薄膜成形設備和方法

專利名稱：薄膜成形設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在基片上形成薄膜的設備以及使用該設備形成薄膜的方法。例如，當用飛濺設備等在一玻璃基片上形成薄膜時，在飛濺顆粒沉積在基片上所需位置來形成薄膜的情況下，將會形成這樣一個薄膜，即盡管基片的旋轉會使膜成形條件均勻，但膜厚度的分布在基片上對應于可旋轉基片徑向靶中心的部分形成一最高點。另外，在可旋轉基片的圓周方向上，根據旋轉基片上膜成形開始和結束的位置，將形成這樣一個膜厚度分布，即這些位置構成了分布的起點和終點。這種膜厚度的離散是所需膜厚度值的幾個百分點。但在用于光學裝置、光學纖維等的光學薄膜領域，需要形成一具有嚴格精度和均勻厚度的薄膜，以控制隨膜厚度改變的光學膜厚度(膜厚度×折射系數)。
在

圖1的飛濺設備中，基片保持器3的旋轉軸2和閘門8的旋轉軸9可以以各自的旋轉速度獨立旋轉。另外，在基片保持器3和基片4上設有膜厚度監(jiān)測器10，用于測量形成于基片4上的薄膜的厚度。該薄膜厚度監(jiān)測器10由光發(fā)射部分10a1至10a3及與光發(fā)射部分10a1至10a3一一對應的光接收部分10b1至10b3構成。光發(fā)射部分10a與光接收部分10b的組合包括第一監(jiān)測器10a1-10b1，第二監(jiān)測器10a2-10b2和第三監(jiān)測器10a3-10b3。因此由光發(fā)射部分10a1至10a3和光接收部分10b1至10b3組成的光傳感器構成了一組監(jiān)測器(第一至第三監(jiān)測器)，從而能夠用薄膜厚度監(jiān)測器10測量玻璃基片4與薄膜之間的透射比，以監(jiān)測薄膜厚度的均勻性。另外，設備空腔1可由真空泵11抽空。另外，在設備空腔1的截面底部飛濺靶側部區(qū)域設有一氣體引入口12a，用于從中引入飛濺氣體。一氣體引入口12b在設備空腔1的截面上部中靠近基片保持器3定位，從中引入反應氣體。
為了在玻璃基片4上形成薄膜，首先用真空泵作為預處理抽空空腔1內部。然后將作為飛濺氣體的氬氣穿過氣體引入口12a引入。然后環(huán)繞旋轉軸9旋轉閘門8，將開口8a調節(jié)到位于靶5上方的位置。然后通過預飛濺，將電能施加到飛濺陰極6上，清理靶5的表面。隨后，將作為飛濺氣體的氬氣通過氣體引入口12a引入，同時通過氣體引入口12b引入作為反應氣體的氧氣。另外，環(huán)繞旋轉軸9旋轉閘門8，將開口8a調節(jié)到靶5上方的位置。將電能加到飛濺陰極6上，從而飛濺陰極6上的Ti靶5進行飛濺。這樣就在基片4上形成一氧化膜，TiO2。此時，環(huán)繞旋轉軸2旋轉基片保持器3和基片4。然后在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2，同時用薄膜厚度監(jiān)測器10測量基片4上薄膜的厚度。當已經形成的薄膜已經達到一預定厚度時，再次旋轉閘門8，將開口8a調節(jié)到除靶5上方以外的位置。然后完成膜成形。
在該常規(guī)裝置中，閘門8用作切換膜成形的開始和結束的裝置，或者用于防止靶物質在預飛濺步驟中飛到基片4上。閘門8還具有通過其開口8a的形狀校正薄膜厚度分布的功能。日本專利公開No.H4-173972在其圖5中公開了一種飛濺設備，包括具有一開口的閘門(膜厚度校正板)，該開口的形狀能夠以上述方式校正膜的厚度，其中該閘門(膜厚度校正板)具有該開口8a。
但對于具有形狀固定的開口的閘門(膜厚度校正板)，難以注意在飛濺步驟中各種飛濺條件(真空度，引入氣體量，從空腔釋放的氣體量，飛濺電壓，飛濺電流等等)的變化。特別是，在光學薄膜領域公知的是，薄膜，如氧化物或氮化物，會用反應飛濺設備形成，這種情況下的膜成形速度和膜質量取決于靶的表面狀態(tài)。靶的表面狀態(tài)與反應氣體的局部壓力有關。一般地，膜成形速度和反應氣體的局部壓力具有用磁滯曲線表示的相關性。另外，磁滯曲線在輸入電能時顯著改變，導致不穩(wěn)定狀態(tài)。因此上述飛濺條件可能改變。
因此日本專利公開No.s61-183464在其圖2中公開了一種裝置，其中大量可移動的膜厚度校正板構成了膜厚度校正元件，以調節(jié)開口的形狀，從而注意膜厚度分布上的變化。但當膜厚度校正板的驅動工作進行時，該裝置可能在保持真空度上失效。因此從處理的觀點來看，該裝置不可能是高效的。
另外，日本專利公開Nos.H4-173972和S61-183464中公開的上述常規(guī)現有技術在其徑向校正形成于可旋轉基片上的薄膜厚度。在旋轉開始和結束時它們不能確保在圓周方向上校正膜厚度分布。
為實現上述目的，本發(fā)明的第一實施例提供一種薄膜成形設備，包括相互面對定位的一基片和一膜成形源，該設備還包括一膜成形速度控制元件，該控制元件具有一用于控制形成于上述基片上的薄膜的膜成形速度的開口，及一膜厚度校正元件，該校正元件具有一用于校正形成于上述基片上的薄膜厚度的開口，上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件設置成插入上述基片與上述膜成形源之間并從中取出。
