專利名稱：一種改善磁控濺射膜厚均勻性的方法
一種改善磁控栽射膜厚均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)城
本發(fā)明涉及電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改善磁控濺射膜厚均勻性的方法。
背景技術(shù)：
在各種濺射鍍膜技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)是最重要的技術(shù)之一，為了制備大 面積均勻且批量一致好的薄膜，大量的研究人員釆用優(yōu)化靶基距、改變基片運(yùn) 動方式、實(shí)行膜厚監(jiān)控等措施。多工位磁控濺射鍍膜儀器由于其速度比可調(diào)以 及同時(shí)制作多個(gè)基片，效率大大提高，被越來越多的重視和使用。
X. Q. Meng研究小組為了達(dá)到制備大面積均勻薄膜目的，根據(jù)實(shí)際磁控濺射 情形從理論上推導(dǎo)出薄膜厚度分布公式。根據(jù)他們的公式可得基片距離靶越 遠(yuǎn)，薄膜的均勻性越好。 一般在距離L0.8R2(R2為靶上刻蝕環(huán)的外徑)時(shí)，薄 膜的均勻性已非常好。同時(shí)，作者還指出轟擊靶材的入射粒子的能量與薄膜 的沉積速率、均勻性之間無緊密關(guān)系。
范正修等人系統(tǒng)的論述了磁控濺射薄膜的厚度分布，從理論上分析了固定基 片，基片轉(zhuǎn)動以及自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)三種狀態(tài)下的膜厚分布，計(jì)算結(jié)果表明，膜厚分 布很大程度上取決于基體高度。適當(dāng)調(diào)節(jié)基體高度和靶的距離，可以得到很好 的膜厚均勻性。
對于平面真空濺射鍍膜系統(tǒng)，基片上靠近圓心的位置薄膜通常較厚，張?zhí)K淮 等人通過挖孔改變靶的形狀，使把中央的沉積速率被削弱，計(jì)算并實(shí)驗(yàn)證實(shí)在 圓形耙和正方形耙中間開大小不同的孔，可以得到均勻性小于3°/。的薄膜，薄膜 的均勻性與開孔的大小和靶基距相關(guān)。在實(shí)際鍍膜中，有時(shí)靶材料是不宜中間 開孔的，而且對于石茲控賊射系統(tǒng)，耙材存在明顯的刻蝕跑道，所以在實(shí)際生產(chǎn) 中通過改變靶形狀來改善膜厚均勻性的方法是行不通的。
因此找到一種能改善膜厚均勻性并且可行的方法是非常有必要且具有重要 意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種改善磁控濺射膜厚均勻性的方法， 該方法能計(jì)算出修正擋板的最佳參數(shù)，并將磁控濺射鍍膜系統(tǒng)制備的膜厚均勻性 將到3%以下。
本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種改善磁控濺射膜厚均勻 性的方法，其特征在于，是在基片與靶材兩個(gè)平面中間設(shè)置修正擋板，基片、 靶材和修正擋板同心，具體包括以下步驟
步驟1 確定平面磁控賊射系統(tǒng)設(shè)備中的靶材在基片上某點(diǎn)的相對膜厚
設(shè)M為基片上任一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x，，y，)， ds為M點(diǎn)的微小面元，N為濺
射跑道區(qū)內(nèi)一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x,y)， dcj為N點(diǎn)的微小面元，在單位時(shí)間內(nèi)，該小
面元在ds上沉積的薄膜厚度t可以用公式表示為
—mcos6^cosy5 _附/z2 (1) ;r/ r2 ，r4
其中，m是單位時(shí)間內(nèi)小面元濺射出鍍膜材料的總質(zhì)量，數(shù)值上等于該點(diǎn)濺 射速率與時(shí)間的乘積，e是膜料份子對沉積面元的入射角，即面元ds法線與入射 原子方向的夾角，p是濺射原子的發(fā)射角，p是靶材的密度，r是濺射面元和沉積 面元之間的距離；
步驟2在基片進(jìn)行網(wǎng)格劃分
在基片半徑上等距離的選取16個(gè)點(diǎn)，在X-Y坐標(biāo)系下，起點(diǎn)為(-r，O),終 點(diǎn)(0,0 ),基片自轉(zhuǎn)，角速度為Wz，將一個(gè)周期2兀/Wz劃分為20個(gè)間隔，追蹤 每個(gè)點(diǎn)M在每個(gè)時(shí)間段末尾的位置坐標(biāo)(x。,y());
步驟3 在輩巴上進(jìn)行網(wǎng)格劃分
