一種提高磁控滅射矩形靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高磁控滅射矩形靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，靶上有條形環(huán)狀的刻蝕環(huán)，圓形基板面對(duì)所述矩形靶，在所述矩形靶兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)置第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，包括如下內(nèi)容：圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度之間同時(shí)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且圓形基板由第一折返點(diǎn)1同時(shí)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到達(dá)第二折返點(diǎn)2的時(shí)長(zhǎng)為第一時(shí)長(zhǎng)t1;當(dāng)圓形基板在第一折返點(diǎn)1或第二折返點(diǎn)2處時(shí)，圓形基板停留第二時(shí)長(zhǎng)t2僅作勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)第一時(shí)長(zhǎng)h和第二時(shí)長(zhǎng)t2的比例，使得圓形基板的薄膜厚度均勻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠提高薄膜厚度均勻性的技術(shù)效果。
【專利說明】一種提高磁控濺射矩形靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及薄膜制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種提高磁控濺射矩形靶膜厚均勻性的 基板運(yùn)動(dòng)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 絕大多數(shù)薄膜在應(yīng)用時(shí)，其厚度均勻性都必須滿足某種程度的要求。濺射是一種 常用的薄膜制備方法，為提高膜厚均勻性，通常是根據(jù)濺射靶的形狀(平面圓形靶、矩形靶、 對(duì)向靶、空心陰極靶等），采用合適的基板-靶相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法，并優(yōu)化基板和靶的相對(duì)幾何 方位和距離。
[0003] 對(duì)于矩形平面濺射靶，目前所采用的基板運(yùn)動(dòng)方式主要有直線掃描式、圓周旋轉(zhuǎn) 掃描式、行星運(yùn)動(dòng)式(公自轉(zhuǎn)聯(lián)合運(yùn)動(dòng))等方式。無論哪種方式，由于基板的中心都穿靶心而 過，沉積的薄膜最厚，而基板上離中心越遠(yuǎn)的邊緣位置，遠(yuǎn)離靶心而穿過，沉積的薄膜越薄。
[0004] Practical magnetron sputtering system for the deposition of optical multilayer coatings，Applied 0ptics，31(19): 1992，3784 報(bào)道，對(duì)于固定在圓筒形 真空室側(cè)壁上尺寸為15cmX46cm的矩形祀，當(dāng)祀固定不動(dòng)時(shí)，膜厚非均勻性優(yōu)于5%的 區(qū)域僅在5cmX10cm的橢圓形內(nèi)；而當(dāng)基板架左右扭動(dòng)時(shí)，4%膜厚均勻性的面積增大到 IOcmX 18cm。
[0005] 膜厚也可采用理論計(jì)算，多篇文獻(xiàn)已經(jīng)證明，計(jì)算的結(jié)果可以和實(shí)際情況高度 一致。對(duì)于尺寸為180mmX60mmX5mm的平面矩形靶，其濺射跑道類似于田徑場(chǎng)，直邊長(zhǎng) 100mm,彎道處內(nèi)徑T 1=IOmm,外徑r2=25mm。當(dāng)基板固定在革巴上方70mm不動(dòng)時(shí),直徑IOOmrn 基板上膜厚分布如圖1所示。該分布如同一個(gè)微微張開的河蛘的三維形狀，即，膜厚沿靶的 長(zhǎng)邊方向的變化較為平緩，而在短邊方向的變化十分劇烈，特別是在短邊的最末端，基板的 邊緣已經(jīng)超出了濺射環(huán)的有效區(qū)域，此處的膜厚僅有中心處的50%左右。
[0006] 當(dāng)基板在靶的左右兩側(cè)對(duì)稱位置來回直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)（高度70mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)間距 60mm)，膜厚分布如圖2所示。與基板固定相比，膜厚分布并沒有多大的改善，仍然像一只河 蛘，只是張開的角度變大了一些。在該分布下，邊緣處的膜厚僅相當(dāng)于中心處的57%左右。
[0007] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中，在采用磁控濺射法在基板上生成薄膜時(shí)，存在薄膜的厚度不均 勻的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明實(shí)施例通過提供一種提高磁控濺射靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，解決了 現(xiàn)有技術(shù)中在采用磁控濺射法在基板上生成薄膜時(shí)，存在薄膜的厚度不均勻的技術(shù)問題， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠提高薄膜厚度均勻性的技術(shù)效果。
[0009] 本發(fā)明實(shí)施例提供 一種提高磁控濺射矩形靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，靶上有條形環(huán)狀的刻蝕環(huán)，圓 形基板面對(duì)所述矩形靶，在所述矩形靶兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)置第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2之 間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其特征在于，包括如下內(nèi)容： 圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度之間同時(shí)進(jìn)行勻速直線 運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且圓形基板由第一折返點(diǎn)1同時(shí)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 到達(dá)第二折返點(diǎn)2的時(shí)長(zhǎng)為第一時(shí)長(zhǎng)A; 當(dāng)圓形基板在第一折返點(diǎn)1或第二折返點(diǎn)2處時(shí)，圓形基板停留第二時(shí)長(zhǎng)t2僅作勻速 自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 調(diào)節(jié)第一時(shí)長(zhǎng)h和第二時(shí)長(zhǎng)t2的比例，使得圓形基板的薄膜厚度均勻。
