CN101100740A

CN101100740A - 一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN101100740A
Application number: CNA2007100725966A
Authority: CN
Inventors: 朱嘉琦; 韩潇; 姜春竹; 韩杰才
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: CN100480419C

Abstract

一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，它涉及半球面薄膜的制备方法。它解决了现有镀半球面薄膜的装置中磁控靶固定不动，加热台旋转的同时进行摆动，需要专用夹具装夹待镀工件的问题。本发明的方法为：一，选用靶材，并将衬底材料置于旋转加热台上，整个装置位于真空仓内；二，密封真空仓，抽真空，通入Ar气，电离清洗；三，启动加热灯组，加热并保温；四，向真空仓内通入启辉气体，施加溅射功率，预溅射，控制气体流量，在衬底上加负偏压；五，采用两台步进电机分别控制旋转加热台和靶的运行轨迹来镀膜；六，待真空仓内温度降至室温时即制得半球形薄膜。本发明的待镀工件装夹方便，使镀膜过程稳定，所制备的半球形薄膜均匀，靶材的利用率高。

Description

一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及半球面薄膜的制备方法。

背景技术

现有的薄膜制备技术中的磁控溅射薄膜制备装置，大多数都是在平面上镀膜，也有少数在曲面上或半球内表面镀膜，而在半球面外表面镀膜很少，并且现有的在半球外表面镀膜装置存在不足，具体体现在：对于在大直径半球面外表面膜时，一般靶材要做得很大，靶材尺寸越大，利用率往往越低，这样就造成靶材巨大的浪费问题；由于利用磁控溅射方法制备的薄膜性质与靶基距有密切关系，大靶镀球面薄膜时，靶与球面基底的距离在很大范围内变化，这样在同一辉光区内所镀薄膜的性质将产生明显变化；实现机构复杂，现有的镀半球面薄膜所用的装置，其靶是固定不动的，加热台旋转的同时进行摆动，这样对于待镀件的固定存在问题，而且加热台处机械结构较为复杂，机械运动灵活程度较差，镀膜的均匀性差。

发明内容

本发明为了解决现有制备薄膜所用的靶材尺寸较大，这样对于半球面薄膜，由于靶基距变化而造成镀膜性质不均匀；而且由于靶材尺寸越大，靶材利用率往往越低，从而造成极大浪费；另外现有的镀半球面薄膜的装置，磁控靶固定不动，加热台旋转的同时加热台进行摆动，这样就需要专用夹具来固定待镀件，而且旋转加热台机械结构复杂，运动灵活程度较差，难以形成均一性质的薄膜的问题，本发明提供了一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，具体技术方案采用如下步骤实施：

步骤一、选取镀膜材料作为靶材，并将衬底置于旋转加热台上，该加热台位于真空仓内；

步骤二、密封真空仓，启动真空获得系统，当真空仓内真空度达到1.0×10^-4～9.9×10^-4帕时，通入Ar气，当压强为3～5帕时，启动电离电源，对衬底表面进行电离清洗，电离清洗3～5分钟；

步骤三、电离清洗结束后，启动加热灯组，加热到沉积薄膜所需要的温度，加热温度至25～750℃，并在上述温度下保温10分钟～1小时；

步骤四、向真空仓内通入启辉气体，当真空仓内气体压强在3～5帕时启辉，施加溅射功率，溅射功率为50～400瓦，预溅射3～10分钟，气体流量控制在10sccm～90sccm，真空仓内气体压强降至0.1～2帕，在衬底上施加0～600伏的负偏压，移开挡板；

步骤五、通过步进电机来连续控制旋转加热台的转速，转速控制在15转/分钟内变化，同时用另一步进电机来控制加热台上方靶的运行轨迹，使靶沿着衬底弧线方向做步长为0.1～5度的间歇运动向衬底表面镀膜；

