CN1614077A

CN1614077A - 基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法

Info

Publication number: CN1614077A
Application number: CN 200310110845
Authority: CN
Inventors: 李言荣; 陶伯万; 陈家俊; 刘兴钊; 张鹰; 邓新武
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-05-11

Abstract

本发明提供了基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法：将基片旋转圆周分为N个区域，使基片以不同的旋转速度通过N个区域，基片的旋转速度由基片所在区域的沉积速率决定。将此方法用于双轴旋转薄膜沉积中，对每周内转轴的转速进行调制，在几乎不降低薄膜沉积速率的情况下，可以进一步提高薄膜的厚度均匀性。

Description

基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法

技术领域：

本发明属于真空技术领域，它特别适用于薄膜材料的物理气相沉积。

背景技术：

众所周知，薄膜厚度均匀是薄膜应用的首要条件，大面积薄膜的制备是提高薄膜生产效率的一种有效方式。但是，在所有的物理气相沉积的方法中，如蒸发、溅射、脉冲激光沉积、电弧法镀膜等都有其固有的粒子浓度的空间分布，要提高薄膜的均匀性，都得以降低沉积效率和增加设备复杂程度为代价。所以如何达到大面积内的均匀性而且提高薄膜制备效率，是大面积薄膜制备中必须解决的问题。

通过基片的平移扫描、转动、沉积源的转动或扫描，甚至是将基片的运动与沉积源的运动相结合来扩大均匀范围，可以改善薄膜的均匀性。如在蒸发中经常使用的旋转转盘，基片相对于蒸发源做圆周运动或行星运动；在溅射中使用的基片的二维平移和转动的运动；在脉冲激光沉积中使用的激光束扫描+靶移/转动+基片转动的运动；在多弧离子镀膜中使用的产生公转的工件架和产生自转的挂具等。以上所述方法均增加了薄膜沉积设备的复杂程度。

另外，为了得到足够均匀的薄膜，基片离沉积源的距离就会增加，而这会大大降低薄膜沉积速率，增加薄膜沉积时间，令薄膜的时间成本上升。同时，由于原料、能源、溅射气体等的消耗速率与时间成正比，因此距离的增加也必然导致原材料利用率的降低和能耗的上升，使单片薄膜的生产成本上升。

双轴旋转(实用新型专利：一种用于沉积制备薄膜的装置，ZL01206056.9)是一种特别适合于物理气相沉积制备大面积单、双面薄膜的技术。在较短的基片到沉积源的距离下，使用该技术沉积的薄膜厚度均匀性良好。

一种用于沉积制备薄膜的装置专利(ZL 01206056.9)是通过夹具的特殊设计，可以实现单轴驱动的基片双轴旋转。图1为夹具的结构示意图，转动驱动轴1与基片导轨2相连，基片导轨上刻有凹槽3用以夹持基片4；基片导轨为圆形，但导轨上有两条直边5、6，这两条直边与转动轴成衣较小的夹角α，用以引导基片的面内旋转；导轨上的圆弧段7、8用以阻挡基片，以免其滚离夹具。基片做双轴旋转的过程如图2(a)所示，其中ω为基片法线方向与水平面的夹角。图3(a)-(d)为夹具连续的四个翻转过程，基片上的某一固定位置用黑点标出，用以表明基片面内旋转的角度：图3(a)中，由于直边向下倾斜，在重力的作用下，基片做面内旋转由位置I滚动到位置II；在夹具做一次翻转后(即面外旋转180°)，夹具如图3(b)所示，此时直边上翘，在重力作用下，基片由位置II滚动到位置III；以此类推，出现图3(c)和图3(d)的情况。观察基片上标明的黑点可以发现，虽然基片在导轨中做往复滚动，但由于每次滚动夹具都做了一次面外翻转，所以实际上基片是在朝同一方向做连续的面内旋转。

上述专利的双轴旋转过程等同于将不同倾斜角度的面内旋转进行等价综合的过程。当图2(a)中基片法线与水平夹角ω较小时(靠近0°)，如图2(b)所示，薄膜厚度分布趋势为中心薄，边缘厚；当图2(a)中角度ω较大时(如靠近90°)，如图2(c)所示，薄膜厚度分布趋势为中心厚，边缘薄。

众所周知，不同的成膜方法(蒸发、溅射、脉冲激光沉积等)对静止或运动基片的膜厚分布具有不同的影响，这方面已有大量的文献和资料进行研究，见文献：(1)杨邦朝，王文生，薄膜物理与技术，电子科技大学出版社，1994；(2)W.D.Westwood，J.Vac.Sci.Technol.15，1(1978)；(3)Philippe Lecoeur，BernardMercey，and Hugues Murray，J.Vac.Sci.Technol.A 13，2221(1995)；(4)S.J.Young，A.S.James，A.Matthews，Surface and Coatings Technology 74-75，147-154(1995)。

文献：B.W.Tao，X.Z.Liu，J.J.Chen，and Y.R.Li，J.Vac.Sci.Technol.A 21，431(2003)中，给出了倒筒靶直流溅射制备三英寸大面积双面薄膜基片运动时沿基片半径的膜厚分布为函数f(r)的计算方法。