在這種情況下，該設備中，當上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件插入上述基片與上述膜成形源之間時，這些部件以上述基片、上述膜厚度校正元件、上述膜成形速度控制元件和上述膜成形源這樣的順序設置。
膜成形速度控制元件具有兩個或多個開口，這些開口面積各不相同并能夠以開口面積的比例的順序選擇每個開口。然后選擇每個開口而高效地控制膜成形速度。
此外，膜成形速度控制元件是兩個或多個分別具有一個開口的膜成形速度控制板，膜成形速度控制板中的開口在面積上各不相同，并可以選擇每個膜成形速度控制板。同樣在這種情況下，可選擇每個膜成形速度控制板來高效地控制膜成形速度。
另一方面，膜厚度校正元件具有兩個或多個開口，這些開口分別具有不同的形狀，并能夠根據基片上薄膜厚度的分布來選擇每個開口。然后選擇每個開口來高效地校正膜厚度。
此外，膜厚度校正元件中的開口具有兩個或多個可選擇的可移動閘門，可根據基片上薄膜厚度的分布有選擇地移動上述閘門而增大或減小上述開口的面積。然后選擇每個可移動閘門來增大或減小開口的面積，從而高效地校正膜厚度。
在這些情況下，特別用一外部電信號來移動閘門。然后可從空腔外部控制閘門的運動，從搬運的角度消除了如空腔內部真空狀態(tài)破壞這樣的缺點。
一種用上述第一薄膜成形設備形成薄膜的方法，上述方法包括第一步驟，首先形成占厚度預定百分比的上述薄膜，第二步驟，然后測量在第一步驟中形成的薄膜的厚度分布，第三步驟，進一步將上述膜成形速度控制板插入上述基片與上述膜成形源之間，使膜成形速度小于上述第一步驟，對應于上述第二步驟中測量的膜厚度的分布，將上述膜厚度校正板插入基片與膜成形源之間，以校正薄膜的厚度。順序完成這些步驟。然后，當在第一步驟中已經形成占所需厚度多數百分比(95％或更多)的薄膜后，而薄膜的厚度分布可在第二步驟中監(jiān)測，在第三步驟中可用膜厚度校正板來校正膜厚度。
在這種情況下，再次完成該第二步驟，測量上述第三步驟中形成的薄膜厚度的分布，作為同一循環(huán)順序重復完成當前第三步驟和當前第二步驟，當前第三步驟同時完成一將具有一能夠控制膜成形速度的開口的膜成形速度控制板插入上述基片與上述膜成形源之間的操作，從而使膜成形速度小于前面第三步驟中的膜成形速度，對應于上述前面第三步驟之后再次完成的上述前面第二步驟中測量的膜厚度的分布，完成將具有一能夠校正薄膜厚度的開口的膜厚度校正元件插入上述基片與上述膜成形源之間的操作，從而校正薄膜的厚度，當前第二步驟，測量在第三步驟中形成的薄膜厚度的分布。作為同一循環(huán)順序重復完成當前第三步驟和當前第二步驟。然后最終獲得具有所需膜厚度的薄膜。具有所需膜厚度的薄膜的形成通過第二步驟中的測量來確認。
另外，在同一循環(huán)中，上述第二步驟與上述第一步驟和上述第三步驟同時完成。膜厚度監(jiān)測器的測量結果更快地反饋。這能夠更高效地校正膜厚度的分布。
根據本發(fā)明薄膜成形設備的第二實施例，在上述設備中特別將一可旋轉基片作為基片，設有膜厚度測量裝置，用于沿該可旋轉基片的半徑在多個測量點測量上述薄膜的厚度，上述膜成形速度控制元件設有一開口，該開口用于沿上述可旋轉基片的半徑形成一傾斜的膜成形速度梯度，及一開關閘門，用于增大或減小該開口的開口程度，并用一可移動閘門作為上述膜厚度校正元件，以關閉上述基片上的薄膜成形。
對應于由膜厚度測量裝置測量的值，該設備可移動設有膜成形速度控制元件的開關閘門，以增大或減小膜成形速度控制元件中開口的開口程度。這能夠控制在基片上形成薄膜的速度。對應于由薄膜厚度測量裝置測量的值，該設備還能夠移動閘門，即膜厚度校正元件，從而在基片上的某一區(qū)域關閉膜成形。因此有了膜成形速度控制元件及其開關閘門，最終可校正沿旋轉基片的半徑精確傾斜的膜厚度在徑向上的分布，使其變平，有了順序分布的所需膜厚度，用可移動閘門相應地關閉在已經獲得所需膜厚度的膜成形區(qū)域中的膜成形。此時，移動開關閘門以減小膜成形速度控制元件中開口的開口程度，從而減小薄膜成形速度。這使基片上薄膜的厚度分布同樣得到校正，從而變平。
另外，此時，通過在可旋轉基片的半徑上的多個點測量薄膜厚度，不僅能夠更敏感地測量薄膜厚度的徑向和圓周分布，而且還能精確地觀察在可旋轉基片的徑向傾斜的膜厚度的分布。
一種用根據上述第二實施例的薄膜成形設備形成薄膜的方法，包括第一步驟，首先在上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件中僅將上述膜成形速度控制元件插入上述基片與上述成形源之間，形成占厚度預定百分比的上述薄膜，同時上述膜成形速度控制元件的開關閘門保持打開，第二步驟，然后對應于在上述第一步驟中由上述膜厚度測量裝置測量的值，移動上述膜成形速度控制元件的開關閘門，同時要上述第一步驟中只有上述膜成形速度控制元件保持插在上述基片與上述膜成形源之間，及第三步驟，隨后對應于在上述第二步驟中由上述膜厚度測量裝置測量的值，移動位于上述基片與上述膜成形源之間的上述閘門，同時在第二步驟中減小的上述膜成形速度控制元件中開口的開口程度保持減小，從而在上述基片上已經獲得所需膜厚度的膜成形區(qū)域中關閉膜成形。按照該順序完成這些步驟。
