CN103074587B - 大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置及调整方法，本发明的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置包括安装架和多块修正小滑块；所述多块修正小滑块并行排列，并且垂直安装在矩形安装架的至少一边内框上，每个修正小滑块均可相对于安装架滑动；修正小滑块的伸出端边缘在矩形安装架内框区域形成调整曲线，所述的安装架和修正小滑块均采用不导磁材料。本发明结构简单，维修操作方便，且提高了一定等离子刻蚀速率上的有效沉积速率；本发明还建立了调整区域与有效沉积区域的一一对应关系，提高了镀膜膜层的厚度均匀性。

Description

大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置及调整方法

技术领域

本发明涉及一种大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置及调整方法。

技术背景

大面积连续溅射镀膜技术的应用主要有以下几个方面：其一为大面积金属膜的应用，主要应用在大面积的幕墙装饰领域、大面积平板显示领域和半导体领域，其工作的性质是利用金属膜的金属分光特性、金属反射特性和金属导电特性；其二为大面积光电薄膜的应用，主要应用在大面积建筑领域、汽车领域、太阳能和平板显示领域，如大面积低辐射膜，电致变色膜和大面积透明导电膜；其三为大面积光学薄膜的应用，目前主要应用在太阳能领域，如大面积抗反射膜；其四为光学和电学的交叉领域，例如平板显示领域的高透射型透明导电膜，和增透型防辐射膜等。

大面积镀膜技术主要可以分为化学法和物理法。化学法又包含了溶液法（溶胶－凝胶法）和化学气相沉积法，目前用于大面积沉积的主要为溶胶－凝胶法，但是由于化学法本身的工艺复杂特点，不适合大面积连续生产，也不能及时跟上随市场对技术的快速变化。物理镀膜法包含了蒸发镀膜和溅射镀膜，蒸发镀膜大量应用在小基片材料上镀膜，主要集中在高端技术领域内的镀膜，如眼镜片镀膜、滤光片、各种类型的光学视窗、棱镜镀膜和激光器件镀膜等；和低端光学领域塑料镀膜和小部件装饰镀膜，如金属膜，抗反射膜等，其批次快速镀膜的特点得到了充分利用。

溅射镀膜由于具有良好的工艺可控性和长时间的工艺稳定性而被广泛应用于大面积溅射镀膜领域。早期的溅射镀膜采用直流溅射镀膜方式，主要用于大面积金属镀膜。在平面磁控溅射（U.S.Pat.No.4,166,018）靶发明后，此技术被广泛应用于各种镀膜领域，并经过长期的发展取得了多次的技术突破。从而发明了交流溅射，在交流溅射的基础上对靶材的设计进行了改进，发明了圆柱型磁控溅射靶（U.S.Pat.No.4,356,073和U.S.Pat.No.4,445,997），使得靶材的利用率提高到了极高的水平；在工艺上发明了反应溅射绝缘介质薄膜（U.S.Pat.No.6,365,010），同时实现了“金属模式”和“反应模式”（“靶中毒”现象）的控制，“靶中毒”只是描述这种现象的一种说法而已，实际上是反应在金属靶表面进行形成金属化合物绝缘介质薄膜，金属化合物的溅射速率低于纯金属的溅射速率，那么溅射变的更趋向于进入“金属工作模式”而不是“反应模式”，如果在这两种模式之间工作，则工艺非常不稳定，其中的一个原因为反应气体的偏压不稳定。可以通过一些方法和手段在磁场与基片之间进行分压控制，试图达到工艺的稳定型性，例如在U.S.Pat.No.5,338,422和U.S.Pat.No.5,384,021中提到的“反应溅射各种氧化物”。甚至可以通过基片架的运动把沉积区域和反应区域完全分开，在中国专利公开号为CN1536098A中详细描述了采用这种工艺工作的设备结构和金属氧化物的膜的形成工艺。这种工艺首先在一个区域内采用溅射沉积金属，而在另外一个区域内进行反应形成化合物绝缘介质薄膜，虽然这样能够获得很高的金属沉积速率，但是也受到了金属化合物形成速率慢的影响。

磁控溅射镀膜工艺具有良好的工艺可控性，同时产品工艺可以保持长时间的稳定性，非常适合连续镀膜生产。然而由于溅射材料在溅射时形成的等离子体具有一定的空间形状和等离子密度，并且等离子的空间形状和等离子密度取决于磁场的布置、磁场的强度、靶材料的形状、电源功率的施加方式、工作气体的进入方式与分布等，所以磁控溅射本身就是一种不均匀的溅射沉积源。为了获得较好的均匀性沉积区域，通常需要对磁场强度、磁场布置等系列因素进行多次调整，但是由于溅射沉积过程为动态变化过程，需要根据实际的生产情况做适当的调整，以适合生产的连续进行，仅仅调整以上因素仍然不能做到均匀性的数字化精确控制。

