CN114318274A - 离子束溅射镀膜方法、靶材安装结构及离子束溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种离子束溅射镀膜方法、靶材安装结构及离子束溅射设备，所述方法包括：在靶材背板的安装位置上分别放置多种靶材；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置；控制离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据；根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例；该技术方案中，可以实现多种不同靶材材料的蒸发镀膜方案，可以实现材料折射率实现渐变工艺，提高产品光谱特性，具有更好的镀膜效果；而且镀膜过程的可控性高，无需暂停离子源工作，控制逻辑简单，可控性强。
Description
技术领域
本申请涉及离子束溅射镀膜技术领域，特别是一种离子束溅射镀膜方法、靶材安装结构及离子束溅射设备。
背景技术
离子束溅射(IBS)镀膜是一种薄膜沉积工艺，使用离子源，其方案是将靶材(金属或电介质)沉积或溅射到基片上，以形成金属或电介质膜，这种技术能够精确地控制厚度，并沉积非常致密的高质量薄膜。
早期的离子束溅射镀膜工艺，使用两种不同的靶材材料，例如，一种高折射率材料和一种低折射率材料，这两种材料通过不同厚度的交替组合，实现光学产品的指标；但新的离子束溅射镀膜工艺要求，薄膜的折射率是渐变的，薄膜的折射率可以在一个范围内连续变化，这样就要求两种材料需要按照一定的比例混合沉积，实现折射率在一个范围内连续可控，且薄膜之间的应力不会有明显突变，薄膜要具有更高的稳定性和抗外部影响能力。
在新工艺中，常规的靶材安装方式一般会有两个以上的靶材围绕一个中心旋转，如图1所示，图1是传统的靶材安装方式示意图，每个靶材工作的时候对应一个位置，通过不断调整角度，实现两种及以上的材料交替进行溅射镀膜沉积；但上述镀膜工艺中，每种靶材材料对应一个特定的角度，在切换的过程中，为了防止离子源轰击不合适位置，在切换时离子源需要暂停工作或者处于待机状态；由此，离子源是一直处于不同状态交替切换的过程中，影响了镀膜，工艺控制复杂，镀膜效率低，且镀膜效果容易不可控。
发明内容
基于此，有必要针对上述工艺控制复杂，镀膜效率低，且镀膜效果容易不可控之一的技术缺陷，提供一种离子束溅射镀膜方法、靶材安装结构及离子束溅射设备。
一种离子束溅射镀膜方法，包括：
在靶材背板的安装位置上分别放置多种靶材；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置；
控制离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；
根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据；
根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例。
在一个实施例中，根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，包括：
根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算各种靶材的混合比例；
根据所述混合比例计算所述离子束分别轰击各种靶材的面积比例；
根据所述面积比例计算所述靶材背板的位移数据。
在一个实施例中，根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，包括：
在所述离子源固定状态下，根据所述位移数据控制靶材背板在平面上移动；或者
在所述靶材背板固定状态下，根据所述位移数据控制离子源在平面上移动。
一种靶材安装结构，包括：靶材背板，连接所述靶材背板的第一驱动装置；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置，所述靶材背板平面指向离子源；
在溅射镀膜过程中，所述离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在平面上移动，使得所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例。
在一个实施例中，所述靶材背板具有多个侧面，每个侧面上分别安装多种靶材；
