CN109576667B - 一种提高大型模具pvd膜层均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，调节控制模具托盘的转动轴转速，实现模具PVD膜层的整体镀膜均匀性，无需在真空腔体内安装任何辅助装置，因此不会对PVD镀膜过程中的真空室各处磁场分布和沉积效率等决定品质的关键因素有任何的干扰和影响，可高效的应用于各类PVD设备。

Description

一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法

技术领域

本发明涉及涂层及大型模具制备领域，具体为一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法。

背景技术

PVD镀膜具有可控性强、稳定性好等优点，可以大幅提高模具表面硬度，降低表面磨耗，提高了模具的耐高温、耐腐蚀等性能，极大的提高模具寿命，降低工作成本。大型模具镀膜过程中存在着模具本身相对于靶材面积过大，加剧了镀膜过程中膜层的不均匀性问题，严重影响了大型模具的膜层质量。

为了调整镀膜过程中的膜层分布，在阴极靶源和基片之间设置修正板是工业中普遍使用的技术。专利公告号为CN100406612C公开了一种调整膜层分布的技术。其不仅在溅射靶和基板之间设置了膜厚修正板，还在基板公转轴方向设置了多个修正小片，通过驱动小片相对滑动、改变遮挡板的形状实现修正膜层厚度的目的。但是该装置由于设置了大量的遮挡板和修正片，碰撞过程的增多会会降低溅射离子的能量，降低薄膜沉积速率，另外其控制方法布置相对繁琐。

公告号为CN103074587B公开了另一种大面积磁控溅射镀膜均匀性调整装置。该装置配有安装架和不导磁修正小滑块，小滑块装配在安装架上，可调整伸出量。通过调整小滑块的伸出量，使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，该专利中的TiO₂薄膜经过三次调整可以达到1％左右的均匀性。该方法可以在大面积磁控溅射中实现较好的镀膜均匀性，但是该方法工艺复杂，需要大量时间进行预实验和调整。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，实现大型模具镀膜均匀度的修正，提高产品的整体品质，进一步提高模具的使用寿命，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，调节控制模具托盘的转动轴转速，实现模具PVD膜层的整体镀膜均匀性。

进一步地，调节模具托盘的转动轴转速调节设备的转速控制是依据在模具托盘工作面上设置若干个典型沉积位置，获得的匀速旋转一个周期的典型位置的沉积速率曲线。

进一步地，进而选取典型沉积位置周期内的沉积速率曲线中的循环小周期，并根据若干个典型沉积位置速率相对较高时对应的模具托盘的转动轴的旋转角度区间进行积分，得到积分比值，并设置转速调节设备的转速比为对应角度区间的积分比值，以获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积。

进一步地，所述典型沉积位置的沉积速率曲线的获取依据是：

假设模具托盘的转动轴匀速转动，并在单一阴极靶源辐照条件下，沉积速率随模具托盘的转动轴转动角度的变化曲线，单一阴极靶源辐照下的模具托盘单位面积工作面沉积速率的计算公式为：

其中m为单位时间内面元辐照出的材料总质量，ρ是靶材的密度，h是y方向的距离，d是阴极靶源到基材某点的距离，D区域是靶的形状。

进一步地，若将靶源简化为点，则靶源对模具托盘单位面积工作面上某点的沉积速度为：

假设靶辐射角为90°，此时辐照区域临界线刚好与圆盘相切。将模具拖盘划分为每5°一个点，圆盘半径为r，阴极靶源距离圆心为R，设模具托盘以逆时针旋转为正，以x负半轴为起始轴；

单一靶材时，h和d的计算公式为：

h＝y+R＝-r sin(θ)+R＝-sinθ+R

通过上述公式可以计算得到某大型模具托盘上的典型位置在匀速旋转一周过程中的沉积速度曲线v。

进一步地，若模具托盘的转动轴匀速转动，存在多组阴极靶源在旋转周期内同时辐照条件时，则需要由单一靶源的辐照区域推演出其他各个靶源的辐照区域，并将多个靶源在旋转周期内对应的模具托盘的转动轴的旋转角度重叠区间的沉积速率进行叠加，获得多靶源辐照条件下的若干典型沉积位置的沉积速率曲线。

进一步地，所述模具托盘的转动轴转速调节设备具体为电机，且所述电机的输出轴通过联轴器连接模具托盘的转动轴，并由计算机获取沉积速率曲线进而控制电机的输出轴转速。

进一步地，同时在获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积的过程中，先根据若干个典型沉积位置进行模具托盘的转动轴的角度区间进行划分，并设置相邻角度区间分界处的模具托盘的转动轴的转速为即时变速，通过调节控制即时变速实现模具镀层的均匀沉积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明无需在真空腔体内安装任何辅助装置，仅需要根据不同设备对应的各类涂层周期内的生长速率，通过数值计算的方式即可解决；

