CN106987817A - 一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法 - Google Patents

一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法,分别利用安装在靶枪前方的掩膜板和安装在样品架上位于样品两侧对称位置的分隔板,限制大尺寸线型磁控溅射靶枪在水平和竖直方向溅射粒子的发散角度,使得溅射粒子倾斜轰击基板的入射角度减小,减小倾斜轰击基板的溅射粒子对成膜质量的不利影响,提高凹形柱面基底的薄膜质量。

Description

一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法
技术领域
本发明涉及一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法,属于光学薄膜领域。
背景技术
随着我国天文探索需求的不断增加,嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜的研制已经提上日程。嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜的镜片具有大尺寸、柱对称等特点,而现有的镀膜机大多采用自转加公转的行星运动模式,这样的运动模式使得其制备的镜片具有圆对称的特性,不能满足我们现在对于制备柱对称的嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜的大尺寸柱面镜镜片,同时由于运动模式的限制,使得一次性可安放的样品数量较少,其生产效率不能满足嵌套式的结构对于镜片大量制备需求,因此能够批量稳定生产,并且具有柱对称性质的大型磁控溅射镀膜机的设计成为了研制嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜的前提。同时在望远镜镜片制备的过程中,由于在热弯玻璃成型的工艺中对于凸形柱面镜的薄膜制备需求,使得能够同时满足对于柱面基底凹面和凸面的薄膜制备需求也成为了这一磁控镀膜设备的设计要求。在这样特定的镜片结构和特定的生产需求下,一种使用线型磁控溅射靶枪的双功能、柱对称、大尺寸、高均匀性镀膜机应运而生。这种线型靶枪虽然可以很好的满足薄膜制备的需求,但是由于长且窄的特殊靶枪形状导致其溅射粒子分布较之以往常见的镀膜设备有极大的区别,更多的溅射粒子以大角度倾斜入射的方式沉积到基底上,在成膜过程中由于溅射粒子的大角度倾斜入射,使得薄膜的生长方式受到了影响。我们知道薄膜生长过程中在薄膜的成核阶段,原子入射到基板表面,失去在法线方向的分速度而附着在基板上,保留平行与基板的动能作表面移动并与其他原子一起凝聚形成原子团。但是倾斜入射的粒子撞击基板后法线方向的动能转化成热能,平行于基板方向的动能则不能抵消从而减少了表面迁移率。因此这些原子团并不能与邻近的核合并,在基板上留下许多空区。在成核之后的生长阶段,由于入射粒子以一定的倾斜角度入射,核在基板形成几何阴影,使入射粒子被核吸附而不能到达阴影区域。随着溅射时间的增加,基板上的薄膜将会形成沿各种入射方向生长的柱状结构。这种不规则结构导致薄膜中的空隙较多、晶粒大小不一等问题,在这些因素的影响下,成膜质量大大降低,无法满足嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜镜片对于薄膜成膜质量的要求。而现有的线型磁控溅射靶枪制备工艺技术,并不能很好的限制溅射粒子倾斜轰击基板的入射角度,于是我们使用在本专利中介绍的技术手段,通过加装两种挡板限制粒子沉积时的角度,大幅度提升了线型磁控溅射靶枪镀制凹形柱面基底薄膜的质量,满足了嵌套式X射线天文望远镜镜片的制作需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法,以提升线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底的镀膜质量,限制溅射粒子轰击基板的入射角度,利用加装挡板(掩膜板及分隔板)的方法,通过控制挡板安装的位置和尺寸,控制溅射粒子入射到样品表面的角度范围,减小薄膜柱状生长较大幅度的提升了镀膜质量,使之满足嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜镜片对于薄膜规整度的需求。
本发明采用的技术方案是:
一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法,所述方法通过加装掩膜板和分隔板的方式限制大尺寸线型磁控溅射靶枪溅射粒子入射到凹形柱面基底的角度,改善凹形柱面基底成膜质量,具体步骤如下:
(1)在距离靶枪的靶面30mm~50mm处安装两块掩膜板,所述两块掩膜板与靶枪的靶面平行,两块掩膜板的间距为35mm~80mm,用于限制水平方向溅射粒子入射到柱面基底的角度,入射到柱面基底的收集角度为34.22°~49.72°;
(2)在样品架上方两侧对称设置分隔板,所述分隔板平行于放置于样品架上的样品母线,垂直于样品架安装,两块分隔板间距为150mm以内,所述分隔板的尺寸为45mm×240mm,用于限制竖直方向溅射粒子入射柱面基底的角度,使入射柱面基底的角度小于52°;
(3)抽取真空,使得磁控溅射腔体内真空度达到4×10-4Pa及以下;
(4)充入溅射工作气体Ar气,靶枪起辉,进行薄膜的镀制。
本发明中,所述靶枪为线型磁控溅射靶枪,该靶枪溅射面尺寸为38mm×508mm。
本发明中,所述样品为凹形柱面基底,其直径为100mm~260mm,母线长度在230mm以内,弧角度在90°以内,凹形柱面基底与靶枪的靶面距离为9cm~11cm。
本发明通过加装分隔板和掩膜板,极大地减小了溅射粒子倾斜入射到基底表面对于成膜质量的影响,大幅度提高了成膜质量,能够满足嵌套式掠入射聚焦X射线天文望远镜镜片对于薄膜规整度的需求,即将薄膜的粗糙度从1.5nm降低到0.5nm以下,使得反射效率大幅提升,满足了嵌套式聚焦X射线天文望远镜望远镜镜片的镀膜需求。
本发明通过使用掩膜板和分隔板,有效限制了溅射粒子入射到基底时的角度,减小了溅射粒子大角度倾斜入射到基底对成膜质量的不利影响,提升了镀膜的质量,大幅度提升了该设备的性能。
附图说明
图1是掩膜板安装正面示意图。
图2是掩膜板安装侧面示意图。
图3是分隔板安装示意图图。
图4是安装掩膜板和分隔板之前20周期Mo/Si薄膜的XRR测试曲线。
图5是安装掩膜板和分隔板之后的20周期Mo/Si薄膜的XRR测试曲线。
图中标号:1.掩膜板,2.掩膜板预留宽度,3.靶枪,4.掩膜板预留高度,5.分隔板高度,6.分隔板,7.分隔板间距,8.基板,9.样品架。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1:
所进行工艺改良的设备具有如下特点:靶枪为线型磁控溅射靶枪,该靶枪溅射面尺寸为38mm×508mm。针对该靶枪的特殊形状,及由于其特殊形状造成的溅射粒子入射基板的角度较大的情况,采用掩膜板和分隔板相结合的方式限制溅射粒子入射基板的角度,以此提高成膜质量。
在制备柱面凹面镜时,镀制样品为直径170mm,弧面角度60°,轴向长210mm,厚度0.27mm的柱面D263玻璃。样品母线沿水平方向放置,中心母线平行于靶面的样品架,并位于在样品架的中心位置。在样品两侧对称安置两个平行于水平方向且垂直于样品架的分隔板,分隔板尺寸为45mm×240mm,分隔板间距110mm,用以限制竖直方向溅射粒子的入射角度,此时溅射粒子竖直入射角度最大为40.97°。
在距离靶面45mm处,平行于靶面安装两块40mm×550mm的掩膜板,掩膜板之间预留60mm宽间隙,起到限制溅射粒子水平发散角度的作用,此时水平发散角最大为42.57°。在限制了竖直和水平两个维度的溅射粒子入射基底的角度后,在镀膜参数为:靶距100mm,本底真空4×10-4Pa,溅射Ar气充入量为3mTorr,W靶功率400W,Si靶功率600W时制备W/Si多层膜,此时制备的成膜质量得到极大改善,将制备的薄膜的粗糙度从1.5nm降低到0.5nm以下。
对比图4和图5明显发现成膜质量有了显著的提升,主要是布拉格反射峰的规整程度和高度的提升。这里所指布拉格衍射峰是基于布拉格条件的X射线多层膜的反射现象,当布拉格反射峰强度较高,形状对称规整且相对尖锐时,薄膜的粗糙度较小,我成膜质量较好;反之,布拉格反射峰强度较弱,形状不规整且相对较宽时,薄膜的粗糙度较大,成膜质量较差。

