CN108315702B - 一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法，在溅射阴极和工件盘之间增加具有孔阵列的挡板，孔阵列在不同位置设置不同的孔径，改变一定等离子体刻蚀速率时的有效沉积面积，达到对等离子体在工件表面投影面积大小的精确控制，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正，实现对沉积区域膜厚均匀性的调整。

Description

一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法

技术领域

本发明涉及薄膜技术领域，具体涉及一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法。

背景技术

磁控溅射技术作为最重要的物理气相沉积方法之一，制备薄膜具有成膜速率高，基片温度低，薄膜致密性与结合力好等优点，因此在机械、光学、电子等行业得到了广泛的应用。溅射镀膜就是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。但受阴极内磁铁磁场分布、溅射气体分布等原因，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密度分布，使得所镀膜层厚度不能成理想的均匀分布。而膜层的厚度分布是影响薄膜性能的一个重要因素，在光学薄膜、电学薄膜，特别是一些大面积溅射薄膜的应用中，对薄膜的厚度分布、均匀性有着严格的要求。因此，如何数字化的精确控制膜层的均匀性是磁控溅射镀膜工艺研究的重点之一。

为了实现膜层厚度均匀性的精确控制，在实际镀膜过程中主要通过在溅射阴极和工件架中间安装修正板，通过改变阴极等离子体在工件架上的投影沉积区域形状来调整膜厚均匀性。由于这种装置的安装不改变阴极的结构和工作方式，可以根据实际生产工艺需要对沉积区域的膜层均匀性进行调整，可广泛适用于多种磁控溅射方法及不同类型磁控溅射阴极，如平面或圆柱阴极。

传统磁控溅射阴极膜厚均匀性调整主要通过改变遮挡板形状，从而改变等子体在工件盘上的投影沉积区域形状来实现，如图1所示。从图中可以看到，通过改变沿公转轴方向(x方向)不同位置处等离子体透过区域宽度W_x，可实现对等离子体沉积在工件盘上投影面积的调整，达到对膜厚均匀性的修正。但由于阴极等离子体浓度沿其宽度方向不均匀，等子体在工件盘上的投影面积，由公转轴方向的投影宽度W_x决定，与膜厚之间很难建立精确的对应关系，在实际生产过程中均匀性调节变得异常复杂，极大的降低了镀膜效率。

中国专利公开号CN103074587A中公开了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；其中多块修正小滑块并行排列，并且垂直安装在矩形安装架的内框上。滑动每个修正小滑块，其伸出端的边缘在矩形安装架内框区域形成调整曲线，达到修正膜层厚度。但由于矩形平面阴极靶面电磁场的非均匀分布，造成等离子体密度沿阴极靶面宽度、长度方向分布不均，最终导致磁控溅射阴极的不均匀溅射和不均匀沉积。此外，沉积薄膜厚度分布与工艺参数有关，如靶基距、溅射功率、工作气压等。因此，工件上沉积薄膜的厚度与等离子体在工件上的投影面积大小之间并不是简单的线性变化趋势。通过调整修正小滑块伸出端的长度，改变等离子体投影面积大小很难实现对膜厚的精确调整。在实际镀膜过程中，对于不同工艺参数，需要进行多次实验，进行反复的修正挡板形状，才能得到满足要求的膜厚分布。极大的降低了镀膜生产的效率，提高了镀膜成本。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法及装置，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正。

第一方面，本发明提供一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法，包括：

溅射阴极、与所述溅射阴极平行设置的用于放置工件的工件盘以及设置在所述溅射阴极和所述工件盘之间的挡板，所述挡板的面积大于等于所述溅射阴极在所述工件盘上的投影区域的面积，所述挡板上设有用于等离子体透过的孔阵列，所述孔阵列至少具有沿所述工件盘的径向方向对应排列且间隔设置的多个孔，所述多个孔的孔径不同，所述溅射阴极通过所述挡板上的孔阵列对所述工件盘上的工件进行溅射镀膜，并通过所述挡板不同位置处孔的孔径改变一定等离子体刻蚀速率时的有效沉积面积以控制沉积区域膜厚均匀性。

作为一种可能的实现方式，所述孔阵列上的孔的孔径依次减小或增大。

作为一种可能的实现方式，所述孔阵列的孔的孔径D₁(x)计算方法为：

其中，沿x方向的孔径直径为D₁(x)，孔间距为d，x处挡板方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²，设定目标厚度为t_target。

作为一种可能的实现方式，所述孔径直径分布D₂(x)的计算方法为：

其中，在溅射阴极下方安装所制作挡板，并再次进行溅射实验，获得修正后的膜层厚度分布t₂(x)。

作为一种可能的实现方式，所述挡板采用矩形板，所述孔阵列以8×16等间隔排布在所述矩形板上。

第二方面，本发明提供一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法，应用于上述的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置，所述方法包括：