用這種方法，在第一步驟中，形成占所需厚度多數百分比(約最大膜厚度部分的95％)薄膜。然后在第二步驟中，以相對較低的膜成形速度精確地實現所需厚度，同時校正膜厚度的圓周分布，從而變平。另外，在第三步驟中，膜厚度校正元件在基片上已經達到所需厚度的膜成形區(qū)域中關閉膜成形。因此可校正膜厚度的徑向分布，從而最終變平，能夠獲得所需的均勻的膜厚度。
在根據第一和第二實施例的上述膜成形設備中，當膜成形源設成一飛濺陰極對，二者都可作為普通飛濺設備處理。
在這種情況下，可通過一靶材料與反應氣體在使用上述飛濺陰極的反應飛濺過程中的反應形成一壓電薄膜，飛濺氣體包括稀有氣體和反應氣體。
這種反應氣體可以是含氣體的元素，如氧、氮、碳、硅等。但不僅可以使用這種單物質氣體(O2，O3，N2等)或化合物氣體(N2O，H2O，NH3等)，而且可以使用它們的混合物。
在這種情況下，薄膜成形設備還包括使用包括稀有氣體的上述飛濺氣體的金屬膜成形裝置，用于飛濺上述飛濺陰極的靶金屬，從而在上述基片上形成一金屬薄膜，以及氧化或氮化裝置，用上述反應氣體氧化或氮化形成于上述基片上的金屬薄膜。該設備允許分割飛濺區(qū)域和反應區(qū)域，從而能夠更高效地形成一壓電薄膜。
附圖簡介圖1是常規(guī)反應飛濺設備的示意性剖視圖；圖2是圖1中閘門(膜成形速度控制板)的頂視圖；圖3是根據本發(fā)明第一實施例的反應飛濺設備的示意性剖視圖；圖4是圖3中閘門(膜成形速度控制板)的頂視圖；圖5是圖3中第一膜厚度校正板的頂視圖；圖6是圖3中第二膜厚度校正板的頂視圖；圖7是本發(fā)明的例3中使用的第三膜厚度校正板的頂視圖；圖8是根據本發(fā)明第二實施例的反應飛濺設備的示意性剖視圖；圖9是圖8中第一閘門和第二閘門(膜成形速度控制元件)的頂視圖；圖10是比較例7中使用的閘門板(膜成形速度控制元件)的頂視圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述圖3示意性示出根據本發(fā)明第一實施例的反應飛濺設備。該設備與圖1中反應飛濺設備的不同之處在于，靠近基片保持器3設有由兩個厚度校正板，即第一和第二膜厚度校正板13、14構成的膜厚度校正元件。該第一和第二膜厚度校正板13和14都由一旋轉軸15支承并可環(huán)繞該軸獨立旋轉。另外，圖4是圖3中閘門8的頂視圖。用于圖3中膜成形裝置中的閘門8具有設置于其中的開口8a、8b和8c，且在面積上有所區(qū)別。閘門8環(huán)繞旋轉軸9旋轉，以開口面積比例的順序選擇每個開口8a、8b和8c。另外，圖5是第一膜厚度校正板13的頂視圖。圖6是第二膜厚度校正板14的頂視圖。圖5中的第一膜厚度校正板13具有設置于其中的開口13a。圖6中的第一膜厚度校正板14具有設置于其中的開口14a。開口13a和14a的形狀不同。
為了用圖3中的膜成形裝置在玻璃基片4上形成膜，首先完成與圖1中情況相似的一預處理步驟。然后穿過口12a引入作為飛濺氣體的氬氣，穿過口12b引入作為反應氣體的氧氣。另外，環(huán)繞旋轉軸9旋轉閘門8，從而將開口8a定位在靶5上方。然后將電能加到飛濺陰極6以及飛濺陰極6上的Ti靶5上。這樣就在基片4上形成了包含TiO2的氧化膜。此時，基片保持器3和基片4正在環(huán)繞旋轉軸2旋轉。然后在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2。當薄膜已經形成約所需厚度的95％時，再次旋轉閘門8，使開口8a、8b和8c中沒有一個位于靶5上方。然后完成膜成形。
該實施例中，包含TiO2的氧化膜成形為壓電薄膜。但可通過穿過該氣體引入口12b引入作為反應氣體的氮氣而形成一氮膜。
然后用膜厚度監(jiān)測器10測量形成于基片4上的薄膜的厚度。膜厚度監(jiān)測器10在基片4上在三個點上測量薄膜的厚度。在每個預定時間獲得這三點數據能夠監(jiān)測薄膜在基片保持器3的旋轉圓的半徑方向上的分布。
另外，從第一和第二膜厚度校正板13和14中選擇其中一個，適于校正由測量結果顯示的膜厚度分布，并通過環(huán)繞旋轉軸15旋轉而插在基片4與靶5之間。同時，旋轉該閘門8，將開口8b定位在靶5上。然后重新開始薄膜的成形，以獲得除所需厚度的剩余部分(約5％或更少)。