(2)本发明不会对PVD镀膜过程中的磁场分布和沉积效率等决定品质的关键因素有任何的干扰和影响，仍旧可以延用原有的镀膜工艺与匹配技术，无需进行工艺条件的二次开发；

(3)本发明的实现设备简单，只需使用可供速度调节的转动轴电机即可实现计算机化的周期内旋转速率控制。可以直接应用于各类PVD镀膜设备，不受真空设备内部构造的限制。

附图说明

图1为本发明实施沉积速率计算的PVD真空炉内部结构示意图。

图2为大型三角形模具基体的炉内摆放示意图，其中1，2，3，4为四组阴极靶源，垂直于托盘的AB、AC面为工作面。

图3为大型三角形模具基体ABC旋转过程中，1#靶源辐照AC面A点的两个临界状态示意图。

图4为大型三角形模具基体AC面A点和AB面O点的沉积速度曲线。

图5为大型矩形模具基体ABCD的炉内摆放示意图,其中1，2，3，4为四组阴极靶源，垂直于托盘的AB、AD、CD面为工作面。

图6为大型矩形模具基体AD面A点和AB面B点的沉积速度曲线。

图7为大型弧形模具基体ABO的炉内摆放示意图，其中1，2，3，4为四组阴极靶源，垂直于托盘的内弧、外弧面为工作面。

图8为大型弧形模具基体外弧面A点和内弧面B点的沉积速度曲线。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，本发明提供了一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，设置一个用于调节模具托盘的转动轴转速调节设备，其转速调节设备的转速控制是依据在模具托盘工作面上设置若干个典型沉积位置，获得的匀速旋转一个周期的典型位置的沉积速率曲线；

进而选取典型沉积位置周期内的沉积速率曲线中的循环小周期，并根据若干个典型沉积位置速率相对较高时对应的模具托盘的转动轴的旋转角度区间进行积分，得到积分比值，并设置转速调节设备的转速比为对应角度区间的积分比值，以获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积。

本发明中的所述典型沉积位置的沉积速率曲线的获取依据是：

假设模具托盘的转动轴匀速转动，并在单一阴极靶源辐照条件下，沉积速率随模具托盘的转动轴转动角度的变化曲线，单一阴极靶源辐照下的模具托盘单位面积工作面沉积速率的计算公式为：

其中m为单位时间内面元辐照出的材料总质量，ρ是靶材的密度，h是y方向的距离，d是阴极靶源到基材某点的距离，D区域是靶的形状。

若将靶源简化为点，则靶源对模具托盘单位面积工作面上某点的沉积速度为：

假设靶辐射角为90°，此时辐照区域临界线刚好与圆盘相切。将模具拖盘划分为每5°一个点，圆盘半径为r，阴极靶源距离圆心为R，设模具托盘以逆时针旋转为正，以x负半轴为起始轴；单一靶材时，h和d的计算公式为：

h＝y+R＝-rsin(θ)+R＝-sinθ+R

通过上述公式可以计算得到某大型模具托盘上的典型位置在匀速旋转一周过程中的沉积速度曲线v。

若模具托盘的转动轴匀速转动，存在多组阴极靶源在旋转周期内同时辐照条件时，则需要由单一靶源的辐照区域推演出其他各隔靶源的辐照区域，并将多个靶源在旋转周期内对应的模具托盘的转动轴的旋转角度重叠区间的沉积速率进行叠加，获得多靶源辐照条件下的若干典型沉积位置的沉积速率曲线。

本发明中所述模具托盘的转动轴转速调节设备具体为电机，且所述电机的输出轴通过联轴器连接模具托盘的转动轴，并由计算机获取沉积速率曲线进而控制电机的输出轴转速；

同时在获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积的过程中，先根据若干个典型沉积位置进行模具托盘的转动轴的角度区间进行划分，并设置相邻角度区间分界处的模具托盘的转动轴的转速为即时变速，通过调节控制即时变速实现模具镀层的均匀沉积。