发明的内容：

本发明的目的是提供一种基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法，使用该方法可以进一步提高薄膜的厚度均匀性；在几乎不降低薄膜沉积速率的情况下，使薄膜的均匀性比用恒速双轴旋转制备的薄膜有进一步的改善。

本发明提供的一种基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法，其特征是采用下面的步骤：

第一步：根据成膜方法制备大面积薄膜膜厚分布的特点，确定基片处于不同位置时薄膜沉积速率分布规律；所述的成膜方法可以是蒸发、溅射、脉冲激光沉积等；所述的基片处于不同位置我们是指把基片面外旋转的圆周划分为N(N为自然数，N＞1)个区域中的不同区域；

第二步：根据第一步中给出的基片在不同位置(区域)的沉积速率的分布规律，我们可以确定基片在不同位置(区域)通过的时间，确定基片在不同位置(区域)通过的时间的依据是：基片旋转到沉积速率大的位置(区域)时的旋转速度快，基片旋转到沉积速率小的位置(区域)时的旋转速度慢，基片旋转速度可以为零；这样就可以保证基片的成膜均匀性；

第三步：根据第二步中得出的基片在各个位置(区域)通过的时间，确定基片在不同位置(区域)时的旋转角速度。

通过上述的调速方法，基片不断重复这种具有速度变化的旋转周期，最终在基片表面淀积膜厚均匀的薄膜。

需要指出的是：前面所述的速度变化包括在有限时间内的旋转速度为零的情况。

本发明依然具有实用新型专利：一种用于沉积制备薄膜的装置(ZL01206056.9)双轴旋转的结构简单，沉积速率快的特点；重要的是，这种速度调制方法的应用，进一步改善了薄膜厚度的均匀性，在不改变真空腔内部结构的前提下，通过调节外部驱动装置即可达到目的。

附图及附图说明：

图1是双轴旋转夹具结构示意图

其中，1为转动驱动轴，2为基片导轨，导轨上刻有凹槽3，4为基片，5和6为导轨上的直边，7和8为导轨上的圆弧边；

图2是双轴旋转的合成示意图

其中，(a)面外转动过程中基片与水平面的夹角ω在不断的变化；(b)基片处于水平位置；(c)基片处于垂直位置。其结果相当于不同倾斜角度ω下绕基片法线进行面内旋转的加和，使厚度分布相反的趋势相互平均。

图3是基片双轴旋转示意图(连续四个面外翻转过程，图中基片均处于竖直位置)

其中，(a)ω＝0°；(b)ω＝180°；(c)ω＝360°；(d)ω＝540°。

图4是基片面外旋转圆周的分区示意图

其中，θ为区域分界线与水平方向的夹角，整个圆周被分为两种区域：区域I和区域II，在这两种区域中面内旋转沉积的薄膜厚度分布的趋势相反。

图5是倒筒靶直流溅射制备3英寸大面积双面薄膜的基片和靶材的位置配置图

其中，4为基片，9为倒筒形靶材，r为圆筒靶的半径，H为圆筒靶的高度，D为圆筒靶底面倒基片中心的距离(又称为靶基距)。

图6是基片法线分别在区域I和区域II中运动时的沉积速率分布图

其中，-■-标记曲线为基片在区域I运动时的沉积速率分布；-●-标记曲线为基片在区域II运动时的沉积速率分布。

图7在不同的角速度比下，薄膜膜厚分布的模型计算结果

其中，-■-标记曲线为k＝1时所得薄膜的膜厚分布情况；-●-标记曲线为k＝2时膜厚分布情况；--标记曲线为k＝2.2时膜厚分布情况；-▲-标记曲线为k＝2.5时膜厚分布情况；

图8是调速装置结构示意图

其中，1为转动驱动轴，2为基片导轨，4为基片，10为真空腔体，11为真空密封的磁传动机构，12为传动皮带，13为步进电机，14为步进电机控制电缆，15为光电耦合位置传感器，16为定位圆盘，18圆盘上的定位圆孔，17为步进电机控制器。

图9匀速旋转和转速调制下沉积的薄膜厚度分布的实验结果

在所测范围内，厚度偏差从大于10％降低到小于5％。实心正方形标记曲线(-■-)为基片匀速旋转沉积薄膜的膜厚分布；实心圆心标记曲线(-●-)为转速调制下沉积薄膜的膜厚分布；实心三角形标记曲线(-▲-)为停顿方式获得的薄膜的薄厚分布。

具体实施方式

实施例一

采用倒筒靶直流溅射制备三英寸大面积双面薄膜，其中倒筒靶高度H＝25mm，直径r＝20mm，靶基距D＝40mm，如图5所示。本发明具体实施方式提供的一种基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法，其特征是采用下面的步骤：