在這種情況下，閘門8中的開口8a改變?yōu)殚_口8b，從而相比于前述薄膜成形步驟減小其開口面積及膜成形速度。至于實現薄膜厚度所需的嚴格精確的均勻性，形成膜厚度的圓周分布較大地依賴于當閘門打開而開始或者關閉而結束膜成形時是否正在形成膜，而這種依賴性可以通過減小上述的膜成形速度而降低。在這個意義上，具有開口8a、8b和8c的閘門8通過選擇面積各不相同的每個開口8a、8b和8c來改變其開口面積而具有膜成形速度控制器的功能。另外，這種膜成形速度的減小并不影響飛濺條件本身，因為靶5表面的狀態(tài)、反應氣體的局部壓力等不像通過降低施加到飛濺陰極6上的電能而減小膜成形速度那樣波動。
該實施例中，使用具有多個開口的單個閘門。但也可使用分別具有一個開口而閘門中的每個開口的面積各不相同的兩個或多個閘門，從而可使用任何閘門，通過適當選擇每個閘門來控制膜成形速度。
然后在一預定時間內在基片4上連續(xù)形成TiO2。當多數薄膜(約95％，剩余5％)已經形成時，閘門8再次轉動，使得開口8a、8b和8c中沒有一個位于靶5上方。膜成形結束。
另外，膜厚度監(jiān)測器10測量形成于基片4上的薄膜的厚度。然后從第一和第二膜厚度校正板13和14中選擇一個適于校正由測量結果顯示的膜厚度分布。通過環(huán)繞旋轉軸15轉動所選擇的膜厚度校正板而將其插入基片4與靶5之間。同時轉動閘門8將開口8c定位在靶5上方。然后重新開始薄膜的成形，使剩余部分獲得所需厚度。
重復這種過程，當由薄膜監(jiān)測器10測量的值顯示膜厚度到達所需值時全部膜成形過程結束。
該實施例中，膜厚度校正元件設計成具有固定開口形狀的第一和第二膜厚度校正板13和14。但也可使用具有兩個或多個開口而每個開口形狀各不相同的單個膜厚度校正板來代替。另外，如圖7所示，可使用如圖7所示能夠改變開口的開口形狀16a的第三膜厚度校正板16。(第三膜厚度校正板16的細節(jié)見下面描述的例3)。當第一到第三厚度校正板13、14和16建造成可通過外部電信號而移動時，則可從空腔外部控制這些膜厚度校正板。從處理的角度看，這消除了空腔內真空狀態(tài)被破壞這樣的缺點。
圖8示意性示出根據本發(fā)明第二實施例的反應飛濺設備。該設備與圖1中的反應飛濺設備的不同之處在于，設置了由第一閘門21a和第二閘門22a和22b構成的膜成形速度控制元件，而不是圖1中的閘門8，在于靠近基片保持器3附加地設有一板形可移動閘門23作為膜厚度校正元件，在于附加地設有一等離子源24來促進氧化反應。
這些元件中，第一閘門21a和第二閘門22a和22b在圖9中以頂視圖表示。參照圖9，第一閘門21a具有一開口角度為θ的開口21b，一開口21c以及第二閘門22a和22b。當一驅動工件(未圖示)轉動一與旋轉軸9同軸的驅動齒輪22c時，第二閘門22a和22b可增加或減小閘門21a中開口21b的開口程度。
另外，閘門23可在平行于基片4的方向移動。當該可移動閘門23由一驅動工件(未圖示)插入飛濺設備1中時，它位于基片4與飛濺陰極6之間，以關閉通過飛濺在基片4上形成膜。
為了用圖8中的膜成形設備1在玻璃基片4上形成膜，首先完成一與圖1中情況相似的預處理和預飛濺步驟。然后穿過氣體引入口12a將氬氣作為飛濺氣體引入，同時穿過氣體引入口12b引入作為反應氣體的氧氣。另外，將閘門23移動到基片4之外的一個位置，距其旋轉圓足夠遠。然后環(huán)繞旋轉軸9轉動第一閘門21a，同時保持第二閘門22a和22b足夠的開口程度，從而將第一閘門21a中的開口21b定位在靶5上方。然后向飛濺陰極6施加電能，開始對飛濺陰極6上的Ti靶5進行飛濺。這樣在基片4上形成包含TiO2的氧化膜。此時，基片保持器3以及基片4正在環(huán)繞旋轉軸2轉動。
該實施例中，包含TiO2的氧化膜形成壓電薄膜。但可通過穿過氣體引入口12b引入作為反應氣體的氮氣而形成一氮膜。
當包含TiO2的氧化膜形成后，由于第一閘門21a的開口21b的形狀使得旋轉圓沿可旋轉基片4的半徑越向外擴張，膜成形速度變得越高，形成于基片4上的薄膜的膜厚度分布顯示一傾斜度，即旋轉圓沿可旋轉基片4的半徑越向外擴張，膜厚度變得越大。
然后在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2。隨后，當膜厚度監(jiān)測器10檢測到膜的最厚區(qū)域的厚度已經達到所需厚度的95％時，第一閘門21a的驅動齒輪22c減小第二閘門22a和22b的開口程度。這減小了第一閘門21a中的開口21b。此時，減小閘門22a和22b的開口程度以及第一閘門21a中的開口21b，通過減小每個開口面積而使膜成形速度小于初始狀態(tài)。至于實現薄膜厚度所需的嚴格精確的均勻性，膜厚度圓周分布的平面度較大地依賴于當閘門打開而開始或者關閉而結束膜成形時是否正在形成膜，而這種依賴性可以通過以上述膜成形的方式減小的膜成形速度而降低。結果可在圓周方向上獲得膜厚度的平面分布。在這個意義上，具有第二閘門22a和22b的第一閘門21a，即開關閘門通過改變開口21b的面積而具有膜成形速度控制元件的功能。另外，這種膜成形速度的減小并不影響飛濺條件本身，因為靶5表面的狀態(tài)、反應氣體的局部壓力等不像通過降低施加到飛濺陰極6上的電能而減小膜成形速度那樣波動。