對于矩形跑道，在兩個(gè)條形區(qū)域直接劃分為ixj個(gè)矩形網(wǎng)格，在半環(huán)形區(qū)域， 使用半徑介于內(nèi)經(jīng)Rl和外R2之間的半圓和X方向的直線結(jié)合起來劃分；對于 圓形靶，使用極坐標(biāo)形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
步驟4建立修正擋板模型
假設(shè)基片上某點(diǎn)運(yùn)動到M ( x。,y(,),靶上點(diǎn)N(x，y)與M的連線可以表示為x'-& = W = z'-z0 (2)
其中z，表示擋板的高度，求得直線和擋板平面的交點(diǎn)(x，,y，,z，)； 步驟5確定擋板的形狀 ①矩形擋板
矩形長寬分別為2b和2a,當(dāng)-b<x，<b JL-a<y，<a時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，認(rèn) 為濺射原子被阻擋，不計(jì)算在內(nèi)，當(dāng)a二b時(shí)，得到正方形擋板的模型； ②橢圓形擋板
橢圓的長軸和短軸的長度分別為f和g,當(dāng)《+ 4 < 1時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，
<formula>formula see original document page 6</formula>
當(dāng)—g時(shí)，得到圓形擋板的模型； 步驟6 求解最優(yōu)擋板參數(shù)
對于膜厚分布的均勻性通過使用通用公式(3)表達(dá)
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，Max和Min分別表示基片上膜厚度的最大和最小值，由上面的模型 計(jì)算出來的每種擋板參數(shù)下，薄膜厚度均勻性偏差G,其中G取最小值的時(shí)候 就是最優(yōu)的擋板參數(shù)。
該方法用于平面磁控賊射鍍膜設(shè)備，基片自轉(zhuǎn)，擋板的形狀可以選取圓形、 橢圓形、矩形等規(guī)則形狀以及不規(guī)則形狀。耙的形狀主要包括圓形、矩形，耙 材料可以選取單金屬靶材、合金靶材以及化合物靶材。
本發(fā)明的有益效果通過在基片與陰極靶兩個(gè)平面中間增加修正擋板，一 定程度上減少了基片上靠近圓心處的沉積速率，從而實(shí)現(xiàn)均勻性的優(yōu)化和改進(jìn)。 建立了較為接近實(shí)際情況的擋板理論模型，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)膜厚最佳均勻性的擋板 參數(shù)。使用本方法制備的薄膜厚度均勻性最好可以達(dá)到3%以下。


圖1是平面磁控賊射鍍膜系統(tǒng)擋板模型圖，其中1是基片，2是擋板，3是 耙，基片、耙、擋板中心同軸。圖2是矩形靶網(wǎng)格劃分圖，其中L是條形跑道的長度，Rl和R2分別表示 圓環(huán)跑道的內(nèi)、外半徑。 圖3是圓形靶示意圖。
圖4是不加擋板時(shí)磁控賊射沉積膜厚分布隨耙基距的變化圖。 圖5是選擇正方形擋板時(shí)，不同邊長的擋板下沉積膜厚分布圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述 本發(fā)明的一種通過使用修正擋板改善磁控濺射薄膜厚度均勻性的方法，采用 下面的步驟
步驟(1)確定平面矩形粑磁控賊射系統(tǒng)在平面上某點(diǎn)的相對膜厚
P為基片上任一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x，，y，)。 ds為P點(diǎn)的微小面元。Q為濺射跑 道區(qū)內(nèi)一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x， y)， do為Q點(diǎn)的微小面元。單位時(shí)間內(nèi)，該小面元 在ds上沉積的薄膜厚度可以用公式M表示為
_附C0sPC0Sy3 —勵2 (1)
r — ^ — ^
m是單位時(shí)間內(nèi)小面元濺射出鍍膜材料的總質(zhì)量，數(shù)值上等于該點(diǎn)'減射速率與
時(shí)間的乘積。e是膜料份子對沉積面元的入射角。即面元ds法線與入射原子方
向的夾角，P是濺射原子的發(fā)射角，p是靶材的密度，r是濺射面元和沉積面元 之間的3巨離。
步驟(2)基片上的網(wǎng)格劃分
在基片半徑上等距離的選取16個(gè)點(diǎn)，在X-Y坐標(biāo)系下，起點(diǎn)為(-r,O),終 點(diǎn)(O, 0)?；赞D(zhuǎn)，角速度為Wz,將一個(gè)周期2兀/Wz劃分為20個(gè)間隔，追 蹤每個(gè)點(diǎn)M在每個(gè)時(shí)間段末尾的位置坐標(biāo)(xo，y(,)。 步驟(3)靶上的網(wǎng)格劃分
