CN104878356B - 一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空镀膜领域，尤其是一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，其特征在于：所述确定方法至少包括以下步骤：基于knudsen定律，利用解析法计算在不同磁铁放置角度下，所述基板旋转时所形成的膜厚分布，从中选择最优膜厚分布所对应的磁铁放置角度作为磁铁放置角度的最优初始值。本发明的优点是：能精确确定磁铁放置的最佳角度，从而使镀膜厚度的均一性得到保证；计算量小，EXCEL就可以算；较直接，比较容易分析各个变量对于结果的影响。

Description

一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法

技术领域

本发明涉及真空镀膜领域，尤其是一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，适用于大面积平面旋转基板均匀镀膜的磁控溅射镀膜机的靶材磁铁放置角度的确定。

背景技术

近年来，磁控溅射镀膜机在工业化镀膜生产中的应用日益广泛。特别是，随着触摸屏相关的终端产品市场持续升温，利用磁控溅射镀膜机镀制性能良好的触摸屏所需的功能性薄膜成为趋势之一。

旋转圆柱靶以其利用率高和靶中毒少等特点而被广泛采用。虽然，配合旋转圆柱靶使用的基板伞架的旋转有助于提高基板上镀膜的均一性，但对于平面基板而言，在旋转过程中，基板上每个点的旋转半径不同，导致溅射靶材到平面基板上的不同位置的距离不等，从而导致膜层厚度的不一致，从而给产品带来颜色、光学性能的不一致，这对于高品质镀膜是不能接受的。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，通过膜厚的计算，得到良好均一性膜厚所对应的磁场角度，从而保证膜厚的均一性，提高镀膜品质。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，所述磁铁安装在磁控溅射镀膜机的真空腔之中，所述真空腔侧壁安装靶材，所述靶材为旋转圆柱靶，所述真空腔之中安装有基板伞架，所述基板伞架上承载有基板，所述基板为大面积平面基板，所述平面基板随着所述基板伞架在所述真空腔内自转，其特征在于：所述确定方法至少包括以下步骤：

基于knudsen定律，利用解析法计算在不同磁铁放置角度下，所述基板旋转时所形成的膜厚分布，从中选择最优膜厚分布所对应的磁铁放置角度作为磁铁放置角度的最优初始值。

在磁铁放置角度为初始值的前提下进行实际镀膜并根据实际镀膜的膜厚分布情况对磁铁放置角度进行后续调整，得到磁铁放置角度的最优值。

所述后续调整是指，根据实际镀膜时的膜厚分布，在所述磁铁放置角度最优初始值附近微调，同时观察膜厚分布均一性的变化趋势，以确定磁铁放置角度的最优值。

所述后续调整是指，根据实际镀膜时的膜厚分布，确定磁铁放置角度的最优初始值即为磁铁放置角度的最优值。

所述磁铁放置角度的最优初始值的计算至少包括以下步骤：

计算单个靶材时旋转基板上的镀膜厚度分布情况：可旋转靶材对于静止基板上某点产生的膜厚计算；旋转基板上各点的坐标计算；旋转溅射源对旋转基板进行溅射，所成薄膜厚度的计算。

采用孪生靶时，分别计算两个靶材溅射源对于旋转基板的镀膜厚度情况，其后求和。

本发明的优点是：能精确确定磁铁放置的最佳角度，从而使镀膜厚度的均一性得到保证；计算量小，EXCEL就可以算；较直接，比较容易分析各个变量对于结果的影响。

附图说明

图1为本发明中可旋转靶材对于静止基板上某点产生的膜厚计算示意图；

图2为本发明中所使用的空间立体角示意图；

图3为本发明中平面基板上一微小面积dS与其对应的立体角dw之间的位置关系示意图；

图4为本发明中旋转基板上各点的坐标计算示意图；

图5为本发明中可旋转靶材对于旋转基板上某点产生的膜厚计算示意图；

图6为本发明中孪生靶材时基板上的膜厚分布计算示意图；

图7为本发明中磁铁放置角度与膜厚分布之间的对应关系图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：本实施例中磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法用于磁控溅射镀膜机中，其中磁铁安装在磁控溅射镀膜机的真空腔之中，真空腔侧壁安装靶材，靶材为旋转圆柱靶，真空腔之中安装有基板伞架，基板伞架上承载有基板，基板为大面积平面基板，平面基板随着所述基板伞架在所述真空腔内自转。

磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法包括以下步骤：

一、首先采用计算方法确定靶材磁铁的初始值：

1、首先计算单个靶材时旋转基板上的镀膜厚度分布情况。

（1）单个可旋转靶材对于静止基板上某点产生的膜厚计算。

如图1所示，靶材“可旋转”体现在β，β表征了靶材磁铁的放置角度，并不是指靶材在磁控溅射镀膜过程中的自转，而是指靶材相较于其垂直放置时旋转了β度。图2中的点B对应圆柱形靶材表面横向磁场最大的区域。

如图1所示，圆柱形靶材截面图为以点A为圆心，d为半径的圆，平面基板位于直线EF上，点B为膜料发射点，其中：

点A坐标：（a, b）；

以点A为中心、半径d的点源B坐标：（x, y）；

以点A为中心、半径d的点源B的旋转角度：β；

连接点A到点B的矢量：AB；

AB相对基板的倾斜角度：α；

基板上点F坐标：（X, Y）；

连接点F到点B的矢量：BF；

AB与BF之间的角度：θ；

由点B向基板做垂线，垂足为点E，其坐标为：（Xα, Yα）。

易知：

根据蒸发源蒸汽密度计算的Knudsen定律，将溅射靶材上的点B看作一个微小蒸发源，于是，溅射源点B在基板上F点产生的膜料质量流密度微分dm为：

其中，A为比例系数，θ为图2中OD与z轴之间的夹角，dw为立体角微分，n表征蒸发源的蒸发特性，为一常数。

若将溅射源点B的蒸发空间限定在半空间Ω，则在这个半空间中的膜料溅射总量M满足：

所以

由立体几何的知识，图2中，有如下关系：

如图3中，对于平面基板上一微小面积dS与其对应的立体角dw之间存在如下关系：

综上各式，溅射源点B在基板上一微小面积上产生的质量流密度Δm为：

易知，对于基板上点F处微小面积dS上的膜厚 D(X,Y)、膜料密度ρ、膜料质量流密度Δm之间存在如下关系：

于是，溅射源点B在基板上产生的薄膜厚度D(X,Y)可以表示为：

其中，

n,M,ρ均为常量。 n代表蒸发特性。M蒸发膜料的总质量，ρ为膜料密度。

（2）旋转基板上各点的坐标计算

如图4所示，基板位于圆周上，设定圆柱形散架中心点O到基板边缘的距离为R。其中：

点O（原点）坐标：（0, 0）；

点O为中心、半径R的圆周上点Ge1的坐标：（Xe1, Ye1）；

点O为中心、半径R的圆周上点Ge2的坐标：（Xe2, Ye2）；

连接点O与点Ge1的矢量：矢量OGe1；

连接点O与点Ge2的矢量：矢量OGe2；

OGe1与OGe2之间的夹角：η；

Ge2Ge1的中点坐标 Ge0：（X0, Y0）；

连接点O与点G0的矢量：矢量OGe0；

点O为中心，OG0的角速度：ω；

如果 Ge2Ge1为圆周的内接k边形的一条边，则

则，Ge0、OGe1、OGe2的坐标可以表示为：

对于基板上任意一点Gi（Xi, Yi），如果OG0与OGi之间的夹角为ε，再根据平面几何中矢量投影（或直角三角形中角度与边长的数量关系）的相关知识（比如Xi的获得是：现将已知的R投影到OG0，得到OG0的长度；再将 OG0投影OGi，得到 OGi的长度；最终将OGi投影到X轴得到Xi坐标），利用已知的R、η、ωt求得基板上任意一点Gi（Xi, Yi）的坐标可以表示为：

，ε为OG0与OGi之间的夹角。

基板上任意一点Gi的坐标的作用：后续膜厚的计算均是对于基板上任意一点Gi处的膜厚的计算。从上述Gi（Xi, Yi）的坐标的表达式中可以看出，坐标中包含着：基板上各个膜料附着点的位置分布关系ε和基板转动的信息ωt。

（3）旋转溅射源对旋转基板进行溅射，所成薄膜厚度的计算。

在基板旋转情况下，基板上各点绕回转中心转动，基板相对靶材磁铁的位置亦发生变化。

从上述Gi（Xi, Yi）的坐标的表达式中可以看出，坐标中包含着：基板上各个膜料附着点的位置分布关系ε和基板转动的信息ωt。这样，某时刻，β一定的情况下，溅射源点B在基板上任意一点Gi（Xi, Yi）产生的薄膜厚度D（Xi, Yi）可以表示为：