[0010] 進(jìn)一步地，當(dāng)?shù)谝徽鄯迭c(diǎn)1與第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度增大時(shí)，調(diào)節(jié)第二 時(shí)長(zhǎng)t2減小。
[0011] 進(jìn)一步地，圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度之間進(jìn) 行勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，是沿垂直所述矩形靶長(zhǎng)邊方向的中心軸線運(yùn)動(dòng)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述方法還包括：調(diào)節(jié)第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2之間的距離長(zhǎng)度D 以及圓形基板的勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度V和勻速自轉(zhuǎn)的速度W1，使得D/V>6 π /Wl。
[0013] 采用本發(fā)明中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，具有如下有益效果： 由于采用在圓形基板面對(duì)矩形靶放置，在矩形靶兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)置第一折返點(diǎn)1和第 二折返點(diǎn)2之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中，圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離 長(zhǎng)度之間同時(shí)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且圓形基板由第一折返點(diǎn)1同時(shí)進(jìn)行勻 速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到達(dá)第二折返點(diǎn)2的時(shí)長(zhǎng)為第一時(shí)長(zhǎng)A ;當(dāng)圓形基板在第一折 返點(diǎn)1或第二折返點(diǎn)2處時(shí)，圓形基板停留第二時(shí)長(zhǎng)t2僅作勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)第一時(shí)長(zhǎng) h和第二時(shí)長(zhǎng)t2的比例，使得圓形基板的薄膜厚度均勻，所以，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，在采用 平面矩形磁控濺射法在基板上生成薄膜時(shí)，存在薄膜的厚度不均勻的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 了能夠提高薄膜厚度均勻性的技術(shù)效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基板固定不動(dòng)時(shí)的I吳厚分布圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中基板平動(dòng)掃描時(shí)的膜厚分布圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中基板平動(dòng)掃描并快速自旋時(shí)的膜厚分布圖； 圖4為現(xiàn)有技術(shù)中基板平動(dòng)掃描并慢速自旋時(shí)的膜厚分布圖； 圖5為現(xiàn)有技術(shù)中基板沿短邊方向偏心并僅進(jìn)行自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)的膜厚分布圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中基板與靶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中基板運(yùn)動(dòng)方式下的膜厚分布圖； 其中：1為矩形靶；2為圓形基板；3為濺射環(huán)。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明實(shí)施例通過提供一種提高磁控濺射靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，解決了 現(xiàn)有技術(shù)中在采用磁控濺射法在基板上生成薄膜時(shí)，存在薄膜的厚度不均勻的技術(shù)問題， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠提高薄膜厚度均勻性的技術(shù)效果。
[0016] 為了解決上述在采用磁控濺射法在基板上生成薄膜時(shí)，存在生成的薄膜厚度不均 勻的技術(shù)問題，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì) 的說明。
[0017] 現(xiàn)有的技術(shù)中，例如，平面矩形靶材的尺寸為180_X60_X5mm，濺射跑道區(qū)直邊 長(zhǎng)100mm，彎道處內(nèi)徑!T 1=IOmm,外徑r2=25mm?；诟壬洵h(huán)中的小面圓在空間中的發(fā)射特 性滿足余弦定律的基本理論，通過MATLAB的仿真得知，當(dāng)基板面對(duì)靶一邊進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，一邊進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(靶與基板的面間距，通常也稱為靶基距為70mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)間距 120mm，直線運(yùn)動(dòng)1次自轉(zhuǎn)5圈)，由此獲得薄膜厚度分布如圖3所示。
[0018] 與僅進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)相比，膜厚均勻性有了很大的改善。由于增加了自旋，膜厚 分布像半只橢球，不再有沿矩形靶的長(zhǎng)邊和短邊之分，呈現(xiàn)極坐標(biāo)對(duì)稱。盡管基板上的薄膜 依然在邊緣處最薄，但已經(jīng)達(dá)到中心最厚處的91. 5%左右。
[0019] 要獲得上述橢球狀的膜厚分布，自旋速度要足夠快。當(dāng)其他參數(shù)不變，而將自旋次 數(shù)減少到1圈時(shí)，膜厚分布如圖4所示，橢球發(fā)生了扭曲，對(duì)稱性降低。