所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在垂直于所述平面的轴线转动，以分别将安装在侧面上的靶材指向所述离子源，使得所述离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜。
在一个实施例中，所述的靶材安装结构，还包括连接所述第一驱动装置的控制器；
所述控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制所述第一驱动装置进行移动；和/或用于根据使用的靶材类型控制所述第一驱动装置的轴线转动角度。
一种离子束溅射设备，包括：离子源，上述的靶材安装结构；其中，所述离子源输出离子束轰击所述靶材安装结构上的靶材进行溅射镀膜。
一种离子束溅射设备，包括：靶材背板，离子源，以及连接所述离子源的第二驱动装置；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置，所述靶材背板平面指向离子源；
在溅射镀膜过程中，所述离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；所述第二驱动装置驱动所述离子源在平面上移动，使得所述离子源与靶材背板产生平面相对运动；所述离子束持续轰击各种靶材进行溅射镀膜。
在一个实施例中，所述的离子束溅射设备，还包括：连接所述靶材背板的第一驱动装置，
所述靶材背板具有多个侧面，分别用于安装有不同的靶材；所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在垂直于所述平面的轴线转动，分别将靶材背板的两面上的靶材指向所述离子源，使得所述离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜。
在一个实施例中，所述的离子束溅射设备，还包括：分别与所述第一驱动装置和第二驱动装置连接的控制器；
所述控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制所述第二驱动装置进行移动；以及根据使用的靶材类型控制所述第一驱动装置的轴线转动角度。
本申请的技术方案具有如下有益效果：
通过在靶材背板平面以分区形式安装多个靶材，离子源以设定工艺参数输出离子束轰击靶材进行溅射镀膜，同时，通过控制离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例，从而实现多种靶材材料的混合溅射镀膜的功能；该技术方案中，可以实现多种不同靶材材料的蒸发镀膜方案，可以实现材料折射率实现渐变工艺，提高产品光谱特性，具有更好的镀膜效果；而且镀膜过程的可控性高，无需暂停离子源工作，控制逻辑简单，可控性强。
附图说明
图1是传统的靶材安装方式示意图；
图2是一个实施例的离子束溅射镀膜方法流程图；
图3是一个示例的两种靶材安装示意图；
图4是一个实施例的靶材安装结构侧面示意图；
图5是一个示例的四种靶材安装示意图；
图6是具有三个侧面的靶材背板结构示意图；
图7是具有四个侧面的靶材背板结构示意图；
图8是一个实施例的靶材安装结构的电气结构图；
图9是另一个实施例的靶材安装结构的电气结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例的术语“包括”以及其他任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
参考图2，图2是一个实施例的离子束溅射镀膜方法流程图；该方法主要包括如下步骤：
S10，在靶材背板的安装位置上分别放置多种靶材；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置；
本申请实施例的方案中，采用了在一个靶材背板平面上以分区形式安装多种靶材；参考图3所示，图3是一个示例的两种靶材安装示意图，图中是在靶材背板平面上设置了两种靶材材料，即材料A和材料B，为了确保材料A或者材料B能够实现各自100％的沉积，以及自由的混合比例，靶材的制作的面积应当大于离子源的轰击有效面积，如图3中，假设虚线圆圈为离子源的轰击有效面积，则位于靶材背板上的材料A或者材料B在经过向上移动后，离子源能够轰击100％的材料A或者材料B；在离子源轰击材料A和材料B中心两侧范围时，通过调整靶材背板的向上或者向下移动，可以控制材料A与材料B的混合比例，从而实现了利用离子束溅射技术来进行两种不同材料同时蒸发沉积的技术目的。
S20，控制离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜。
