3-3，工件盘机构下方设有单靶枪机构3-4。

多靶磁控共焦溅射室4结构如图5所示，其同样为前开门结构，包括设于前方的共焦溅射腔室门4-1，共焦溅射腔室门上设有共焦溅射室观察窗4-2，共焦溅射室观察窗上设有挡板，腔室一侧连接有共焦溅射室真空机构4-5，腔室内部上方设有共焦溅射工件盘机构4-3，工件盘机构下方设有多靶枪机构4-4。

电子束蒸发室5结构如图6所示，其同样为前开门结构，包括设于前方的电子束蒸发腔室门5-1，电子束蒸发腔室门上设有电子束蒸发室观察窗5-2，电子束蒸发室观察窗上设有挡板，腔室一侧连接有电子束蒸发室真空机构5-5，腔室内部上方设有电子束蒸发工件盘机构5-3，工件盘机构下方设有电子束蒸发源5-4。

电阻蒸发室6结构如图7所示，其同样为前开门结构，包括设于前方的电阻蒸发腔室门6-1，电阻蒸发腔室门上设有电阻蒸发室观察窗6-2，电阻蒸发室观察窗包括上观察窗和下观察窗，各观察窗上均设有挡板，腔室一侧连接有电阻蒸发室真空机构6-5，腔室内部上方设有电阻蒸发工件盘机构6-3，工件盘机构下方设有电阻蒸发源6-4。

在本多功能集成的PVD镀膜设备的整体结构布置方向进行了优化设计，即大体为环形布置方式，传送室2位于设备的中心位置，其前方连接有进样室1，周边环绕设置单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6，不仅能实现了磁控溅射、电阻蒸发和电子束蒸发工艺连续化生产，而且最大限度的节省了空间，并且传送室2为上开门结构，在其顶部设有上盖板，而进样室、单靶磁控垂直溅射室3，多靶磁控共焦溅射室4，电子束蒸发室5和电阻蒸发室6均为前开门结构，并且其门均设于环形的外侧，方便了设备的开门维护。

进样室1、传送室2和各工艺腔室均设有独立真空系统，其中传送室2和各工艺腔室的高真空可达到一致。四个工艺腔室分别由高真空隔离阀和传送室2进行连接或隔离。四个工艺腔室可独立进行镀膜工艺。

采用上述多功能集成的PVD镀膜设备进行镀膜的方法，具体为：

使用单靶磁控垂直溅射工艺，多靶磁控共焦溅射工艺，电阻蒸发工艺，电子束蒸发工艺的工件放置在进样室的工件装置台上，并使进样室的抽真空系统将进样室抽至对应的真空度，传送室和各工艺腔室保持在个工艺所需的真空。

以单靶磁控垂直溅射工艺为例：

(1)打开进样室和传送室之间的高真空隔离阀，传送室的机械手旋转至进样室的方向在多片工件架上将对应的工件取至传送室，关闭进样室和传送室之间的高真空隔离阀，打开传送室和单靶磁控垂直溅射室之间的高真空隔离阀，机械手将工件放置工件台上，机械手回到传送室的位置，关闭传送室和单靶磁控垂直工艺腔室之间的高真空隔离阀，可按照设置工艺执行磁控溅射工艺。多靶磁控共焦溅射工艺，电阻蒸发工艺，电子束蒸发工艺可以按照此单靶磁控垂直溅射工艺的执行步骤分别进行传样和镀膜。

(2)工艺进行完之后，以单靶磁控垂直溅射工艺为例，打开传送室和单靶磁控垂直溅射工艺室之间的高真空隔离阀，传送室的机械手旋转至单靶磁控垂直溅射工艺室的方向，并在工件台上将工件盘取至机械手上回到传送室，关闭传送室和单靶磁控垂直溅射工艺室之间的高真空隔离阀，打开传送室和进样室之间的高真空隔离阀，机械手旋转至进样室的位置，机械手将工件盘放置多片工件架上后回到传送室，关闭传送室和进样室之间的高真空隔离阀。多靶磁控共焦溅射工艺，电阻蒸发工艺，电子束蒸发工艺可以按照此磁控垂直溅射工艺的执行步骤分别进行取样。