利用溅射阴极对工件盘上的工件进行溅射沉积薄膜，得到沿径向的第一膜层厚度分布值；

根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径；

在所述溅射阴极和所述工件盘之间加装挡板进行溅射实验，获得第二膜层厚度分布值；

根据所述孔径直径、所述目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径；

在所述挡板上形成具有所述目标孔径直径的孔阵列，并利用所述孔阵列对工件进行溅射沉积薄膜。

作为一种可能的实现方式，所述根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径，包括：

根据所述第一膜层厚度分布值t₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target和孔间距d的第一对应关系确定孔径直径D₁(x)，所述第一对应关系为：

其中，x处挡板方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²。

作为一种可能的实现方式，所述根据所述孔径直径、目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径，包括：

根据所述孔径直径D₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target和所述第二膜层厚度分布值t₂(x)的第二对应关系对所述孔径直径D₁(x)进行修正得到目标孔径直径D₂(x)，所述第二对应关系为：

作为一种可能的实现方式，还包括：

判断膜层厚度是否达到所需的均匀性，若未达到则重复进行孔径直径的修正。

本发明提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法，在溅射阴极和工件盘之间增加具有孔阵列的挡板，孔阵列在不同位置设置不同的孔径，改变一定等离子体刻蚀速率时的有效沉积面积，达到对等离子体在工件表面投影面积大小的精确控制，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正，实现对沉积区域膜厚均匀性的调整。

附图说明

图1是现有技术中通过改变遮挡板形状实现均匀性调整结构的示意图；

图2是本发明实施例中提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置中挡板的结构示意图；

图4是本发明实施例中提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2所示，本发明提供一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置，包括：

溅射阴极1、与所述溅射阴极1平行设置的用于放置工件2的工件盘(图中未示出)以及设置在所述溅射阴极1和所述工件盘之间的挡板3，挡板3通过挡板支架进行安装，所述挡板3的面积大于等于所述溅射阴极1在所述工件盘上的投影区域的面积，所述挡板3上设有用于等离子体透过的孔阵列，所述孔阵列至少具有沿所述工件盘的径向方向对应排列且间隔设置的多个孔，所述多个孔的孔径不同，所述溅射阴极1通过所述挡板3上的孔阵列对所述工件盘上的工件2进行溅射镀膜，并通过所述挡板3不同位置处孔的孔径改变一定等离子体刻蚀速率时的有效沉积面积以控制沉积区域膜厚均匀性,通过调整挡板3上的等离子体可透过孔径大小，实现对等离子体在工件盘上投影面积的调整，消除了溅射阴极1等离子体沿宽度方向不均匀的影响，可精确建立等子体在工件盘上的投影面积与膜厚之间的对应关系，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正。

根据磁控靶和工件盘的相对位置，磁控溅射镀膜系统主要包括立式、卧式等，本发明提出的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置适用于立式、卧式等溅射系统，这里以卧式系统为例，溅射阴极1用来进行阴极溅射，阴极溅射时当真空室内的真空度为0.5Pa时，在阴阳两电极之间加上一定的电压，气体就会发生自激放电，从阴极溅射出的原子或原子团可沉积在阳极或真空室的壁上，阴极位于工件盘上方，向下溅射，在工件2上沉积薄膜，工件盘围绕公转轴进行转，挡板3安装于溅射阴极1下方，工件2上方。通过对挡板3遮挡区域面积大小的调整，实现对径向不同位置处膜层厚度的精确控制。

孔阵列上的孔的孔径依次减小或增大，可以方便在进行挡板3遮挡控制时进行顺序操作，避免因为孔径排列杂乱无章导致挡板3运动行程较多，有助于提高生产效率。

对于孔径的计算可以反复通过验证进行确定，具体地，在只安装挡板3支架时，工件盘旋转，进行溅射沉积薄膜，得到沿径向的膜层厚度分布为t₁(x)，沿x方向孔径直径为D₁(x)，孔间距为d。则x处挡板3方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²，设定目标厚度为t_target，，孔阵列的孔的孔径D₁(x)计算方法为：

其中，沿x方向的孔径直径为D₁(x)，孔间距为d，x处挡板3方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²。

由上述数学表达式，可求出沿径向不同位置孔径的直径大小，按照所求D₁(x)设计并加工挡板3。

在溅射阴极1下方安装所制作挡板3，并再次进行溅射实验，获得修正后的膜层厚度分布t₂(x)，所述孔径直径分布D₂(x)的计算方法为：

其中，在溅射阴极1下方安装所制作挡板3，并再次进行溅射实验，获得修正后的膜层厚度分布t₂(x)，根据修正后的膜层分布，对挡板3进行微调，得到修正后的孔径直径分布D₂(x)，可求出沿径向不同位置孔径的直径大小，按照所求D₂(x)设计并加工所需要挡板3，当然，如果膜层的厚度仍然没有达到预期的均匀性，重复上述步骤，进行挡板3孔径的修正，直到达到预期效果为止。

如图3所示，挡板3采用矩形板，孔阵列以8×16等间隔排布在所述矩形板上,在图中方向,孔阵列的孔径由左至右依次减小。

本发明实施例中提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置，通过调整挡板3上的等离子体可透过孔径大小，实现对等离子体在工件盘上投影面积的调整，消除了溅射阴极1等离子体沿宽度方向不均匀的影响，可精确建立等子体在工件盘上的投影面积与膜厚之间的对应关系，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正。