第一步：可以把基片面外旋转的圆周划分为两个区域，基片在这两个区域旋转时其沉积速率的分布应当具有不同的特征(在其中一个区域内中心沉积速率高边缘低，另一个区域内中心沉积速率低边缘高)；为了使这两个区域的成膜速率能够相互补偿，如图4所示，把做面外旋转的圆周划分成两个区域：-θ到θ和180°-θ到180°+θ为I区，θ到180°-θ和180°+θ到360°-θ为II区。利用参考文献5，可以求得基片法线分别在区域I和区域II中运动时的沉积速率情况；取θ＝45°，可以算得基片法线仅在区域I中运动时沿基片半径的沉积速率分布为f_I(r)，仅在区域II中运动时沉积速率分布为f_II(r)，如图6所示。

第二步：根据第一步1得到的基片法线分别在区域I和区域II中运动时的沉积速率分布规律，确定基片在该位置停留时间，以使不同位置的沉积速率得到最佳补偿；在区域I中的运动时间与在区域II中的时间比为k，则这两个区域综合后的膜厚分布为：

F(r)＝k·f_I(r)+f_II(r)

根据f_I(r)和f_II(r)求适当的k值使(r)的偏差最小，即：

采用最优化方法求得k≈2.2时，膜厚偏差σ[F(r)]取最小值；见图7，当k取不同值时薄膜的膜厚具有不同分布规律，其中当k＝2.2时薄膜的膜厚分布最为均匀。

第三步：根据第二步得到的k值，换算出基片在不同位置的旋转角速度及其变化规律；在区域I中运动的时间与区域II中的比为k，即在区域I中基片旋转的角速度与区域II中的比为：

因为θ＝45°，所以在两个区域中的角速度比为1/k≈0.454。

第四步：采用步进电机驱动转动轴1，并用单片机控制其转动速度。由于步进电机具有能够精确定位的特点，通过控制电路产生不同频率的脉冲信号，从而获得不同的转动速度。而且利用步进电机可以让基片在任意位置停顿一定的时间。该调速装置也可以采用其他自动控制设备实现。

通过这种调速方法，基片不断重复这种具有速度变化的旋转周期，就上述例子，基片以30转/分钟的速度旋转，连续进行25小时的薄膜沉积，即可以获得膜厚偏差小于5％而厚度为400nm的三英寸双面薄膜。

实施例二

在倒筒靶沉积系统中，采用双轴旋转机构进行双面薄膜的沉积。

靶直径为40毫米，高度为25毫米，基片直径为90毫米，其中心到靶端口的距离为55毫米，夹具宽度为4毫米。匀速双轴旋转模式下的薄膜厚度分布以及同样条件速度调制模式下的薄膜厚度分布如图9所示，-■-标记曲线为匀速双轴旋转模式，-●-标记曲线为速度调制模式。该调速机制为：θ取45°，II区中的速度与I区中的速度比值为1.2∶1。薄膜的厚度相对差从10％降低到不足5％，薄膜均匀性有明显得改善。另外我们采用基片停顿的方式也获得膜厚均匀的薄膜。在成膜的过程中，首先在基片处于竖直位置时(即ω＝0时)让其静止不动，持续1分钟，然后让基片匀速转动5分钟，以这6分钟为一个周期，基片在25小时的成膜过程中不断重复该过程，我们也获得了膜厚均匀的三英寸薄膜，如图9中-▲-标记曲线。

Claims

1、一种基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法，其特征是采用下面的步骤：

第二步：根据第一步中给出的基片在不同位置(区域)的沉积速率的分布规律，我们可以确定基片在不同位置(区域)通过的时间，确定基片在不同位置(区域)通过的时间的依据是：基片旋转到沉积速率大的位置(区域)时的旋转速度快，基片旋转到沉积速率小的位置(区域)时的旋转速度慢，基片旋转速度可以为零；这样就可以保证基片的沉膜均匀性；

2、根据权利要求1所述的一种基于转速调制的提高薄膜厚度均匀性的方法方法，其特征是采用倒筒靶直流溅射制备三英寸大面积双面薄膜，其中倒筒靶高度H＝25mm，直径r＝20mm，靶基距D＝40mm，采用下面的步骤：

第一步：可以把基片面外旋转的圆周划分为两个区域，基片在这两个区域旋转时其沉积速率的分布应当具有不同的特征(在其中一个区域内中心沉积速率高边缘低，另一个区域内中心沉积速率低边缘高)；把做面外旋转的圆周划分成两个区域：-θ到θ和180°-θ到180°+θ为I区，θ到180°-θ和180°+θ到360°-θ为II区；求得基片法线分别在区域I和区域II中运动时的沉积速率情况；取θ＝45°，可以算得基片法线仅在区域I中运动时沿基片半径的膜厚分布为f_I(r)，仅在区域II中运动时膜厚分布为f_II(r)；

F(r)＝k·f_I(r)+f_II(r)

根据f_I(r)和f_II(r)求适当的k值使F(r)的偏差最小，即：

采用最优化方法求得k≈2.2时，膜厚偏差σ[F(r)]取最小值；当k取不同值时薄膜的膜厚具有不同分布规律，其中当k＝2.2时薄膜的膜厚分布最为均匀；

因为θ＝45°，所以在两个区域中的角速度比为1/k≈0.454；

第四步：采用步进电机驱动转动轴(1)，并用单片机控制其转动速度。