(3)使用氮气将进样室放气到大气状态，可将镀完膜的工件取出，并可重新装载工件。装载工件后，将进样室门关闭，抽至所需的真空。装载卸载工件方便且不影响正在执行的工艺，可使各工艺腔室的工艺不间断的运行。

此外，由于本发明具有多个PVD镀膜室，可以执行多个不同的镀膜工艺，而由于多个镀膜室是共用一个多片进样室和传送室，并且从低真空到高真空过程，以及镀膜工艺所需要的时间均不同，因此，为了能够高效完成多工艺的真空镀膜工艺，减少各环节的设备空转和等待时间，需要对多镀膜室的镀膜过程进行控制。具体包括：

首先对不同镀膜工艺的镀膜时间进行预标定，在实际镀膜过程中，镀膜材料可能是氧化物或者金属，或者为两者的组合，由于各类镀膜材料不同，其溅射/蒸发和沉积的速率也有所不同，为了获得更均匀和精确的镀膜时间预估，本发明在反应之前先对不同镀膜材料进行标定，具体方法为选择样品工件，记录镀膜材料与工件距离、镀膜功率、气体流量、工件数量、工件盘转速等数据。镀膜完成后测定样品的镀膜厚度及样品表面镀膜均匀性，剔除均匀性不符合要求的工件。对剩余工件分析各参数与镀膜厚度之间是否为线性关系，对存在非线性关系的参数，镀膜时采用固定参数值，对于存在线性关系的参数，记录其与镀膜厚度的线性关系，并将该关系存储于控制系统内作为预设设置，在实际镀膜过程中可以选择对应的设置。经过最终确定，选择了镀膜(溅射/蒸发)功率、镀膜时间与镀膜厚度之间存在对应的线性关系。

随后设定多片进样室中的工件装载/拆卸和抽真空时间为t

并且，由于PVD真空镀膜工艺，对真空度的要求较高，不精准的真空控制往往造成镀膜质量下降或时间增加。本发明各个腔室中抽真空时，采用压力传感器对其真空度进行检测，对进样室而言，需要将检测到的真空压强值与基准值(通常为标准大气压值)作对比，满足需求时，打开高真空隔离阀进行进样/出样操作。即利用压力传感器测定其压力值P

现有技术中，采用的基准值通常为标准大气压值，但是在实际生产中，当前时刻的实时大气压并不总是标准大气压，有研究表明，在雨季或四季交替时，实时大气压与标准大气压的偏差最大时可以达到-3％～-9％的误差，进而造成了开腔基准偏差较大，从而在开腔取样时导致产生废品。

并且现有技术进一步表明，在进行抽真空操作时，另一个重要因素是在大气环境下吸附在工件表面的气体分子在除气过程逐渐从表面逐渐释放出分子的“解吸附”的过程，对典型金属表面，除气速率与表面积成线性比例变化，并且与时间成反比。对于聚合物表面，时间行为通常遵循平方根的倒数关系。而不同气体分子在工件表面的吸附以及解吸附过程是腔室抽真空以及后续镀膜工艺质量的重要影响因素。

通过对上述过程进行研究，本发明进一步发现，在常规条件，大气中的其他分子(O

由于水分子在不同工件表面的吸附过程是个复杂的动力学问题，通常条件下难以进行精确地计算，因此本发明通过数据统计的方式，将其量化为一个相对可执行计算的指标，并设计了如下方式：

在设备周边设置环境压力和湿度传感器，分别实时采集环境大气压力和湿度值，记为P

进样室中设置压力传感器采集进样室的压强值P

式中w湿度系数，取值范围为0.1～0.15。

当k

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。