另一方面，膜厚度監(jiān)測器10使用第一監(jiān)測器10a1-10b1、第二監(jiān)測器10a2-10b2及第三監(jiān)測器10a3-10b3分別在三個測量點101、102和103測量基片4上的薄膜厚度。在每個預定時間獲得這三點數據能夠在基片保持器3的旋轉圓的徑向監(jiān)測薄膜厚度的分布。圖8中，參考數字101’、102’和103’表示位于基片4的膜成形區(qū)域中，對應于分別屬于膜厚度監(jiān)測器10的位置101、102和103的每個同心圓上的點。
然后在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2，同時使第二閘門22a和22b的開口程度保持較小。當膜厚度監(jiān)測器10由第一監(jiān)測器10a1-10b1檢測到膜厚度達到所需值時，移動閘門23，使閘門23的一端部23a充分覆蓋同心圓的位置101’和102’之間的預定區(qū)域，位置101’和102’對應于測量位置101和102。這樣關閉并因而結束在靠近測量位置101的區(qū)域的膜成形。
然后在上述狀態(tài)下在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2。當膜厚度監(jiān)測器10由第二監(jiān)測器10a2-10b2檢測到膜厚度達到所需值時，移動閘門23，使閘門23的一端部23a充分覆蓋同心圓的位置102’和103’之間的預定區(qū)域，位置102’和103’對應于測量位置102和103。這樣關閉并因而結束在靠近測量位置102的區(qū)域的膜成形。
然后在上述狀態(tài)下在一預定時間內連續(xù)在基片4上形成TiO2。當膜厚度監(jiān)測器10由第二監(jiān)測器10a3-10b3檢測到膜厚度達到所需值時，移動閘門23，使閘門23的端部23a到達基片4的一中央位置4a，使半個基片4完全由可移動閘門23覆蓋。這樣關閉基片4上的膜成形，同時結束全部膜成形過程。
該實施例中，通過將第一閘門21a的開口21b成形為使旋轉圓沿可旋轉基片4的半徑越向外擴張，膜成形速度變得越高，薄膜的膜厚度分布顯示一傾斜度，即旋轉圓沿可旋轉基片4的半徑越向外擴張，膜厚度變得越大。使在徑向傾斜的膜厚度的分布變平，從而通過將閘門23從旋轉圓外部移到內部而從外部到內部順序關閉膜成形，順序獲得具有均勻的所需膜厚度的薄膜。
但本發(fā)明并不局限于這個實施例。例如，相反地，可以通過提前形成一個傾斜的膜厚度分布，使旋轉圓沿可旋轉基片4的徑向越向內擴張，膜厚度變得越大，然后從旋轉圓的內部向外部順序關閉膜成形。
另外，可用膜厚度監(jiān)測器10的更大數量的監(jiān)測位置更精確地控制膜厚度的分布。另外，可通過連續(xù)移動閘門23而比一步一步移動能更精確地控制膜厚度的分布。
例例1圖3中的飛濺設備用于將一直徑為200毫米的光學打磨炸面包圈形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后將空腔1內部抽到1×10-5帕或更小的壓力。然后穿過氣體引入口11將20立方厘米氬氣引入，同時穿過氣體引入口12b引入5立方厘米的氧氣。這樣將空腔1內部保持在0.5帕的壓力下。保持第一和第二膜厚度校正板13和14不位于基片上方。在確認了閘門8的開口8a、8b和8c中沒有一個位于飛濺陰極6上方之后，基片保持器3以1500轉每分的轉速環(huán)繞旋轉軸2轉動。然后將用于防止異常放電的2kW脈沖直流電施加到飛濺陰極6上，開始放電。靶的材料是Ti。閘門8的開口8a位于飛濺陰極6上方，開始膜成形。此時以200埃/分鐘的速度形成TiO2。當已經調節(jié)的膜厚度監(jiān)測器10顯示膜厚度為1990埃(在測量點獲得的最大值)時，關閉閘門8。
然后，對應于由膜厚度監(jiān)測器完成的測量結果，具有開口形狀13a的第一膜厚度校正板13移動到飛濺陰極6與基片4的表面之間。然后將閘門8中的開口8b移動到飛濺陰極6的上方。此時以20埃/分鐘的速度形成膜。當膜厚度監(jiān)測器10顯示膜厚度總計為2000埃(在測量點獲得的最大值)時，關閉閘門8。
在已經形成薄膜后，取出基片4。用橢球偏光計測量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。結果平均膜厚度為2000.3埃，膜厚度的分布相對于平均膜厚度有±0.08％的離散。另外，將相同的實驗重復5次，以測量可再現性。結果平均膜厚度和離散表示為2000.0埃±0.08％，2000.5?！?.05％，1998.8?！?.08％，2000.1埃±0.06％和1999.6?！?.07％。
例2圖3中的飛濺設備用于在與例1相同條件下開始膜成形。以200埃/分鐘的速度形成TiO2。然后當膜厚度監(jiān)測器10顯示膜厚度為1990埃時，首先關閉閘門8。膜厚度監(jiān)測是在一點測量后完成的，并在基片4上多個點測量膜厚度，同時在基片4的徑向移動。