此步骤中，控制离子源以设定工艺参数持续输出离子束，持续轰击靶材背板上的靶材，使得离子束按照面积比例蒸发各种靶材进行溅射镀膜；此过程中，离子源保持持续工作，无需进行待机或者暂停工作。
S30，根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据。
此步骤中，根据镀膜薄膜的折射率渐变要求，当需要移动靶材背板时，计算靶材背板相对于离子源的位移数据，如图3中，可以根据位移数据来移动靶材背板或者移动离子源的方式，使得离子源输出离子束轰击一定比例的材料A和材料B。
在一个实施例中，对于计算靶材背板相对于离子源的位移数据，可以包括如下：
S301，根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算各种靶材的混合比例；具体的，在溅射镀膜工艺中，根据所需镀膜薄膜的折射率的渐变要求，计算材料A和材料B的混合比例。
S302，根据所述混合比例计算所述离子束分别轰击各种靶材的面积比例；具体的，基于离子源的离子束轰击靶材的有效面积，结合材料A和材料B的混合比例，对应地计算离子束分别轰击材料A和材料B的面积比例。
S303，根据所述面积比例计算所述靶材背板的位移数据；具体的，基于前述计算得到的离子束分别轰击材料A和材料B的面积比例。
S40，根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例。
具体的，利用离子束持续轰击各种靶材进行溅射镀膜，在此过程中，调整靶材背板在平面上移动，或者调整离子源在平面上移动，从而使得离子源与靶材背板产生平面相对运动，调整离子源的离子束轰击材料A和材料B的面积大小，使之与面积比例相对应，实现了多种靶材混合溅射镀膜功能。
在一个实施例中，在步骤S40中控制离子源与靶材背板产生平面相对运动时，可以采用移动靶材背板或者移动离子源两种方式。
方式一：在离子源固定状态下，根据位移数据控制靶材背板在平面上移动；如图3，可以通过连接靶材背板的驱动装置，驱动靶材背板进行上下方向上的运动，需要说明的是，图中示例是以上下运动未来进行描述，实际应用中，也可以通过左右移动或者其他方式进行移动。
方式二：在靶材背板固定状态下，根据位移数据控制离子源在平面上移动；可以通过连接靶材背板的驱动装置，驱动靶材背板进行上下方向上的运动，如图3中靶材材料是上下分区方式安装，即通过上下方向运动，如果是采用左右分区方式安装，控制离子源左右方向上移动。
综合上述各实施例所述的离子束溅射镀膜方法，该技术方案，利用多种不同材料的蒸发方案，可以实现材料折射率实现渐变工艺，提高产品光谱特性，相对于通过切换靶材的薄膜沉积工艺，能够实现高低两种材料的交替搭配，具有更好的镀膜效果。而且，在控制材料混合中，可以通过驱动靶材背板在平面上运动或者驱动离子源在平面上移动，即可自由调整多种不同材料的配比组合，控制逻辑更加简单，方案的可控性更好。
下面阐述靶材安装结构实施例。
参考图4，图4是一个实施例的靶材安装结构侧面示意图，该靶材安装结构包括：靶材背板，连接靶材背板的第一驱动装置；其中靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置，靶材背板平面指向离子源。在溅射镀膜过程中，离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；第一驱动装置驱动靶材背板在平面上移动，使得离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整离子束轰击各种靶材的比例。
上述实施例的靶材安装结构可以应用于前述实施例的离子束溅射镀膜方法工艺中，实现多种不同靶材材料的蒸发镀膜方案，可以实现材料折射率实现渐变工艺，提高产品光谱特性，具有更好的镀膜效果；而且镀膜过程的可控性高，无需暂停离子源工作，第一驱动装置的控制逻辑简单，方案的可控性更好。
在如图3和图4所示的方案是安装两种靶材的技术方案，实际应用中，也可以在靶材背板的一侧面上安装三种或四种靶材材料；如图5所示，图5是一个示例的四种靶材安装示意图，由图5可见，可以安装四种靶材材料，分别对应为材料A、材料B、材料C和材料D，实际应用当中，通过控制靶材背板移动或者控制离子源移动，从而控制离子源输出离子束轰击靶材的有效面积范围在四种靶材材料上变化，以调整不同靶材之间的混合比例；具体镀膜控制过程可以参考上述两种靶材材料的实施例方案，在此不再赘述。
对于靶材安装结构，其可以在靶材背板的多个侧面上设置靶材安装位置，从而通过旋转方式可以选择任意一个侧面上多种靶材进行真空溅射镀膜，为了更加清晰其结构，下面阐述若干示例进行描述。