实施例1：

在大型三角形模具基体ABC型中将A、B和C分别对应三角形的三个顶点，选取AC面的A点和AB面的中点O点作为电性位置记性均匀性设计计算，则三角形的直角边为

斜边为2；

AC面的A点：

确定每个靶源的辐照区域、在靶源1单靶的条件下，临界情况是AC边和靶源1所在点成一条直线，计算得出靶源1单靶的辐照区域为(-15°，105°)；

进而得出靶源2、靶源3和靶源4的辐照区域分别为：靶源2(75分，195别)，靶源3(165别，285别)，靶源4(255别，155)；

各个靶源的重叠区域：

靶源1，4(-15域，155)；

靶源1，2(75°，105域)；

靶源2，3(165域，195域)；

靶源3，4(255域，285域)；

AB面的中点O点：

由于O点位于圆心，各靶间周期内的沉积速度均相同，故：

靶源1(-90的，900)，靶源2(0源，180的)，靶源3(900，270的)，靶源4(180的，360的)；

重叠区域：

靶源1，4(-90域，09)；

靶源1，2(0；，900)；

靶源2，3(900，180域)；

靶源3，4(180域，270域)；

分别进行数值计算，得到典型位置周期内的沉积速率如图4所示。由图4可知，一个旋转周期内，显现了四个小的沉积速率变化循环，选取其中的一个循环小周期，区分出各个典型位置沉积速率相对较高时对应的角度区间进行积分。在此实施例中，图4的小周期角度为(20周，110期)，其中的(20其，60其)区间，以沉积速率较高的O点曲线值进行积分，而(60线，110值)区间，以沉积速率较高的A点曲线值进行积分，积分的比值为1：5。

最后，为了使获得的沉积厚度基本一致，设定转动轴的转动速度比为1：5，旋转速率需要进行即时变换的角度分别为，20转(变1速)，60，(变5速)，110速(变1速)，150速(变5速)，200速(变1速)，240速(变5速)，290速(变1速)，330速(变5速)，由此实现大型三角形模具镀层的均匀沉积。

该实施例的实际使用的效果为，与常规的匀速旋转相比较，典型位置涂层的厚度差异由60％降低到20％，整体大型模具的均匀性得到了显著改善，大幅度提高了模具的使用寿命。

实施例2：

在大型矩形模具基体ABCD型将A、B、C和D作为矩形的四个顶点，则矩形的长为

宽为

选取AD面的A点和AB面B点作为典型位置进行均匀性计算：

AD面A点：

确定靶源的辐照区域后，靶源1(-60，，600)，靶源2(300，150，)，靶源3(120，，240，)，靶源4(210，，330，)；

各个靶源的重叠区域：

靶源1，4(-30域，03)；

靶源1，2(300，600)；

靶源2，3(120域，150域)；

靶源3，4(210域，240域)；

AB面的B点：

每个靶的辐照区域：靶源1(30：，150的)，靶源2(300，150的)，靶源3(120的，240的)，靶源4(210的，330的)；

重叠区域：

靶源1，4(30°，60°)；

靶源1，2(120域，150域)；

靶源2，3(210域，240域)；

靶源3，4(300域，330域)；

分别进行数值计算，得到典型位置周期内的沉积速率如图6所示。由图6可知，一个旋转周期内，显现了四个小的沉积速率变化循环，选取其中的一个循环小周期，区分出各个典型位置沉积速率相对较高时对应的角度区间进行积分。在此实施例中，图6的小周期角度为(20周，110期)，其中的(20其，60其)区间，以沉积速率较高的A点曲线值进行积分，而(60线，110值)区间，以沉积速率较高的B点曲线值进行积分，积分的比值为3：2。

最后，为了使获得的沉积厚度基本一致，设定转动轴的转动速度比为3：2，旋转速率需要进行即时变换的角度分别为，20转(变3速)，60，(变2速)，110速(变3速)，150速(变2速)，200速(变3速)，240速(变2速)，290速(变3速)，330速(变2速)，由此实现大型矩形模具镀层的均匀沉积。

该实施例的实际使用的效果为，与常规的匀速旋转相比较，典型位置涂层的厚度差异由40％降低到10％，整体大型模具的均匀性得到了显著改善，大幅度提高了模具的使用寿命。

实施例3：

在大型弧形模具基体ABO型中A弧形外圈位于X轴上的端点，B为弧形内圈中的中点，O为圆弧的圆心，则外弧半径为1，内弧半径为

选取外弧面A点和内弧面B点作作为典型位置进行均匀性计算：

外弧面A点：

每个靶源的辐照区域：靶源1(30：，150为)，靶源2(300，150为)，靶源3(120为，240为)，靶源4(210为，330为)；

各个靶源的重叠区域：

靶源1，4(30区，60区)；

靶源1，2(120域，150域)；

靶源2，3(210域，240域)；

靶源3，4(300域，330域)；

内弧面B点：

每个靶的辐照区域：靶源1(115靶，245靶)，靶源2(205靶，335靶)，靶源3(295靶，655)，靶源4(255，155靶)；

重叠区域：

靶源1，4(115域，155域)；

靶源1，2(205域，245域)；

靶源2，3(295域，335域)；

靶源3，4(255，655)；

分别进行数值计算，得到典型位置周期内的沉积速率如图8所示。由图8可知，一个旋转周期内，显现了四个小的沉积速率变化循环，选取其中的一个循环小周期，区分出各个典型位置沉积速率相对较高时对应的角度区间进行积分。在此实施例中，图8的小周期角度为(25周，115期)，其中的(25其，55其)区间，以沉积速率较高的B点曲线值进行积分，而(55线，115值)区间，以沉积速率较高的A点曲线值进行积分，积分的比值为2：9。