然后用具有開口13a的第一膜厚度校正板13和閘門8中的開口8b以20埃/分鐘的速度完成膜成形。當膜厚度監(jiān)測器10顯示厚度總計為1996埃時，再次關閉閘門8。
接下來，當膜厚度監(jiān)測器10顯示在5埃/分鐘的膜成形速度下厚度總計為2000埃時，用具有開口14a的第二膜厚度校正板14和閘門8中的開口8c再次關閉閘門8。
在已經形成薄膜后，取出基片4。用橢球偏光計測量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。結果平均膜厚度為2000.0埃，膜厚度的分布相對子平均膜厚度有±0.02％的離散。
例3圖7中以頂視圖所示的第三膜厚度校正板16用于代替圖3中所示的飛濺設備的第一和第二膜厚度校正板13和14。第三膜厚度校正板16具有這樣一種結構，即閘門花鍵181至1814分別與微缸171至1714聯(lián)接，每個微缸171至1714可用延伸穿過旋轉軸19的一信號纜20拉伸，開口16a的形狀可通過移動花鍵181至1814而任意變化。
在基本上與例2中相同的條件下通過適當改變第三膜厚度校正板16中開口16a的形狀而形成一膜，與例2的不同之處在于，用第二膜厚度校正板16代替第一和第二膜厚度校正板13和14。結果，平均膜厚度是2000埃，膜厚度相對于天差地平均膜厚度具有±0.03％的離散。比較例1圖1中的飛濺設備用于將一直徑為200毫米的光學打磨炸面包圈形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后將空腔1內部抽到1×10-5帕或更小的壓力。然后穿過氣體引入口11將20立方厘米氬氣引入，同時穿過氣體引入口12b引入5立方厘米的氧氣。這樣將空腔1內部保持在0.5帕的壓力下。在確認了閘門8的開口8a不位于飛濺陰極6上方之后，基片保持器3以1500轉每分的轉速環(huán)繞旋轉軸2轉動。然后將用于防止異常放電的2kW脈沖直流電施加到飛濺陰極6上，開始放電。靶的材料是Ti。閘門8的開口8a位于飛濺陰極6上方，開始膜成形。此時以200埃/分鐘的速度形成TiO2。當已經調節(jié)的膜厚度監(jiān)測器10顯示膜厚度為2000埃時，關閉閘門8。
在已經形成薄膜后，取出基片4。用橢球偏光計測量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。結果平均膜厚度為2004.6埃，膜厚度的分布相對于平均膜厚度有±3.2％的離散。
比較例2至6將與比較例1中完全相同的實驗重復5次。結果平均膜厚度和離散表示為1998.7埃±0.6％，1997.7?！?.5％，2001.0?！?.1％，1998.0?！?.4％和2003.3?！?.8％。
例4圖8中的飛濺設備用于將一直徑為200毫米的光學打磨炸面包圖形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后將空腔1內部抽到1×10-5帕或更小的壓力。然后穿過氣體引入口11將20立方厘米氬氣引入，同時穿過氣體引入口12b引入5立方厘米的氧氣。這樣將空腔1內部保持在0.5帕的壓力下。保持閘門23不位于基片4上方。在確認了第一閘門21a的開口21b和21c不位于飛濺陰極6上方之后，基片保持器3以1500轉每分的轉速環(huán)繞旋轉軸2轉動。然后將用于防止異常放電的2kW脈沖直流電施加到飛濺陰極6上，開始放電。靶的材料是Ti。
然后將第一閘門21a中的開口21a定位在飛濺陰極6上方，開始放電。此外，為了促進Ti的氧化反應，將600W電能引入等離子源24以發(fā)射等離子。此時以150埃/分鐘的速度形成TiO2。當已經調節(jié)的光學膜厚度監(jiān)測器10檢測到最外部測量點101處的膜厚度達到1990埃時，一驅動工件(未圖示)移動驅動齒輪22c而減小第二閘門22a和22b的開口程度，這控制了膜成形速度。當該開口的角度達到第一閘門21a中開口21b的開口角度θ有大約十分之一時，暫停減小第二閘門22a和22b的開口程度的操作。
恰恰在暫停之前，基片4上的薄膜厚度有這樣一個趨勢，即旋轉圓沿可旋轉基片4的半徑越向外擴張，膜厚度變得越大。此時第一監(jiān)測器10a1-10b1、第二監(jiān)測器10a2-10b2和第三監(jiān)測器10a3-10b3分別顯示1990埃、1980埃和1965埃的膜厚度值。當移動第二閘門22a和22b而減小第一閘門21a中的開口面積時，膜成形速度為15埃/分鐘。
在上述狀態(tài)下連續(xù)形成薄膜。當第一監(jiān)測器10a1-10b1顯示膜厚度為2000埃時，移動閘門23，使其端部23a充分覆蓋基片4上的膜成形位置101’，位置101’對應于測量位置101。這樣關閉在可旋轉基片4與膜成形位置101’附近范圍之間區(qū)域中的膜成形。結果在該區(qū)域中，膜厚度變成2000埃，膜成形結束。此時，第二監(jiān)測器10a2-10b2和第二監(jiān)測器10a3-10b3分別顯示膜厚度值為1988埃和1971埃。