示例1：靶材背板为平板形状，正反两个面的每个面上分别安装多种靶材；第一驱动装置驱动靶材背板在垂直于平面的轴线转动，以分别将安装在正反两面上的靶材(如材料A1和材料B1，材料A2和材料B2)指向离子源，使得离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜，如图2至4所示的靶材背板，在其后面还设有靶材安装区，通过轴旋转可以将正反两面上的靶材指向离子源进行镀膜。
示例2：参考图6所示，图6是具有三个侧面的靶材背板结构示意图；各个侧面上分别安装有两种靶材((如材料A1和材料B1，材料A2和材料B2，材料A3和材料B3)，通过轴旋转可以将三面上的靶材指向离子源进行镀膜；通过该方案，可以实现六个靶材的结构，实现3组渐变工艺要求。
示例3：参考图7所示，图7是具有四个侧面的靶材背板结构示意图；各个侧面上分别安装有两种靶材(如材料A1和材料B1，材料A2和材料B2，材料A3和材料B3，材料A4和材料B4)，通过轴旋转可以将四个面上的靶材指向离子源进行镀膜；通过该方案，可以实现八个靶材的结构，实现4组渐变工艺要求。
需要说明的是，对于侧面设置，可以根据需求而定，其基本原理一致，在此不再赘述。
在一个实施例中，对于靶材安装结构，参考图8，图8是一个实施例的靶材安装结构的电气结构图，其还可以包括连接所述第一驱动装置的控制器(工控机)；该控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制第一驱动装置进行移动，或者控制器用于根据使用的靶材类型控制第一驱动装置的轴线转动角度。
通过控制器来实现相关计算功能，同时输出指令控制第一驱动装置的运行，在平面上移动靶材背板，实现一组渐变工艺内对于不同种类的靶材材料的混合比例控制，同时，可以利用旋转方式，实现多组渐变工艺的选择，从而提升了镀膜效率，能够根据需求镀出多种工艺组合的渐变折射率的产品，第一驱动装置可以通过内置电机来控制，设计相应的工作时序即可进行移动和选择控制，控制逻辑简单，易于实现，可控性强。
下面阐述离子束溅射设备的实施例。
本申请提供的一种离子束溅射设备，包括：离子源，以及上述任一实施例的靶材安装结构；其中离子源输出离子束轰击靶材安装结构上的靶材进行溅射镀膜；该离子束溅射设备，通过上述靶材安装结构，可以实现多种不同靶材材料的蒸发镀膜方案，可以实现材料折射率实现渐变工艺，提高产品光谱特性，具有更好的镀膜效果；而且镀膜过程的可控性高，无需暂停离子源工作，控制逻辑简单，可控性强。
本申请还提供了另外一种离子束溅射设备，包括：靶材背板，离子源，以及连接离子源的第二驱动装置；其中靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置靶材背板平面指向离子源；在溅射镀膜过程中，离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；第二驱动装置驱动离子源在平面上移动，使得离子源与靶材背板产生平面相对运动；所述离子束持续轰击各种靶材进行溅射镀膜。
进一步的，离子束溅射设备，还包括：连接靶材背板的第一驱动装置，靶材背板具有多个侧面，分别用于安装有不同的靶材；第一驱动装置驱动靶材背板在垂直于平面的轴线转动，分别将靶材背板的两面上的靶材指向所述离子源，使得所述离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜。
与前述实施例的离子束溅射设备不同的是，本实施例的方案中包括了第一驱动装置和第二驱动装置，其中第一驱动装置用于驱动靶材背板进行转动，第二驱动装置用于驱动离子源在平面上进行移动，基于上述方案的结构，提供了另一种驱动形式，丰富了驱动装置的结构设计。
参考图9，图9是另一个实施例的靶材安装结构的电气结构图，进一步的，离子束溅射设备还包括：分别与第一驱动装置和第二驱动装置连接的控制器(工控机)；其中控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制所述第二驱动装置进行移动；以及根据使用的靶材类型控制所述第一驱动装置的轴线转动角度。
与前述实施例不同的是，控制器同时控制第一驱动装置和第二驱动装置，为产品提供了另一种控制方式，丰富了设备的结构设计。
同理，上述实施例的离子束溅射设备，实现多组渐变工艺的选择，从而提升了镀膜效率，能够根据需求镀出多种工艺组合的渐变折射率的产品，第一驱动装置可以通过内置电机来控制，设计相应的工作时序即可进行移动和选择控制，控制逻辑简单，易于实现，可控性强。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种离子束溅射镀膜方法，其特征在于，包括：