为了做到精确控制一定等离子刻蚀速率上的有效沉积区域，在实际生产中，通常的解决办法为在溅射靶和工件架中间安装修正板，通过改变等离子在工件架上的投影沉积区域形状来调整薄膜沉积区域的膜厚度均匀性。由于这种装置的安装不需要改变靶的结构和工作方式，并且可以根据实际的生产工艺需要对沉积区域的膜层均匀性进行调整。并且此装置还广泛的适用于直流磁控溅射和/或交流磁控溅射，适用于平面靶和/或圆柱靶的磁控溅射。

中国专利公开号CN1670238A中公开了一种溅射装置和与之相适的均匀性调整装置。该装置中在靶和基板之间设有膜厚修正板和遮挡板，并且在膜厚修正板中沿基板公转轴方向接连设置有多个修正小片，通过驱动小片相对滑动和/或改变遮蔽板的形状达到修正膜层厚度。该溅射装置将真空室分为成膜工序区和反应工序区，在空间上两个区域相互分离并通过溅射形成薄膜（中国专利公开号CN1536098A）。该装置的设计和使用较好的适合了反应区域和沉积区域分离的镀膜方式，但是该装置仍然存在以下的缺点：其一，降低了一定阴极腐蚀速率上的有效沉积速率；其二，没有建立修正板形状尺寸与膜厚分布之间的精确对应关系；其三，结构复杂，维修及操作困难。

在大面积连续磁控溅射镀膜工艺中，膜厚的不均匀性导致了大量的生产问题，例如在大面积沉积透明导电膜工艺中，首先在透明基板玻璃上沉积一层氧化硅（SiO₂）隔离层，再沉积透明导电的氧化铟锡层（ITO），SiO₂膜层和ITO膜层的不均匀性将导致离子隔离性能不稳定和导电性的离散性分布；在大面积连续磁控溅射沉积抗反射膜工艺中，高低折射率材料的厚度不均匀性将导致产品光学性能严重偏离设计光学性能，同时造成外观色彩差异；在大面积连续磁控溅射沉积低辐射膜工艺中也对膜层厚度有很高的要求。通常大面积磁控溅射沉积工艺中，对于阴极溅射靶及周边装置有以下几点要求：

（1）对于反应溅射，要求反应和沉积在同一个区域完成；

（2）要求同类型多个阴极靶置于同种气体状态中工作；

（3）要求尽可能的提高一定阴极刻蚀速率上的有效沉积速率；

（4）建立修正量与膜层厚度分布之间的精确对应关系。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结构简单，维修及操作方便，且可提高一定等离子刻蚀速率上的有效沉积速率的大面积磁控溅射镀膜膜层均匀性调整装置和调整方法。

本发明采用的技术方案是：

一种大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置，包括安装架和多块修正小滑块；所述多块修正小滑块并行排列，并且垂直安装在矩形安装架的至少一边内框上，每个修正小滑块均可相对于安装架滑动；修正小滑块伸出端的边缘在矩形安装架内框区域形成调整曲线，所述的安装架和修正小滑块均采用不导磁材料。

上述的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置中，所述修正小滑块，其与安装架连接的一端设有滑槽，通过滑槽安装在安装架上。

上述的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置中，所述修正小滑块包括窄修正小滑块和宽修正小滑块，安装架内框的上端和下端均安装有多个窄修正小滑块，宽修正小滑块位于两端的窄修正小滑块之间。

一种利用上述的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的调整方法，包括如下步骤：

1）根据真空环境确定调整装置的安装位置：

首先，根据真空室的实际配置环境，确定矩形安装架的具体形状尺寸，其次，需要根据具体的实际磁场强度、靶－基距和磁－基距确定均匀性调整装置的安装位置；最后，需要根据镀膜需要确定镀膜要求的有效沉积区域。

2）安装调整框，并且获得初始膜厚分布：

首先，根据第一步确定安装架尺寸并安装，其次，确定Ti靶工作工艺条件，其次，获得一层TiO₂薄膜，并按建立的坐标方向测试膜层厚度，形成初始膜层厚度分布。

3）根据获得的初始膜厚分布确定初始调整曲线：

根据步骤2）中获得的初始膜层厚度分布，确定修正小滑块的形状尺寸。首先根据初始膜层厚度的分布曲线特点，确定修正小滑块的宽度，按x方向进行编号，x₁、x₂、x₃……；并确定每个修正小滑块对应的投影沉积区域内的调整区域，选择相应的厚度测试点。根据测试点的测试厚度通过公式计算修正小滑块的伸出量，并选择合适的调整量。

