CN100443627C - 一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，系用圆形平面靶(2)溅射薄膜，基板(1)与平面靶(2)偏心放置，两者中的任意一个绕其中心轴自转，薄膜的厚度均匀性由靶基距和偏心距调节，当刻蚀环(3)的断面为U形，并且溅射时气压小于5Pa时，靶基距和偏心距的优化比例关系控制为：D＝3+0.7r₁+0.3r₂+(2/3±0.1)·h式中r₁、r₂分别为平面靶(2)上形成的刻蚀环(3)的内径和外径，h为靶基距，D为偏心距。该方法是针对离轴溅射，快速确定优化的靶基距h-偏心距D比例关系的控制方法，它具有：简单易用、普适性强、预测准确的特点。

Description

一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法。

背景技术

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。

对于圆形平面溅射靶，通常采用基板相对于靶自转或行星转动的方法来提高薄膜的厚度均匀性。如图1所示，当基板1与靶2平行，并且其转轴穿过靶2的中心时的几何布局称为正轴溅射。正轴溅射的膜厚分布均匀性可以通过调节靶基距h来实现。对于平面圆形磁控溅射系统，通过理论计算，1978年Academic公司出版的Thin Film Processes一书第143页报道当溅射环内径r₁、外径r₂分布约为0.7倍和0.8倍靶基距h时，膜厚均匀性最佳。

如图2所示，当基板(1)的转轴与靶(2)的中心不重合时的几何布局称为离轴溅射。与正轴溅射相比，离轴溅射可大幅度地提高薄膜的均匀性，见文献：(1)T.Serikawa and A.Okamoto，J.Vac.Sci.Technol.A 4，1784(1985)；(2)S.Swann，S.A.Collett and I.R.Scarlett，J.Vac.Sci.Technol.A 8，1299(1990)；(3)范正修，薛松生，何朝玲，应用科学学报，11(2)，136(1993)。离轴溅射的膜厚均匀性是通过调节靶基距h与偏心距D的比例来实现的，上述文献的理论计算及实测结果都对此进行了证实。然而在上述文献中，仅仅展示了几个示例，并没有从总体的角度出发概括出靶基距h与偏心距D应该满足什么样的关系方能获得最佳膜厚分布。

1992年授权的日本专利特开平4183856公开了一种制备梯度功能薄膜的溅射装置，其实质是一种带有遮蔽板的离轴溅射装置，没有对靶基距h和偏心距D的可调性进行规定。2004年授权的中国专利ZL98800979.X公开了一种单片式磁控管溅射装置，本质上是一种离轴溅射的实现方法，其靶基距h可调，而偏心距D的可调性没有进行说明。2004年公开的中国专利申请书02160604.8公开了一种磁控管溅射装置和方法，本质上也是一种离轴溅射装置，其特征在于薄膜的均匀性是通过改变靶基距h、偏心距D和旋转速度来调整，即采用多个靶基距h-偏心距D-溅射时间的组合来进行调整。但在实验上要摸索出这些参数的最佳组合需要花费大量的时间，并且这些优化的工艺参数不具有普适性，当溅射装置改变时，需要重新摸索，耗时耗力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，该方法是针对离轴溅射，快速确定优化的靶基距h-偏心距D比例关系的方法，它具有：简单易用、普适性强、预测准确的特点。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，系用圆形平面靶2溅射薄膜，其特征在于，基板1与平面靶2偏心放置，两者中的任意一个绕其中心轴自转，薄膜的厚度均匀性由靶基距和偏心距调节，当刻蚀环3的断面为U形，并且溅射时气压小于5Pa时，靶基距和偏心距的优化比例关系控制为：

$D=3+0.7r_1+0.3r_2+(\frac{2}{3}\±0.1)\·h$

式中r₁、r₂分别为平面靶2上形成的刻蚀环3的内径和外径，h为靶基距，D为偏心距。

按照本发明所提供的提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，它适用于磁控溅射方法和非磁控溅射方法，所述磁控溅射方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射等方法，所述非磁控溅射方法包括二极溅射、射频溅射和离子束溅射等方法。

