一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法

摘要

本发明公开了一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法,在矩形平面磁控溅射靶固定在真空室中，圆形基板面对矩形靶放置并绕其自身的中心轴自转，其特征在于，包括如下内容：调节圆形基板中心沿矩形靶的短边方向的偏心距D满足如下条件：D=(0.92~1.08）×(0.5 H -0.067 L +23.1)，其中，H为矩形靶距离圆形基板的距离长度，L为矩形靶的长边长度，进而实现了能够提高薄膜厚度的均匀性的技术效果。

权利要求

1.一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法, 矩形平面磁控溅射靶固定在真空室中，在矩形靶上有条形环状的刻蚀环，刻蚀环的直边长度为L，刻蚀环的两端为两个半圆，半圆的内外径分别为r1和r2，圆形基板面对矩形靶放置，面间距为H，圆形基板绕其自身的中心轴自转，其特征在于，通过调节圆形基板中心沿矩形靶短边方向的偏心距D来调节圆形基板上所沉积薄膜的均匀性, 当(L+2r2): 2r2的比值在3~8，r1: r2的比值在

0.3~0.7范围内时，D满足如下条件时基板上的膜厚非均匀性在5%以内：

D = (0.92~1.08）× (0.5 H -0.067 L +23.1)。

2.根据权利要求1所述的提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法，其特征在于，圆形基板的直径长度在小于或等于L的范围之内膜厚非均匀性在5%以内。

说明书

一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法

技术领域

[0001] 本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法。

背景技术

[0002] 绝大多数薄膜在应用时，其厚度均匀性都必须满足某种程度的要求。溅射是一种常用的薄膜制备方法，为提高膜厚均匀性，通常是根据溅射靶的形状（平面圆形靶、矩形靶、对向靶、空心阴极靶等），采用合适的基板-靶相对运动方法，并优化基板和靶的相对几何方位和距离。

[0003] 对于矩形平面溅射靶，目前所采用的基板运动方式主要有直线扫描式、圆周旋转扫描式、行星运动式（公自转联合运动）等方式。无论哪种方式，由于基板的中心都穿靶心而过，沉积的薄膜最厚，而基板上离中心越远的边缘位置，远离靶心而穿过，沉积的薄膜越薄。

[0004] Practical magnetron sputtering system for the deposition of optical multilayer coatings，Applied Optics，31(19): 1992, 3784报道，对于固定在圆筒形真空室侧壁上尺寸为15cm×46cm的矩形靶，当靶固定不动时，膜厚非均匀性优于5%的区域仅在5cm×10cm的椭圆形内；而当基板架左右扭动时，4%膜厚均匀性的面积增大到10cm×18cm。

[0005] 膜厚也可采用理论计算，多篇文献已经证明，计算的结果可以和实际情况高度一致。对于尺寸为180mm×60mm×5mm的平面矩形靶，其溅射跑道类似于田径场，直边长100mm，弯道处内径r1=10mm，外径r2=25mm。当基板固定在靶上方70mm不动时，直径100mm基板上膜厚分布如图1所示。该分布如同一个微微张开的河蚌的三维形状，即，膜厚沿靶的长边方向的变化较为平缓，而在短边方向的变化十分剧烈，特别是在短边的最末端，基板的边缘已经超出了溅射环的有效区域，此处的膜厚仅有中心处的50%左右。

[0006] 当基板在靶的左右两侧对称位置来回直线往复运动时（面间距，也常称为靶基距为70mm，往复运动间距60mm），膜厚分布如图2所示。与基板固定相比，膜厚分布并没有多大的改善，仍然像一只河蚌，只是张开的角度变大了一些。在该分布下，边缘处的膜厚仅相当于中心处的57%左右。

[0007] 因此，现有技术中在采用磁控溅射法在基板上生成薄膜时，存在薄膜的厚度不均匀的技术问题。

发明内容

[0008] 本发明通过提供一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法，解决了现有技术中在采用磁控溅射法在基板上生成薄膜时，存在薄膜的厚度不均匀的技术问题，进而实现了能够提高薄膜厚度的均匀性的技术效果。

[0009] 本发明提供一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法, 矩形平面磁控溅射靶固定在真空室中，在矩形靶上有条形环状的刻蚀环，刻蚀环的直边长度为L，刻蚀环的两端为两个半圆，半圆的内外径分别为r1和r2，圆形基板面对矩形靶放置，面间距为H，圆形基板绕其自身的中心轴自转，其特征在于，通过调节圆形基板中心沿矩形靶短边方向的偏心距D来调节圆形基板上所沉积薄膜的均匀性，当(L+2r2): 2r2的比值在3~8，r1: r2的比值在0.3~0.7范围内时，D满足如下条件时基板上的膜厚非均匀性在5%以内：

[0010] D = (0.92~1.08）× (0.5 H -0.067 L +23.1)