根据所获得的初始调整曲线中各个修正小滑动块相应测试点厚度，按公式计算相应伸出量，并形成各修正小滑块对应的加工形状。

$2y=\frac{k_0\×T_x\×W_0}{T_{\min }}-W_0$

其中：（1）x为以修正小滑块排列方向为横向坐标方向建立的横坐标；

（2）y为以修正小滑块伸缩方向为纵向坐标方向建立的纵坐标；

（3）W₀为横坐标为0处的安装架内框的开口宽度；

（4）T_min为在工件架上修正小滑块垂直投影区域内最小的膜层厚度；

（5）T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上位置处对应的初始膜层厚度；

（6）K₀为修正因子，可根据实际情况进行调整。

获得相应的各修正小滑块对应的伸出量y₁、y₂、y₃……，根据相应的伸出量确定各修正小滑块的具体形状和最大调整量，加工后，并排垂直安装在安装架的竖直方向的两内框上，安装后形成初始调整曲线。

4）获得修正后的膜层厚度分布，确定微调量：

重新安装大面积磁控溅射镀膜膜层均匀性调整装置，并按照原工艺给工件镀单层TiO₂薄膜材料。根据步骤3）所获得的调整曲线中各个修正小滑动块相应测试点厚度，按公式 ${\mathrm{\Δy}}_x=\frac{1}{2}{K}_1(W_0-{2y}_x)-\frac{1}{2}{K}_1\frac{T_x}{T_{t\arg \mathrm{et}}}(W_0-{2y}_{t\arg \mathrm{et}})$ 计算相应修正量，并重新计算小滑块的伸出量，进而确定调整曲线形状。

公式中：（1）Δy_x为坐标为x处修正小滑块的推出或缩进量的修正量；

（2）T_target为选定的参考目标厚度；

（3）W₀为横坐标为0处的安装架内框的开口宽度；

（4）T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前膜层厚度；

（5）y_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前总伸出或缩进量；

（6）K₁为调整比例因子，可根据实际情况进行选择；

（7）y_target为选定的目标位置的原始修正量。

获得相应的各小滑块对应的修正量Δy₁、Δy₂、Δy₃……，同时计算相应的位置的修正小滑块的修正后的伸出量y’₁、y’₂、y’₂……，计算公式如下：

y'_x=y_x+Δy_x

对并排安装在安装架的两内框的修正小滑块进行微调后，形成修正调整曲线。

5）膜层厚度的优化修正：

重新获得有效沉积区域的膜层厚度分布，如果膜层的厚度分布仍然没有达到预期的效果，重复进行第四步，直到达到预期的效果为止。

本发明的技术效果是：

（1）本发明提高了一定等离子刻蚀速率上的有效沉积速率。本发明按照初始膜层厚度均匀性分布曲线布置遮挡区域，遮挡区域面积占整个镀膜有效投影区域面积的比例最小，最大化了在一定等离子刻蚀速率上的有效沉积速率。

（2）本发明建立了调整区域与有效沉积区域的一一对应关系。本发明提出的修正装置上分布的小调整块遮挡区域与工件架上的有效沉积区域有一一对应关系，可以根据实际膜层厚度分布设计和调整小调整块的长度和宽度，实现与沉积区域的一一对应和有效调整，提高了镀膜膜层的厚度均匀性。

（3）本发明建立了沉积膜层厚度变化量与可调整参数之间的数学关系。本发明总结实验数据并经过数学推导提出了膜层厚度的变化量与可调整参数修正量之间的数学公式，通过此公式可以对膜层厚度变化的精确控制，以实现各种类型膜层结构对镀膜膜层厚度不同精确性的需要。

（4）本发明还具有结构简单，维护、使用方便的优点。

附图说明：

图1是本发明的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的结构示意图。

图2是本发明的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的安装架结构示意图。

图3是平面交流磁控溅射时本发明大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的安装图。

其中：5－1薄膜厚度修正装置；5－2是真空腔体；5－3是基片架位置运行方向；5－4是靶装置安装板；5－5a和5－5b是阳极罩安装座；5－6a和5－6b是阳极罩；5－7a和5－7b是阴极溅射材料；5-8a和5-8b是阴极冷却水管；5-9a和5-9b是阴极背板；5-10a和5－10b是阴极绝缘座；5－11a和5－11b是阴极背板安装座；5－12a和5－12b是磁块；5-13a和5-13b是磁块安装板；5-14a和5-14b是磁场定位座。