由于石茲控賊射的刻蝕近似只發(fā)生在跑道上，矩形草巴的賊射跑道如圖2所示， 對于矩形跑道區(qū)域劃分網(wǎng)+各的方法如下，兩個(gè)條形區(qū)域可以直接劃分為ixj個(gè)矩 形網(wǎng)格，對于半環(huán)形區(qū)域，^吏用半徑介于R1和R2之間的半圓和X方向的直線結(jié)合起來劃分。圓形耙的賊射跑道如圖3所示，網(wǎng)格劃分使用極坐標(biāo)形式。 步驟(4)增加的修正擋板模型
假設(shè)基片上某點(diǎn)運(yùn)動到M ( xo,yo ),靶上點(diǎn)N(x，y)與M的連線可以表示為
<formula>formula see original document page 8</formula>其中z，表示擋板的高度，可以求得直線和擋板平面的交點(diǎn)(x，,y，,z，) 步驟(5)確定擋板的形狀
最常見的擋板形狀分為矩形和橢圓形兩種，兩種形狀下的計(jì)算算法如下
① 矩形擋板
矩形長寬分別為2b和2a，當(dāng)-b<x，<b iL-a<y，<a時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，認(rèn)為濺射 原子被阻擋，不計(jì)算在內(nèi)，當(dāng)a二b時(shí)，得到正方形擋板的模型。如圖5，不同邊 長的擋板下沉積膜厚分布圖，不加擋板時(shí)^t控賊射沉積膜厚分布隨靶基距的變 化圖如圖4所示。
② 橢圓形擋板
橢圓的長軸和短軸的長度分別為f和g。
當(dāng)《+ 4<1時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，當(dāng)f二g時(shí)，得到圓形擋板的模型。 .廣 ^
步驟6、求解最優(yōu)擋板參數(shù)
對于膜厚分布的均勻性可以通過使用通用公式(3)表達(dá)<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，Max和Min分別表示基片上膜厚度的最大和最小值。由上面的模型 計(jì)算出來的每種擋板參數(shù)下，薄膜厚度均勻性偏差G,其中G取最小值的時(shí)候 就是最優(yōu)的擋板參數(shù)。
以矩形靶為例，選取靶材的長寬分別為250mm和50mm,基片的直徑為 150mm。靶基距為100mm。在圖2中，矩形耙的跑道條形長度為200mm，跑道 兩個(gè)半圓區(qū)域，小圓半徑Rl是10mm,大圓半徑R2是20mm。 通過上述模型的算法進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)果 (1 )不使用擋板時(shí)，膜厚均勻性達(dá)到8%。(2) ^吏用矩形擋^反時(shí)，擋^反寬20mm、長60mm,高度34mm時(shí)，均值達(dá) 到最小值2.92%。
(3) 使用橢圓形擋板時(shí)，擋板長軸96mm、短軸20mm,高度27mm時(shí)' 均值達(dá)到最小值3.73%。
權(quán)利要求
1、一種改善磁控濺射膜厚均勻性的方法，其特征在于，是在基片與靶材兩個(gè)平面中間設(shè)置修正擋板，基片、靶材和修正擋板中心同軸，具體包括以下步驟步驟1確定平面磁控濺射系統(tǒng)設(shè)備中的靶材在基片上某點(diǎn)的相對膜厚設(shè)M為基片上任一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x’，y’)，ds為M點(diǎn)的微小面元，N為濺射跑道區(qū)內(nèi)一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x，y)，dσ為N點(diǎn)的微小面元，在單位時(shí)間內(nèi)，該小面元在ds上沉積的薄膜厚度t可以用公式表示為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>m</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>&theta;</mi><mi>cos</mi><mi>&beta;</mi> </mrow> <mrow><mi>&pi;&rho;</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>mh</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>&pi;&rho;r</mi><mn>4</mn> </msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中，m是單位時(shí)間