在上述狀態(tài)下連續(xù)形成薄膜。當第二監(jiān)測器10a2-10b2顯示膜厚度為2000埃時，移動閘門23，使其端部23a充分覆蓋基片4上的膜成形位置102’，位置102’對應于第二監(jiān)測器10a2-10b2的測量位置102。這樣關閉在可旋轉基片4與膜成形位置102’附近范圍之間區(qū)域中的膜成形。結果在該區(qū)域中，膜厚度變成2000埃，膜成形結束。此時，第三監(jiān)測器10a3-10b3顯示膜厚度值為1980埃。
在上述狀態(tài)下連續(xù)形成薄膜。當第三監(jiān)測器10a3-10b3顯示膜厚度為2000埃時，移動閘門23，使其端部23a到達基片4的一中央位置4a，使半個基片4完全由可移動閘門23覆蓋。然后關閉基片4上的膜成形，結果在基片4上連續(xù)獲得2000埃的均勻膜厚度，膜成形相應結束。
在已經形成薄膜后，取出基片4。用橢球偏光計測量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。結果平均膜厚度為2000.0埃，膜厚度的分布相對于平均膜厚度有±0.01％的離散。離散值優(yōu)良。
比較例7一閘門板25a用于代替第一閘門21a和第二閘門22a和22b，控制膜成形速度。參照圖10，閘門板25a具有一通常用于常規(guī)設備中的開口25b和一具有與圖9中開口21c相同形狀的開口25c。開口25c允許等離子在與例4中相同的條件下到達基片4附近范圍。在與例4中基本相同的條件下用圖8中所示的飛濺設備1形成一薄膜，與例4的不同之處在于使用了閘門板25a。完成對所獲取基片4的測量。結果所獲取膜厚度的分布是這樣，在與基片4的中心位置4a相距40毫米的圓周方向上的膜成形位置，平均膜厚度和離散表示為2007.2?！?.3％。另外，所獲取的膜厚度分布是這樣的，在與基片4的中心位置4a相距80毫米的圓周方向上的膜成形位置，平均膜厚度和離散表示為2006.9?！?.0％。整個基片的分布是平均膜厚度和離散表示為2007.1埃±1.8％。
如從上述描述中清楚的，用常規(guī)膜成形方法和根據本發(fā)明第一實施例的膜成形設備形成占所需厚度多數百分比的薄膜。然后，對應于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的測量結果，選擇最合適的膜厚度校正板來調節(jié)閘門中的開口面積，以該降低膜成形速度，然后在該降低了的膜成形速度下形成膜厚度的剩余部分。因此能夠形成一薄膜，其膜厚度分布在旋轉基片的徑向和圓周方向都非常精確地均勻。
另外，可通過在對應于上述測量結果的低膜成形速度下重復膜厚度的校正而高效地形成膜厚度分布更加精確均勻的薄膜。
另外，用常規(guī)膜成形方法和根據本發(fā)明第二實施例的膜成形設備形成占所需厚度多數百分比的薄膜。然后，對應于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的測量結果，可移動打開和關閉閘門來調節(jié)膜成形速度控制元件中開口的開口程度，從而降低膜成形速度，然后在該降低了的速度下形成膜厚度的剩余部分。另外，對應于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的測量結果，可移動閘門來關閉在已經獲得所需膜厚度的基片的膜成形區(qū)域中的膜成形。也就是說，只要在基片的某個區(qū)域獲得了所需的膜厚度，該區(qū)域中的膜成形馬上結束。因此一旦在基片的全部膜成形區(qū)域中完成膜成形后，可形成一薄膜，使膜厚度分布顯示在旋轉基片的徑向和圓周方向都精確地均勻。
權利要求
1.一種薄膜成形設備，包括相互面對定位的一基片和一膜成形源，該設備還包括一膜成形速度控制元件，該控制元件具有一用于控制形成于上述基片上的薄膜的膜成形速度的開口，及一膜厚度校正元件，該校正元件具有一用于校正形成于上述基片上的薄膜厚度的開口，上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件設置成插入上述基片與上述膜成形源之間并從中取出。
2.根據權利要求1所述的薄膜成形設備，其中，當上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件插入上述基片與上述膜成形源之間時，這些部件以上述基片、上述膜厚度校正元件、上述膜成形速度控制元件和上述膜成形源這樣的順序設置。
3.根據權利要求1或2所述的薄膜成形設備，其中上述膜成形速度控制元件具有兩個或多個開口，這些開口面積各不相同并能夠以開口面積的比例的順序選擇每個開口。