其中，

从图4中可知，在上述两式中，

根据平面几何相关内容,求得交点E的坐标如下:

于是得到如下表达式：

上述厚度D（Xi, Yi）对于时间求和即得到一定时间范围内，此位置上的膜厚。

对基板上每点进行上述计算，就可以得到旋转基板上膜厚的空间分布情况；对于基板上每点的膜厚进行时间的求和，就得到基板旋转情况下，溅射膜厚的情况。在β一定的情况下，将D（Xi, Yi）对时间和基板横向上求和，即得到在一定的靶材磁铁放置角度下，旋转基板上膜厚的分布情况。

对β取不同的值，就得到不同磁铁放置角度下基板上每点的厚度。这样，就可以得到不同磁铁放置角度下，旋转基板上的膜厚分布情况。从诸膜厚分布情况中选取膜厚分布最优者作为靶材磁铁放置角度的最优初始值。

2、计算孪生靶材时基板上的镀膜厚度分布情况。

如果采用孪生靶，如下图6，则需分别计算两个靶材溅射源对于旋转基板的镀膜厚度情况(基本的计算流程如上)，其后求和。

同样地,对β取不同的值，就得到不同磁铁放置角度下基板上每点的厚度。这样，就可以得到不同磁铁放置角度下，旋转基板上的膜厚分布情况。从诸膜厚分布情况中选取膜厚分布最优者做为靶材磁铁放置角度的最优初始值。如图7所示情况，β为28.9°时，在整个基板上具有最好的膜厚均一性。

二、通过实际镀膜结果，对靶材磁铁的放置角度进行后续调整。

（1）采用上述计算方法，获取靶材磁铁放置角度的最优初始角度，然后以最优初始角度进行实际镀膜。

（2）分析实际中的平面基板上的膜厚分布情况，对靶材磁铁角度进行后续调整，以达到最佳膜厚分布。在本技术方案中，如果计算出的最优初始值显示可以实现膜厚均一，但实际镀出来膜厚均一性有可能并不好，则可以通过将靶材磁铁角度在最优角度附近微调，看均一性的变化趋势，以确定在哪个角度下膜厚的均一性会变好，从而确定磁铁放置角度的最优值。

但根据实际镀膜情况，若通过计算得到的磁铁放置角度的最佳初始值，其镀出来的膜厚均一性最好，则将该最佳初始值作为磁铁放置角度的最优值。

Claims (5)

1.一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，所述磁铁安装在磁控溅射镀膜机的真空腔之中，所述真空腔侧壁安装靶材，所述靶材为旋转圆柱靶，所述真空腔之中安装有基板伞架，所述基板伞架上承载有基板，所述基板为大面积平面基板，所述平面基板随着所述基板伞架在所述真空腔内自转，其特征在于：所述确定方法至少包括以下步骤：

基于knudsen定律，利用解析法计算在不同磁铁放置角度下，所述基板旋转时所形成的膜厚分布，从中选择最优膜厚分布所对应的磁铁放置角度作为磁铁放置角度的最优初始值；在磁铁放置角度为初始值的前提下进行实际镀膜并根据实际镀膜的膜厚分布情况对磁铁放置角度进行后续调整，得到磁铁放置角度的最优值。

2.根据权利要求1所述的一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，其特征在于：所述后续调整是指，根据实际镀膜时的膜厚分布，在所述磁铁放置角度最优初始值附近微调，同时观察膜厚分布均一性的变化趋势，以确定磁铁放置角度的最优值。

3.根据权利要求1所述的一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，其特征在于：所述后续调整是指，根据实际镀膜时的膜厚分布，确定磁铁放置角度的最优初始值即为磁铁放置角度的最优值。

4.根据权利要求1所述的一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，其特征在于：所述磁铁放置角度的最优初始值的计算至少包括以下步骤：

计算单个靶材时旋转基板上的镀膜厚度分布情况：可旋转靶材对于静止基板上某点产生的膜厚计算；旋转基板上各点的坐标计算；旋转溅射源对旋转基板进行溅射，所成薄膜厚度的计算。

5.根据权利要求4所述的一种磁控溅射靶材磁铁放置角度的确定方法，其特征在于：采用孪生靶时，分别计算两个靶材溅射源对于旋转基板的镀膜厚度情况，其后求和。