图4为是圆柱交流磁控溅射时本发明的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的安装图。

其中：5－1薄膜厚度修正装置；5－3是基片架位置运行方向；6－3是靶装置安装套；6－4a和6－4b是进冷水管；6－5a和6－5b是阴极溅射材料；6－6a和6－6b是阴极套管；5－12a和5－12b是磁块；5－13a和5－13b是磁块安装板；5－2是真空腔体。

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1所示，本发明的一种大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置，包括安装架1和多块修正小滑块2；所述多块修正小滑块2并行排列安装在矩形安装架1内框的至少一边上，并且每个修正小滑块2均可相对于安装架1滑动；修正小滑块2的伸出端边缘在矩形安装架内框区域形成调整曲线4。所述的所述修正小滑块2，其与安装架连接的一端设有滑槽3，通过滑槽3安装在安装架1上。修正小滑块2包括窄修正小滑块2-1和宽修正小滑块2-2，安装架1内框的上端和下端均安装有多个窄修正小滑块2-1，宽修正小滑块2-2位于两端的窄修正小滑块2-1之间。

一种利用上述的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的镀膜膜层厚度均匀性调整方法，包括如下步骤：

第一步，根据真空环境确定调整装置的安装位置。

首先，根据真空室的实际配置环境，确定矩形安装架1的具体形状尺寸，如内框的长（L₀）、宽（W₀）和加工厚度，整个大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置需采用不锈钢、铝等不导磁材料；其次，需要根据具体的实际磁场强度、靶－基距和磁－基距确定均匀性调整装置的安装位置；最后，需要根据镀膜需要确定镀膜要求的有效沉积区域。

第二步，安装调整框，并且获得初始膜厚分布。

首先，根据第一步确定安装架1尺寸并安装，形状如图2所示；其次，确定Ti靶工作工艺条件，如进气量、Ar/O₂比例和电源功率等；最后，获得一层115nm~135nm厚的TiO₂薄膜，并按建立的坐标方向测试膜层厚度，形成初始膜层厚度分布。

第三步，根据获得的初始膜厚分布确定初始调整曲线。

根据步骤2）获得的初始膜层厚度分布，确定修正小滑块2的形状尺寸。首先根据初始膜层厚度的分布曲线特点，确定修正小滑块2的宽度，按x方向进行编号，x₁、x₂、x₃……；并确定每个修正小滑块2对应的投影沉积区域内的调整区域，选择相应的厚度测试点。根据测试点的测试厚度通过公式计算修正小滑块2的伸出量，并选择合适的调整量。

根据所获得的初始调整曲线中各个小滑动块2相应测试点厚度，按公式计算相应伸出量，并形成各小滑块2对应的加工形状。

$2y=\frac{k_0\×T_x\×W_0}{T_{\min }}-W_0$

其中：（1）x为以修正小滑块2排列方向为横向坐标方向建立的横坐标；

（2）y为以修正小滑块2伸缩方向为纵向坐标方向建立的纵坐标；

（3）W₀为横坐标为0处的安装架内框的宽度；

（4）T_min为在工件架上修正小滑块2垂直投影区域内最小的膜层厚度；

（5）T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块2垂直投影在工件架上位置处对应的初始膜层厚度；

（6）K₀为修正因子，可根据实际情况进行调整。

获得相应的各修正小滑块2对应的伸出量y₁、y₂、y₃……，根据相应的伸出量确定各修正小滑块2的具体形状和最大调整量，加工后，并排垂直安装在安装架上的两竖直方向的内框上，安装后形成初始调整曲线，如图1所示。

第四步，获得修正后的膜层厚度分布，确定微调量。

重新安装大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置，如图3或图4所示，并按照原工艺给工件镀一层107nm－110nm厚的单层TiO₂薄膜材料。并根据第三步所获得的调整曲线和中各个小滑动块相应测试点厚度，按公式 ${\mathrm{\Δy}}_x=\frac{1}{2}{K}_1(W_0-{2y}_x)-\frac{1}{2}{K}_1\frac{T_x}{T_{t\arg \mathrm{et}}}(W_0-{2y}_{t\arg \mathrm{et}})$ 计算相应修正量，并重新计算小滑块的伸出量，进而确定调整曲线形状。