內(nèi)小面元濺射出鍍膜材料的總質(zhì)量，數(shù)值上等于該點(diǎn)濺射速率與時(shí)間的乘積，θ是膜料份子對沉積面元的入射角，β是濺射原子的發(fā)射角，ρ是靶材的密度，r是濺射面元和沉積面元之間的距離；步驟2在基片進(jìn)行網(wǎng)格劃分在基片半徑上等距離的選取16個(gè)點(diǎn)，在X-Y坐標(biāo)系下，起點(diǎn)為(-r，0)，終點(diǎn)(0，0)，基片自轉(zhuǎn)，角速度為Wz，將一個(gè)周期2π/Wz劃分為20個(gè)間隔，追蹤每個(gè)點(diǎn)M在每個(gè)時(shí)間段末尾的位置坐標(biāo)(x0，y0)；步驟3在靶上進(jìn)行網(wǎng)格劃分對于矩形跑道，在兩個(gè)條形區(qū)域直接劃分為i×j個(gè)矩形網(wǎng)格，在半環(huán)形區(qū)域，使用半徑介于內(nèi)經(jīng)R1和外R2之間的半圓和X方向的直線結(jié)合起來劃分；對于圓形靶，使用極坐標(biāo)形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分；步驟4建立修正擋板模型假設(shè)基片上某點(diǎn)運(yùn)動到M(x0，y0)，靶上點(diǎn)N(x，y)與M的連線可以表示為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msup> <mi>x</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>x</mi><mo>-</mo><msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>y</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>y</mi><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>z</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>z</mi><mo>-</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中z’表示擋板的高度，求得直線和擋板平面的交點(diǎn)(x’，y’，z’)；步驟5確定擋板的形狀①矩形擋板矩形長寬分別為2b和2a，當(dāng)-b＜x’＜b且-a＜y’＜a時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，認(rèn)為濺射原子被阻擋，不計(jì)算在內(nèi)，當(dāng)a＝b時(shí)，得到正方形擋板的模型；②橢圓形擋板橢圓的長軸和短軸的長度分別為f和g，當(dāng) id="icf0003" file="A2009101677030003C1.tif" wi="20" he="10" top= "46" left = "123" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>時(shí)，點(diǎn)P在擋板內(nèi)部，當(dāng)f＝g時(shí)，得到圓形擋板的模型；步驟6求解最優(yōu)擋板參數(shù)對于膜厚分布的均勻性通過使用通用公式(3)表達(dá)<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi> </mrow> <mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中，Max和Min分別表示基片上膜厚度的最大和最小值，由上面的模型計(jì)算出來的每種擋板參數(shù)下，薄膜厚度均勻性偏差G，其中G取最小值的時(shí)候就是最優(yōu)的擋板參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善磁控濺射膜厚均勻性的方法，是在基片與靶材兩個(gè)平面中間設(shè)置最佳修正擋板，基片、靶材和修正擋板中心同軸，建立較為接近實(shí)際情況的擋板理論模型，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)膜厚最佳均勻性的擋板參數(shù)，一定程度上減少了基片上靠近圓心處的沉積速率，從而實(shí)現(xiàn)均勻性的優(yōu)化和改進(jìn)。
文檔編號C23C14/54GK101660134SQ20091016770
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者賀 于, 吳志明, 濤 王, 蔣亞東, 超 陳 申請人:電子科技大學(xué)