如图4所示，对应地，本发明实施例中提供的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法，应用于上述的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置，所述方法包括：

S401、利用溅射阴极1对工件盘上的工件2进行溅射沉积薄膜，得到沿径向的第一膜层厚度分布值。

S402、根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径。

具体地,在步骤S402中,所述根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径，包括：

根据所述第一膜层厚度分布值t₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target，和孔间距d的第一对应关系确定孔径直径D₁(x)，所述第一对应关系为：

其中，x处挡板3方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²。

S403、在所述溅射阴极1和所述工件盘之间加装挡板3进行溅射实验，获得第二膜层厚度分布值。

S404、根据所述孔径直径、所述目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径。

在步骤S404中,所述根据所述孔径直径、目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径，包括：

根据所述孔径直径D₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target，和所述第二膜层厚度分布值t₂(x)的第二对应关系对所述孔径直径D₁(x)进行修正得到目标孔径直径D₂(x)，所述第二对应关系为：

S405、在所述挡板3上形成具有所述目标孔径直径的孔阵列，并利用所述孔阵列对工件2进行溅射沉积薄膜。

在步骤S405之后,方法还包括：

S406、判断膜层厚度是否达到所需的均匀性，若未达到则重复进行孔径直径的修正。

如果膜层的厚度仍然没有达到预期的均匀性，重复上述步骤，进行挡板3孔径的修正，直到达到预期效果为止。

如图3和4所示，具体地，具体步骤如下：

(1)在只安装挡板支架时，工件盘旋转，进行溅射沉积薄膜，得到沿径向的膜层厚度分布为t₁(x)。沿x方向孔径直径为D₁(x)，孔间距为d，则x处挡板3方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²。设定目标厚度为t_target，孔径直径需要满足关系式：

由上述数学表达式，可求出沿径向不同位置孔径的直径大小，按照所求D₁(x)设计并加工挡板3。

(2)在溅射阴极1下方安装所制作挡板3，并再次进行溅射实验，获得修正后的膜层厚度分布t₂(x)。根据修正后的膜层分布，对挡板3进行微调。孔径直径满足关系式：

得到修正后的孔径直径分布D₂(x)。

(3)如果膜层的厚度仍然没有达到预期的均匀性，重复上述步骤，进行挡板3孔径的修正，直到达到预期效果为止。

本发明提出平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法，通过调整挡板上的等离子体可透过孔径大小，实现对等离子体在工件盘上投影面积的调整，消除了溅射阴极等离子体沿宽度方向不均匀的影响，可精确建立等子体在工件盘上的投影面积与膜厚之间的对应关系，能快速、精确的实现磁控溅射膜厚均匀性的修正。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法，其特征在于，应用于平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置，所述平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整装置包括：

溅射阴极、与所述溅射阴极平行设置的用于放置工件的工件盘以及设置在所述溅射阴极和所述工件盘之间的挡板，所述挡板的面积大于等于所述溅射阴极在所述工件盘上的投影区域的面积，所述挡板上设有用于等离子体透过的孔阵列，所述孔阵列至少具有沿所述工件盘的径向方向对应排列且间隔设置的多个孔，所述多个孔的孔径不同，所述溅射阴极通过所述挡板上的孔阵列对所述工件盘上的工件进行溅射镀膜，并通过所述挡板不同位置处孔的孔径改变一定等离子体刻蚀速率时的有效沉积面积以控制沉积区域膜厚均匀性；

所述平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法包括：

利用溅射阴极对工件盘上的工件进行溅射沉积薄膜，得到沿径向的第一膜层厚度分布值；

根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径；

在所述溅射阴极和所述工件盘之间加装挡板进行溅射实验，获得第二膜层厚度分布值；

根据所述孔径直径、所述目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径；

在所述挡板上形成具有所述目标孔径直径的孔阵列，并利用所述孔阵列对工件进行溅射沉积薄膜；

所述根据所述第一膜层厚度分布值、目标膜层厚度分布值和孔间距的第一对应关系确定孔径直径，包括：

根据所述第一膜层厚度分布值t₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target和孔间距d的第一对应关系确定孔径直径D₁(x)，所述第一对应关系为：

其中，x处挡板方形单元结构透过面积占总面积比例为π[D₁(x)/2]²/d²；

所述根据所述孔径直径、目标膜层厚度分布值和所述第二膜层厚度分布值的第二对应关系对所述孔径直径进行修正得到目标孔径直径，包括：

根据所述孔径直径D₁(x)、目标膜层厚度分布值t_target和所述第二膜层厚度分布值t₂(x)的第二对应关系对所述孔径直径D₁(x)进行修正得到目标孔径直径D₂(x)，所述第二对应关系为：

2.根据权利要求1所述的平面矩形磁控溅射阴极镀膜均匀性调整方法，其特征在于，还包括：

判断膜层厚度是否达到所需的均匀性，若未达到则重复进行孔径直径的修正。

Images