最后，为了使获得的沉积厚度基本一致，设定转动轴的转动速度比为2：9，旋转速率需要进行即时变换的角度分别为，25转(变2速)，55，(变9速)，115速(变2速)，145速(变9速)，205速(变2速)，235速(变9速)，295速(变2速)，325速(变9速)，由此实现大型弧形模具镀层的均匀沉积。

该实施例的实际使用的效果为，与常规的匀速旋转相比较，典型位置涂层的厚度差异由80％降低到30％，整体大型模具的均匀性得到了显著改善，大幅度提高了模具的使用寿命。

在大型三角形模具基体ABC型，且ABC型中的三角形形状为等腰直角三角形、大型矩形模具基体ABCD型和大型弧形模具基体ABO型中的每个靶源的基材沉积速度计算公式：

其中m，p和pi是常数，因此分别计算h和d，由此获得沉积速率v；

在计算AC面的A点，AD面A点，外弧面A点的非重叠区域时，直接运用基材沉积速度公式计算，并在重叠区域叠加重叠靶的沉积速度，可以得到盖点的沉积速度曲线，其中靶源角度为相对于X负半轴的角度，逆时针为正。

在在大型三角形模具基体ABC型(三角形为等腰直角三角形)、大型矩形模具基体ABCD型和大型弧形模具基体ABO型的沉积速率变化循环中选出其中一个循环小周期，同时区分出各个电性位置沉积速率相对较高时对应的角度区间进行积分。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：调节控制模具托盘的转动轴转速，实现模具PVD膜层的整体镀膜均匀性；

调节模具托盘的转动轴转速,调节设备的转速控制是依据在模具托盘工作面上设置若干个典型沉积位置，获得的匀速旋转一个周期的典型位置的沉积速率曲线；

进而选取典型沉积位置周期内的沉积速率曲线中的循环小周期，并根据若干个典型沉积位置速率相对较高时对应的模具托盘的转动轴的旋转角度区间进行积分，得到积分比值，并设置转速调节设备的转速比为对应角度区间的积分比值，以获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积。

2.根据权利要求1所述的一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：所述典型沉积位置的沉积速率曲线的获取依据是：

假设模具托盘的转动轴匀速转动，并在单一阴极靶源辐照条件下，计算沉积速率随模具托盘的转动轴转动角度的变化曲线，单一阴极靶源辐照下的模具托盘单位面积工作面沉积速率的计算公式为：

其中m为单位时间内面元辐射出的材料总质量，ρ是靶材的密度，h是y方向的距离，d是阴极靶源到基材某点的距离，D区域是靶的形状。

3.根据权利要求2所述的一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：若将靶位简化为点，则靶位对模具托盘单位面积工作面上某点的沉积速度为：

假设靶辐射角为90°，此时辐照区域临界线刚好与圆盘相切，将模具拖盘划分为每5°一个点，圆盘半径为r，阴极靶源距离圆心为R，设模具托盘以逆时针旋转为正，以x负半轴为起始轴；

单一靶材时，h和d的计算公式为：

h＝y+R＝-rsin(θ)+R＝-sinθ+R

通过上述公式可以计算得到大型模具托盘上的典型位置在匀速旋转一周过程中的沉积速度曲线v。

4.根据权利要求1所述的一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：若模具托盘的转动轴匀速转动，存在多组阴极靶源在旋转周期内同时辐照条件时，则需要由单一靶位的辐照区域推演出其他各隔靶位的辐照区域，并将多个靶位在旋转周期内对应的模具托盘的转动轴的旋转角度重叠区间的沉积速率进行叠加，获得多靶位辐照条件下的若干典型沉积位置的沉积速率曲线。

5.根据权利要求1所述的一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：所述模具托盘的转动轴转速调节设备具体为电机，且所述电机的输出轴通过联轴器连接模具托盘的转动轴，并由计算机获取沉积速率曲线进而控制电机的输出轴转速。

6.根据权利要求1所述的一种提高大型模具PVD膜层均匀性的方法，其特征在于：同时在获得周期内的模具镀层厚度均匀沉积的过程中，先根据若干个典型沉积位置进行模具托盘的转动轴的角度区间进行划分，并设置相邻角度区间分界处的模具托盘的转动轴的转速为即时变速，通过调节控制即时变速实现模具镀层的均匀沉积。

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