[0020] 而當(dāng)基板保持在上述折返點(diǎn)而僅有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(沿短邊方向偏心距離60mm)，膜厚 分布如圖5所示。此時(shí)，膜厚分布完全顛倒。由于基板邊緣處能夠通過旋轉(zhuǎn)掃過濺射環(huán)，其 膜厚反而最厚。反之，基板中心遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離在濺射環(huán)之外，此處的膜厚不是最厚而是最薄，為 邊緣處91%左右。
[0021] 通過上述分析可見，當(dāng)基板僅僅在靶兩側(cè)往復(fù)掃描/自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，基板中心處的 膜厚最厚，并沿徑向低次減??；而當(dāng)基板中心偏離到濺射環(huán)外僅做自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，反而是基板 中心的膜厚最薄?；谶@兩種正好相反的膜厚分布，本發(fā)明提出將上述兩種運(yùn)動(dòng)方式結(jié)合 在一起，進(jìn)行膜厚補(bǔ)償以獲得更好膜厚分布的方法。
[0022] 因此，在本發(fā)明實(shí)施例一中，采用如圖6所示的圓形基板與180_X60_X5mm的 矩形靶，靶基距采用70mm，設(shè)置兩個(gè)折返點(diǎn)之間的距離D為120mm。首先將圓形基板移動(dòng)到 偏心距為60_處，待銅靶預(yù)濺射3分鐘后，打開擋板(未畫出），由電機(jī)(未畫出)驅(qū)動(dòng)基板在 兩個(gè)折返點(diǎn)之間以均勻的線速度V=20mm/s進(jìn)行直線掃描運(yùn)動(dòng)，則直線運(yùn)動(dòng)1次需要6s。在 直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由電機(jī)(未畫出)驅(qū)動(dòng)基板以0. 8r/s的速度進(jìn)行勻速自旋。當(dāng)?shù)竭_(dá)任何一 個(gè)折返點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉電機(jī)1使得基板僅做〇.8r/s自旋，并保持36s時(shí)長(zhǎng)。在上述基板運(yùn)動(dòng)方 式下，膜厚分布如圖7所示，膜厚非均勻性小于3%。
[0023] 實(shí)施例二中，與實(shí)施例一相比，僅改變往復(fù)掃描的間距D，有實(shí)施例一的120mm增 大到140mm，則與之相補(bǔ)償?shù)钠淖赞D(zhuǎn)時(shí)間有所縮短，為12s，在該實(shí)施例二中，膜厚非均勻 性接近3%。
[0024] 采用磁控濺射法對(duì)基板進(jìn)行濺射時(shí)，具體可以是直流磁控濺射，射頻磁控濺射，中 頻磁控濺射，以及脈沖磁控濺射等，在本發(fā)明實(shí)施例中就不再詳細(xì)贅述了。
[0025] 因此，通過采用本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，不僅簡(jiǎn)單易行，對(duì)于矩形靶，可將直徑 為IOOmm的整個(gè)圓基板上膜厚的非均勻性控制在3%-4%之內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)大面積的膜厚均勻性。
【權(quán)利要求】
1. 一種提高磁控濺射矩形靶膜厚均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，靶上有條形環(huán)狀的刻蝕環(huán)， 圓形基板面對(duì)所述矩形靶，在所述矩形靶兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)置第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2 之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其特征在于，包括如下內(nèi)容： 圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度之間同時(shí)進(jìn)行勻速直線 運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且圓形基板由第一折返點(diǎn)1同時(shí)進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 到達(dá)第二折返點(diǎn)2的時(shí)長(zhǎng)為第一時(shí)長(zhǎng)A; 當(dāng)圓形基板在第一折返點(diǎn)1或第二折返點(diǎn)2處時(shí)，圓形基板停留第二時(shí)長(zhǎng)t2僅作勻速 自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 調(diào)節(jié)第一時(shí)長(zhǎng)h和第二時(shí)長(zhǎng)t2的比例，使得圓形基板的薄膜厚度均勻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高磁控濺射矩形靶膜厚度均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，其特征 在于，當(dāng)?shù)谝徽鄯迭c(diǎn)1與第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度增大時(shí)，調(diào)節(jié)第二時(shí)長(zhǎng)t 2減小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高磁控濺射矩形靶膜厚度均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，其特征 在于，圓形基板在第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2相距為D的距離長(zhǎng)度之間進(jìn)行勻速直線運(yùn) 動(dòng)時(shí)，是沿垂直所述矩形靶長(zhǎng)邊方向的中心軸線運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高磁控濺射矩形靶膜厚度均勻性的基板運(yùn)動(dòng)方法，其特征 在于，所述方法還包括： 調(diào)節(jié)第一折返點(diǎn)1和第二折返點(diǎn)2之間的距離長(zhǎng)度D以及圓形基板的勻速直線運(yùn)動(dòng)的 速度V和勻速自轉(zhuǎn)的速度W1，使得D/V>6 π /V1。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK104213093SQ201410487017
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】杜曉松, 郭攀, 趙瑾珠, 孫鳳佩, 袁歡, 蔣亞東 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)