本发明的溅射方法中平面靶2的制作材料可以是金属、合金、陶瓷、玻璃等材料中的一种，如大规模集成电路中所用的Cu膜，Co-Cr、Ni-Fe-Co等磁性薄膜，ZnO、BaTiO₃等陶瓷膜，ITO等玻璃膜。

本发明的实质是在现有离轴溅射的基础上，量化了靶基距h和偏心距D的调节方法以实现最佳的膜厚均匀性。

本发明有如下优点：

本发明量化了D～h的优化比例关系，采用此比例关系，可以快速确定最佳的靶基距h和偏心距D以实现均匀的薄膜分布。并且在此比例关系中，考虑到了刻蚀环3的大小(即平面靶2的大小)对其的影响，因此该D～h比例关系适用于任何尺寸的靶，具有通用性。

附图说明

图1为正轴溅射的结构示意图；

图2为离轴溅射的结构示意图；

图3是本发明的离轴溅射的具体实施例的结构示意图；

图4是本发明离轴溅射偏心距的调节原理图；

图5是本发明离轴溅射铜膜的厚度分布图。

其中1是基板，2是平面靶，3是刻蚀环，4是自转转盘，5是轴承，6是公转转盘，7是公转驱动小齿轮，8是公转驱动轴，9是公转步进马达，10是公转轴，11是自转马达，12是自转轴，13是公转连接齿轮，14是真空泵接口，15是自转驱动齿轮，16是真空室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图3所示，在真空室16中有两个对称安放的磁控溅射平面靶2，平面靶2可上下移动以调节靶基距h；在真空室16的中央还安装了一根同心转动轴，公转轴10驱动公转转盘6产生公转，公转转盘6上安装了自转转盘4，由轴承5提供活动支撑，基板1安放在自转转盘4上，自转轴12驱动自转转盘4及其上的基板1产生自转。偏心距D的调节由公转步进马达9来完成，如图4所示，它使δ角连续变化从而达到调节偏心距D的作用。

以下是本发明的具体实施例：

采用上述装置运用本发明的控制方法溅射铜膜，平面靶2的直径为60mm，刻蚀环3的内外半径分别为13、22mm。靶基距D为50mm，由本发明给出的公式计算得到优化的偏心距为52±5mm，实验中采用50mm的偏心距，使用直径为100mm的普通玻璃作为基板，安装在基板支架(自转转盘4)的正中心，溅射时氩气的气压为0.5Pa，功率50W，溅射时间15分钟。溅射完毕后采用干涉显微镜测量膜厚，结果如图5所示，可见薄膜在直径80mm的范围内其厚度均匀性在4％以内。

采用本发明的离轴溅射方法，不需经过多次实验摸索而快速地获得了大面积厚度均匀的薄膜，可缩短产品的研制周期，在技术上具有实用价值。

Claims (3)

1、一种提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，系用圆形平面靶(2)溅射薄膜，其特征在于，基板(1)与平面靶(2)偏心放置，两者中的任意一个绕其中心轴自转，薄膜的厚度均匀性由靶基距(h)和偏心距(D)调节，当刻蚀环(3)的断面为U形，并且溅射时气压小于5Pa时，靶基距和偏心距的优化比例关系控制为：

$D=3+{0.7r}_1+{0.3r}_2+(\frac{2}{3}\±0.1)\·h$

式中r₁、r₂分别为平面靶(2)上形成的刻蚀环(3)的内径和外径，h为靶基距，D为偏心距。

2、根据权利要求1所述的提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，其特征在于，它适用于磁控溅射方法和非磁控溅射方法，所述磁控溅射方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射方法，所述非磁控溅射方法包括二极溅射、射频溅射和离子束溅射方法。

3、根据权利要求1所述的提高膜厚均匀性的离轴溅射控制方法，其特征在于，平面靶(2)的制作材料是金属、合金、陶瓷和玻璃材料中的一种。

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