Claims (3)

1.一种提高线型磁控溅射靶枪在凹形柱面基底镀膜质量的方法,其特征在于所述方法通过加装掩膜板和分隔板的方式限制大尺寸线型磁控溅射靶枪溅射粒子入射到凹形柱面基底的角度,改善凹形柱面基底成膜质量,具体步骤如下:
(1)在距离靶枪的靶面30mm~50mm处安装两块掩膜板,所述两块掩膜板与靶枪的靶面平行,两块掩膜板的间距为35mm~80mm,用于限制水平方向溅射粒子入射到柱面基底的角度,入射到柱面基底的收集角度为34.22°~49.72°;
(2)在样品架上方两侧对称设置分隔板,所述分隔板平行于放置于样品架上的样品母线,垂直于样品架安装,两块分隔板间距为150mm以内,所述分隔板的尺寸为45mm×240mm,用于限制竖直方向溅射粒子入射柱面基底的角度,使入射柱面基底的角度小于52°;
(3)抽取真空,使得磁控溅射腔体内真空度达到4×10-4Pa及以下;
(4)充入溅射工作气体Ar气,靶枪起辉,进行薄膜的镀制。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述靶枪为线型磁控溅射靶枪,该靶枪溅射面尺寸为38mm×508mm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述样品为凹形柱面基底,其直径为100mm~260mm,母线长度在230mm以内,弧角度在90°以内,凹形柱面基底与靶枪的靶面距离为9cm~11cm。
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