[0011] 进一步地，圆形基板在直径等于L的范围之内膜厚非均匀性在5%以内。

[0012] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

[0013] 由于采用圆形基板面对矩形靶偏心放置并绕其自身的中心轴自转，通过控制偏心距D的大小，从而控制基板上所沉积薄膜的均匀性；本发明还进一步地限定了偏心距D的范围，D = (0.92~1.08）× (0.5 H -0.067 L +23.1)，其中，H为靶基距，能够在直径等于L的大面积的基板上实现5%之内的薄膜非均匀性。所以，本发明解决了现有技术中在采用磁控溅射法在基板上生成薄膜时，存在薄膜的厚度不均匀的技术问题，进而实现了能够在大面积的基板上提高薄膜厚度均匀性的技术效果。

附图说明

[0014] 图1为现有技术中基板固定不动时的膜厚分布图；

[0015] 图2 为现有技术中基板平动扫描时的膜厚分布图；

[0016] 图3 为现有技术中基板在靶正上方自旋运动时的膜厚分布图；

[0017] 图4为现有技术中基板沿短边方向偏心距并仅进行自旋运动时的膜厚分布图；

[0018] 图5为现有技术中基板在优化偏心点自旋时的膜厚分布图；

[0019] 图 6为本发明实施例中的基板相对于靶偏心自旋运动的示意图；

[0020] 图7为本发明实施例中的基板偏心自旋的膜厚分布图；

[0021] 其中：1为矩形靶 ；2为圆形基板；3为溅射环。

具体实施方式

[0022] 本发明通过提供一种提高磁控溅射矩形靶膜厚均匀性的基板偏心自转方法,解决了现有技术中在采用磁控溅射法在基板上生成薄膜时，存在薄膜的厚度不均匀的技术问题，进而实现了能够提高薄膜厚度的均匀性的技术效果。

[0023] 为了解决上述在采用磁控溅射法在基板上生成薄膜时，存在薄膜的厚度不均匀的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

[0024] 首先，现有技术中的方案，平面矩形靶材的尺寸为180mm×60mm×5mm，溅射跑道区直边L长100mm，弯道处内径r1=10mm，外径r2=25mm。基于溅射环中的小面圆在空间中的发射特性满足余弦定律的基本理论，通过MATLAB的仿真得知，当基板在靶的正上方（无偏心距）距离H为70mm自旋时，膜厚分布如图3所示。

[0025] 与仅进行直线往复运动相比，膜厚均匀性有了较大的改善。由于采用自旋运动取代直线运动，使得膜厚沿圆周方法进行了均匀化，不再有沿矩形靶的长边和短边之分，膜厚分布像半只椭球，呈现极坐标对称。尽管基板上的薄膜依然在边缘处最薄，但已经达到中心最厚处的80%左右。

[0026] 当基板的自旋中心不与靶心重合，而在轴对称线上沿短边偏心60mm时，膜厚分布如图4所示。此时，膜厚分布完全颠倒。由于基板边缘处能够通过旋转扫过溅射环，其膜厚反而最厚。反之，基板中心远远偏离在溅射环之外，此处的膜厚不是最厚而是最薄，为边缘处91%左右。

[0027] 通过上述分析可见，当基板从不偏心自旋到大的偏心距自旋时，基板上的膜厚分布由倒立的椭球（膜厚从中心沿径向单调下降）向正立的椭球（膜厚从中心沿径向单调上升）转变。因此，必然存在一个中间过渡区域，膜厚不是单调上升也不是单调下降。偏心距在该区域内，膜厚的变化将更加平缓、均匀。模拟得到当H=70 mm，r1=10 mm，r2=25 mm，L=100 mm时，最佳偏心距为D=51.4 mm。其膜厚分布如图5所示，就像一个火山口的形状：从中心到四周，呈现由低到高，再由高到低的变化趋势，不再是单调的增或减，因此，薄膜的均匀性得到了很好的控制，完全能实现整个基板3-5%的均匀性的要求。计算得出，当偏心距分别为51.2、51.4、51.6、52、53和54.4mm时，在整个100的基板上能实现的均匀性为2.7%、2.6%、
2.7%、3%、3.8%和5%。可见，偏心距D在51.4mm左右3mm左右时，都能实现5%以内的薄膜非均匀性，对偏心距D的精度要求并不太高，在实际工作中易于实现。

[0028] 因此，在本发明具体的实施方式，如图6 所示，采用180mm×60mm×5mm的铜靶，靶基距采用70mm，溅射环的直边长100mm，内外径分别为r1=10mm， r2=25mm。根据仿真结果将偏心距设置在51.4mm左右后进行细调，最终在偏心53mm处得到了良好的膜厚分布（图7），在整个100mm直径的靶上，膜厚的非均匀性为3.1%。

[0029] 采用磁控溅射法对基板进行溅射时，具体可以是直流磁控溅射，射频磁控溅射，中频磁控溅射，以及脉冲磁控溅射等，在本发明实施例中就不再详细赘述了。

[0030] 通过调节圆形基板与矩形靶之间的偏心距的大小，从而有效控制圆形基板偏心自转，从而提高了基板上形成的薄膜厚度的均匀性。

[0031] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0032] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发[0033] 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。