公式中：（1）Δy_x为坐标为x处修正小滑块的推出或缩进量修正量；

（2）T_target为选定的参考目标厚度；

（3）W₀为横坐标为0处的安装架内框的开口宽度；

（4）T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前膜层厚度；

（5）y_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前总伸出或缩进量；

（6）K₁为调整比例因子，可根据实际情况进行选择；

（7）y_target为选定的目标位置的原始修正量。

获得相应的各小滑块对应的修正量Δy₁、Δy₂、Δy₃……，同时计算相应的位置的小滑块的修正后的伸出量y’₁、y’₂、y’₂……，计算公式如下：

y'_x=y_x+Δy_x

对并排安装在安装架1的两内框上的修正小滑块2进行微调后，形成修正调整曲线。

第五步，膜层厚度的优化修正。

重新获得有效沉积区域的膜层厚度分布，如果膜层的厚度分布仍然没有达到预期的效果，可重复进行第四步，直到达到预期的效果为止。

本发明提供的这种简便的大面积连续磁控溅射镀膜膜层均匀性调整装置和相应的调整方法已经在实践调整中得到验证，对于本实例中的TiO₂薄膜通常经三次的调整可以达到1％左右的均匀性。

Claims (1)

1.一种利用大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置的调整方法，其中，所述的大面积连续磁控溅射镀膜均匀性调整装置包括安装架和多块修正小滑块；所述多块修正小滑块并行排列，并且垂直安装在矩形安装架的至少一边内框上，每个修正小滑块均可相对于安装架滑动；修正小滑块伸出端的边缘在矩形安装架内框区域形成调整曲线，所述的安装架和修正小滑块均采用不导磁材料；包括如下步骤： 

1)首先，根据真空室的实际配置环境，确定矩形安装架的具体形状尺寸，其次，需要根据具体的实际磁场强度、靶－基距和磁－基距确定均匀性调整装置的安装位置；最后，需要根据镀膜需要确定镀膜要求的有效沉积区域； 

2)首先，根据第一步确定安装架尺寸并安装，其次，确定Ti靶工作工艺条件，其次，获得一层TiO₂薄膜，并按建立的坐标方向测试膜层厚度，形成初始膜层厚度分布； 

3)根据步骤2)中获得的初始膜层厚度分布，确定修正小滑块的形状尺寸；首先根据初始膜层厚度的分布曲线特点，确定修正小滑块的宽度，按x方向进行编号，x₁、x₂、x₃……；并确定每个修正小滑块对应的投影沉积区域内的调整区域，选择相应的厚度测试点；根据测试点的测试厚度通过公式计算修正小滑块的伸出量，并选择合适的调整量； 

根据初始调整曲线中各个小滑动块相应测试点厚度，按公式计算相应伸出量，并形成各小滑块对应的加工形状； 

其中：(1)x为以修正小滑块排列方向为横向坐标方向建立的横坐标； 

(2)y为以修正小滑块伸缩方向为纵向坐标方向建立的纵坐标； 

(3)W₀为横坐标为0处的安装架内框的开口宽度； 

(4)T_min为在工件架上修正小滑块垂直投影区域内最小的膜层厚度； 

(5)T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上位置处对应的初始膜层厚度； 

(6)k₀为修正因子，可根据实际情况进行调整； 

获得相应的各修正小滑块对应的伸出量y₁、y₂、y₃……，根据相应的伸出量确定各修正小滑块的具体形状和最大调整量，加工后，并行排列垂直安装在安装架的竖直方向的两内框上，安装后形成初始调整曲线； 

4)重新安装大面积磁控溅射镀膜膜层均匀性调整装置，并按照原工艺给工件镀单层TiO₂薄膜材料；根据步骤3)所获得的调整曲线中各个修正小滑动块相应测试点厚度，按公式 计算相应修正量，并重新计算小滑块的伸出量，进而确定调整曲线形状； 

公式中：(1)Δy_x为坐标为x处修正小滑块的推出或缩进量的修正量； 

(2)T_target为选定的参考目标厚度； 

(3)W₀为横坐标为0处的安装架内框的开口宽度； 

(4)T_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前膜层厚度； 

(5)y_x为安装架横坐标为x处的修正小滑块垂直投影在工件架上的位置对应的修正前总伸出或缩进量； 

(6)K₁为调整比例因子，可根据实际情况进行选择； 

(7)y_target为选定的目标位置的原始修正量； 

获得相应的各修正小滑块对应的修正量Δy₁、Δy₂、Δy₃……，同时计算相应的位置的修正小滑块的修正后的伸出量y’₁、y’₂、y’₂……，计算公式如下： 

y’_x＝y_x+Δy_x

对并排安装在安装架的两内框上的修正小滑块进行微调后，形成修正调整曲线； 

5)重新获得有效沉积区域的膜层厚度分布，如果膜层的厚度分布仍然没有达到预期的效果，重复进行第四步，直到达到预期的效果为止。