步骤六、步骤五完成后，待真空仓内温度降至室温时即制得半球形薄膜。

本发明采用了磁控溅射靶的绕球心运动与基底转动的复合运动形式，衬底易于固定，镀膜过程稳定。本发明所制备的薄膜性质均匀；膜厚不均匀度小于10％，沉积过程易于控制，靶材的利用率高。本发明能够利用较小的靶制备出较大尺寸的半球面薄膜，小靶镀膜使得靶面到半球形基底的距离变化很小，从而有利于所镀薄膜性质均一；另外避免了样品台处复杂的机械结构，提高了机械运动的灵敏程度，待镀工件装夹方便，薄膜性质和厚度稳定。

附图说明

图1是本发明旋转加热台和靶的平面运动轨迹示意图，图2是靶和旋转加热台俯视运动轨迹示意图。图中1是靶，2是加热台。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的方法采用如下步骤：

步骤一、选用Si(硅)为衬底，以Ge(锗)材料为膜层靶材，并将衬底材料置于旋转加热台上，该加热台位于真空仓内；

步骤二、密封真空仓，启动真空获得系统，当真空仓内真空度达到1.0×10^-4～9.9×10^-4帕时，通入Ar气，当压强为3～5帕时，启动电离电源，对Si衬底表面进行电离清洗，电离清洗3～5分钟；

步骤四、向真空仓内通入启辉气体，当真空仓内气体压强在3～5帕时启辉，施加溅射功率，溅射功率为50～400瓦，预溅射3～10分钟，气体流量控制在10sccm～90sccm，真空仓内气体压强降至0.1～2帕，在衬底上加0～600伏的负偏压，移开挡板；

步骤五、通过步进电机来连续控制旋转加热台的转速，转速控制在15转/分钟内变化，同时用另一步进电机来控制加热台上方靶的运行轨迹，使靶沿着镀件弧线方向做步长小于5度的间歇运动来控制向衬底表面镀膜；镀膜时间根据薄膜的面积和厚度来确定，具体控制参数选择的原则是：将半球面分别以10度、17度、16度、16度、16度、15度从球顶到底面分成6个部分，每个部分再分成若干小部分，每个部分的镀膜过程用一个控制参数控制，该控制参数是一个时间数列的系数，这个时间数列是靶做间歇运动时，在每个小部分的停留时间所组成的时间数列，时间数列中每个数的比值近似等于每个小部分的面积比值。对于某一部分来说，控制参数增大，在该部分镀膜厚度厚，控制参数减小，在该部分镀膜厚度薄；为了得到均匀的半球形薄膜，就要选择适当的控制参数。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中采用Ф164mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为90nm，采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm；步骤二当真空仓内真空度达到4.6×10^-4帕时，当真空仓内压强为3帕时，电离清洗5分钟；步骤三在室温下镀膜，Ar气流量设为60sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为3帕时，打开射频电源启辉，功率设为50瓦；步骤四预溅射5分钟后，调节真空室压强为0.6帕；步骤五设定控制参数为1.0，1.0，2.3，4.5，5.2，8.4来控制旋转加热台的转数与靶的位置后，移开挡板，开始镀膜；步骤六镀膜时间为1小时43分钟，即制得半球形薄膜。其它步骤与具体实施方式一相同。

经测得所沉积的膜厚约为88.2nm，与所设计薄膜厚度相差2％，薄膜内不均匀度为9.8％，小于使用要求的不均匀度10％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中采用Ф300mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为280nm，采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm；步骤二当真空仓内真空度达到2.0×10^-4帕时，当真空仓内压强为4帕时，电离清洗4分钟；步骤三启动加热灯组加热到200度，保温30分钟，Ar气流量设为40sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为5帕时，打开射频电源启辉，功率设为150瓦；步骤四预溅射3分钟后，调节真空室压强为0.8帕；步骤五设定沉积参数为1.0，2.0，2.6，2.5，3.0，8.0来控制旋转加热台的转数与靶的位置后，移开挡板，开始镀膜；步骤六镀膜时间为1小时27分钟，即制得半球形薄膜。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中采用Ф270mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为460nm，采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm；步骤二当真空仓内真空度达到7.5×10^-4帕时，当真空仓内压强为5帕时，电离清洗3分钟；步骤三启动加热灯组加热到350度，保温20分钟，Ar气流量设为20sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为4帕时，打开射频电源启辉，功率设为200瓦；步骤四、预溅射4分钟后，调节真空室压强为1帕；步骤五设定沉积参数为1.0，1.7，2.8，3.8，6.5，9.0来控制旋转加热台的转数与靶的位置后，移开挡板，开始镀膜；步骤六镀膜时间为2小时2分钟，即制得半球形薄膜。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims

1、一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤二、密封真空仓，启动真空获得系统，真空仓内真空度达到1.0×10^-4～9.9×10^-4帕，通入Ar气，真空仓内压强为3～5帕时，启动电离电源，对衬底表面进行电离清洗，电离清洗3～5分钟；

步骤三、电离清洗结束后，启动加热灯组，加热到沉积薄膜所需要的温度，加热区间为25～750℃，并在上述温度下保温10分钟～1小时；

步骤四、向真空仓内通入启辉气体，真空仓内气体压强在3～5帕时启辉，施加溅射功率，溅射功率为50～400瓦，预溅射3～10分钟，气体流量控制在10sccm～90sccm，真空仓内气体压强降至0.1～2帕，在衬底上加0～600伏的负偏压，移开挡板；

步骤五、采用步进电机来连续控制旋转加热台的转速，转速控制在15转/分钟内变化，同时用另一步进电机来控制加热台上方靶的运行轨迹，使靶沿着衬底弧线方向做步长小于5度的间歇运动来控制向衬底表面镀膜；

步骤六、步骤五完成后，待真空仓内温度降至室温时，即制得半球形的薄膜。

2、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中采用Φ300mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为280nm。

3、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm。

4、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤二真空仓内真空度达到2.0×10^-4帕，真空仓内压强为4帕时，电离清洗4分钟。

5、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤三电离清洗结束后，启动加热灯组加热到200度，保温30分钟，Ar气流量设为40sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为5帕时，打开射频电源启辉，功率设为150瓦。

6、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤四、预溅射3分钟后，调节真空室压强为0.8帕。

7、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤五设定沉积参数为1.0，2.0，2.6，2.5，3.0，8.0来控制旋转加热台的转数与靶的位置后，移开挡板；步骤六镀膜时间为1小时27分钟，即制得半球形薄膜。

8、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中采用Φ164mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为90nm，采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm；步骤二当真空仓内真空度达到4.6×10^-4帕，真空仓内压强为3帕时，电离清洗5分钟；步骤三电离清洗结束后，在室温下镀膜，Ar气流量设为60sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为3帕时，打开射频电源启辉，功率设为50瓦；步骤四预溅射5分钟后，调节真空室压强为0.6帕；步骤五设定控制参数为1.0，1.0，2.3，4.5，5.2，8.4来控制旋转加热台的转数与靶的位置后，移开挡板；步骤六镀膜时间为1小时43分钟，即制得半球形薄膜。

9、根据权利要求1所述的一种磁控溅射半球面薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中采用Φ270mm Si半球面，在半球面上制备膜厚为460nm，采用Ge材料作为膜层靶材，靶材直径为49mm，厚度为3mm；步骤二真空仓内真空度达到7.5×10^-4帕，真空仓内压强为5帕时，电离清洗3分钟；步骤三电离清洗结束后，启动加热灯组加热到350度，保温20分钟，Ar气流量设为20sccm，同时关小闸板阀，待真空室气压为4帕时，打开射频电源启辉，功率设为200瓦；步骤四、预溅射4分钟后，调节真空室压强为1帕；步骤五设定沉积参数为1.0，1.7，2.8，3.8，6.5，9.0来控制旋转加热台的转数与靶的位置后；步骤六镀膜时间为2小时2分钟，即制得半球形薄膜。