4.根據權利要求1或2所述的薄膜成形設備，其中上述膜成形速度控制元件是兩個或多個分別具有一個開口的膜成形速度控制板，膜成形速度控制板中的開口在面積上各不相同，并可以選擇每個膜成形速度控制板。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的薄膜成形設備，其中上述膜厚度校正元件具有兩個或多個開口，這些開口分別具有不同的形狀，并能夠根據基片上薄膜厚度的分布來選擇每個開口。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的薄膜成形設備，其中上述膜厚度校正元件中的開口具有兩個或多個可選擇的可移動閘門，可根據基片上薄膜厚度的分布有選擇地移動上述閘門而增大或減小上述開口的面積。
7.一種用根據權利要求1至6中任一項所述的薄膜成形設備形成薄膜的方法，上述方法包括第一步驟，首先形成占厚度預定百分比的上述薄膜，第二步驟，然后測量在第一步驟中形成的薄膜的厚度分布，第三步驟，進一步將上述膜成形速度控制板插入上述基片與上述膜成形源之間，使膜成形速度小于上述第一步驟，對應于上述第二步驟中測量的膜厚度的分布插入上述膜厚度校正元件板，以校正薄膜的厚度。
8.根據權利要求7所述的形成薄膜的方法，其中再次完成該第二步驟，測量上述第三步驟中形成的薄膜厚度的分布，作為同一循環(huán)順序重復完成當前第三步驟和當前第二步驟，直到上述薄膜由于當前第二步驟的測量而具有所需的厚度，當前第三步驟，將具有一能夠控制膜成形速度的開口的膜成形速度控制板插入上述基片與上述膜成形源之間，從而使膜成形速度小于前面第三步驟中的膜成形速度，對應于上述前面第三步驟之后再次完成的上述前面第二步驟中測量的膜厚度的分布，將具有一能夠校正薄膜厚度的開口的膜厚度校正元件插入上述基片與上述膜成形源之間，當前第二步驟，測量在第三步驟中形成的薄膜厚度的分布。
9.根據權利要求7或8所述的形成薄膜的方法，其中在同一循環(huán)中，上述第二步驟與上述第一步驟和上述第三步驟同時完成，
10.根據權利要求1或2所述的薄膜成形設備，其中上述基片包括一可旋轉基片，設有膜厚度測量裝置，用于沿該可旋轉基片的半徑在多個測量點測量上述薄膜的厚度，上述膜成形速度控制元件設有一開口，該開口用于沿上述可旋轉基片的半徑形成一傾斜的膜成形速度梯度，及一開關閘門，用于增大或減小該開口的開口程度，并用一可移動閘門作為上述膜厚度校正元件，以關閉上述基片上的薄膜成形。
11.根據權利要求10所述的用該薄膜成形設備形成薄膜的方法，上述方法包括第一步驟，首先在上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件中僅將上述膜成形速度控制元件插入上述基片與上述成形源之間，形成占厚度預定百分比的上述薄膜，同時上述膜成形速度控制元件的開關閘門保持打開，第二步驟，然后對應于在上述第一步驟中由上述膜厚度測量裝置測量的值，移動上述膜成形速度控制元件的開關閘門，同時由上述第一步驟中只有上述膜成形速度控制元件保持插在上述基片與上述膜成形源之間，及第三步驟，隨后對應于在上述第二步驟中由上述膜厚度測量裝置測量的值，移動位于上述基片與上述膜成形源之間的上述閘門，同時在第二步驟中減小的上述膜成形速度控制元件中開口的開口程度保持減小，從而在上述基片上已經獲得所需膜厚度的膜成形區(qū)域中關閉膜成形。
12.根據權利要求1至6和10中任一項所述的薄膜成形設備，其中上述膜成形源設置為一飛濺陰極。
13.根據權利要求12所述的薄膜成形設備，其中通過一靶材料與反應氣體在使用上述飛濺陰極的反應飛濺過程中的反應形成一壓電薄膜，飛濺氣體包括稀有氣體和反應氣體。
14.根據權利要求13所述的薄膜成形設備，包括使用包括稀有氣體的上述飛濺氣體的金屬膜成形裝置，用于飛濺上述飛濺陰極的靶金屬，從而在上述基片上形成一金屬薄膜，以及氧化或氮化裝置，用上述反應氣體氧化或氮化形成于上述基片上的金屬薄膜，從而形成一壓電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高效的膜成形設備，能夠校正膜厚度，從而注意膜厚度分布上的變化，并注意膜厚度在圓周上的分布，以及一種使用該膜成形設備形成薄膜的方法。該方法包括第一步驟，首先穿過閘門8中的開口8a形成占厚度預定百分比的薄膜，第二步驟，然后用一膜厚度監(jiān)測器10測量在第一步驟中形成的薄膜厚度的分布，第三步驟，通過基片4與飛濺陰極6之間的閘門8中的開口8a，相比于第一步驟減小膜成形速度，對應于上述第二步驟中測量的膜厚度的分布，通過基片4與飛濺陰極6之間的第一膜厚度校正板13中的開口13a來校正薄膜的厚度。然后再次完成第二步驟，在此期間用膜厚度監(jiān)測器10測量在第三步驟中形成的薄膜的厚度分布。另外，重復完成第三和第二步驟。
文檔編號C23C14/54GK1417374SQ02147990
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月1日 優(yōu)先權日2001年11月2日
發(fā)明者谷典明, 鈴木壽弘, 池田智, 川村裕明, 石橋曉, 半澤幸一, 松元孝文 申請人:愛發(fā)科股份有限公司