在靶材背板的安装位置上分别放置多种靶材；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置；
控制离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；
根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据；
根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例。
2.根据权利要求1所述的离子束溅射镀膜方法，其特征在于，根据镀膜薄膜的参数要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，包括：
根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算各种靶材的混合比例；
根据所述混合比例计算所述离子束分别轰击各种靶材的面积比例；
根据所述面积比例计算所述靶材背板的位移数据。
3.根据权利要求1所述的离子束溅射镀膜方法，其特征在于，根据所述位移数据控制所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，包括：
在所述离子源固定状态下，根据所述位移数据控制靶材背板在平面上移动；或者
在所述靶材背板固定状态下，根据所述位移数据控制离子源在平面上移动。
4.一种靶材安装结构，其特征在于，包括：靶材背板，连接所述靶材背板的第一驱动装置；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置，所述靶材背板平面指向离子源；
在溅射镀膜过程中，所述离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在平面上移动，使得所述离子源与靶材背板产生平面相对运动，以调整所述离子束轰击各种靶材的比例。
5.根据权利要求4所述的靶材安装结构，其特征在于，所述靶材背板具有多个侧面，每个侧面上分别安装多种靶材；
所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在垂直于所述平面的轴线转动，以分别将安装在侧面上的靶材指向所述离子源，使得所述离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜。
6.根据权利要求4或5所述的靶材安装结构，其特征在于，还包括连接所述第一驱动装置的控制器；
所述控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制所述第一驱动装置进行移动；和/或用于根据使用的靶材类型控制所述第一驱动装置的轴线转动角度。
7.一种离子束溅射设备，其特征在于，包括：离子源，权利要求4至6任一项所述的靶材安装结构；其中，所述离子源输出离子束轰击所述靶材安装结构上的靶材进行溅射镀膜。
8.一种离子束溅射设备，其特征在于，包括：靶材背板，离子源，以及连接所述离子源的第二驱动装置；其中，所述靶材背板平面以分区形式设置多个靶材安装位置，所述靶材背板平面指向离子源；
在溅射镀膜过程中，所述离子源以设定工艺参数输出离子束，轰击所述靶材背板上的靶材进行溅射镀膜；所述第二驱动装置驱动所述离子源在平面上移动，使得所述离子源与靶材背板产生平面相对运动；所述离子束持续轰击各种靶材进行溅射镀膜。
9.根据权利要求8所述的离子束溅射设备，其特征在于，还包括：连接所述靶材背板的第一驱动装置，
所述靶材背板具有多个侧面，分别用于安装有不同的靶材；所述第一驱动装置驱动所述靶材背板在垂直于所述平面的轴线转动，分别将靶材背板的两面上的靶材指向所述离子源，使得所述离子源输出的离子束轰击不同靶材进行溅射镀膜。
10.根据权利要求8所述的离子束溅射设备，其特征在于，还包括：分别与所述第一驱动装置和第二驱动装置连接的控制器；
所述控制器用于根据镀膜薄膜的折射率渐变要求计算所述靶材背板相对于离子源的位移数据，并根据所述位移数据控制所述第二驱动装置进行移动；以及根据使用的靶材类型控制所述第一驱动装置的轴线转动角度。
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| CN101880862A (zh) * | 2009-05-06 | 2010-11-10 | 中国科学院微电子研究所 | 多功能离子束溅射设备 |
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