專利名稱：一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法
技術領域：
本發明涉及薄膜制備技術領域，具體涉及一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法。
背景技術：
絕大多數薄膜在應用時，其厚度均勻性都必須滿足某種程度的要求。濺射是一種常用的薄膜制備方法，為提高膜厚均勻性，通常是根據濺射靶的形狀(平面圓形靶、矩形靶、對向靶、空心陰極靶等)，采用合適的基板-靶相對運動方法，并優化基板和靶的相對幾何方位和距離。
對于圓形平面濺射靶，通常采用基板相對于靶自轉或行星轉動的方法來提高薄膜的厚度均勻性。如圖1所示，當基板1與靶2平行，并且其轉軸穿過靶2的中心時的幾何布局稱為正軸濺射。正軸濺射的膜厚分布均勻性可以通過調節靶基距h來實現。對于平面圓形磁控濺射系統，通過理論計算，1978年Academic公司出版的Thin Film Processes一書第143頁報道當濺射環內徑r1、外徑r2分布約為0.7倍和0.8倍靶基距h時，膜厚均勻性最佳。
如圖2所示，當基板(1)的轉軸與靶(2)的中心不重合時的幾何布局稱為離軸濺射。與正軸濺射相比，離軸濺射可大幅度地提高薄膜的均勻性，見文獻(1)T.Serikawa and A.Okamoto，J.Vac.Sci.Technol.A4，1784(1985)；(2)S.Swann，S.A.Collett and I.R.Scarlett，J.Vac.Sci.Technol.A8，1299(1990)；(3)范正修，薛松生，何朝玲，應用科學學報，11(2)，136(1993)。離軸濺射的膜厚均勻性是通過調節靶基距h與偏心距D的比例來實現的，上述文獻的理論計算及實測結果都對此進行了證實。然而在上述文獻中，僅僅展示了幾個示例，并沒有從總體的角度出發概括出靶基距h與偏心距D應該滿足什么樣的關系方能獲得最佳膜厚分布。
1992年授權的日本專利特開平4183856公開了一種制備梯度功能薄膜的濺射裝置，其實質是一種帶有遮蔽板的離軸濺射裝置，沒有對靶基距h和偏心距D的可調性進行規定。2004年授權的中國專利ZL98800979.X公開了一種單片式磁控管濺射裝置，本質上是一種離軸濺射的實現方法，其靶基距h可調，而偏心距D的可調性沒有進行說明。2004年公開的中國專利申請書02160604.8公開了一種磁控管濺射裝置和方法，本質上也是一種離軸濺射裝置，其特征在于薄膜的均勻性是通過改變靶基距h、偏心距D和旋轉速度來調整，即采用多個靶基距h-偏心距D-濺射時間的組合來進行調整。但在實驗上要摸索出這些參數的最佳組合需要花費大量的時間，并且這些優化的工藝參數不具有普適性，當濺射裝置改變時，需要重新摸索，耗時耗力。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是如何提供一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，該方法是針對離軸濺射，快速確定優化的靶基距h-偏心距D比例關系的方法，它具有簡單易用、普適性強、預測準確的特點。
本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，系用圓形平面靶2濺射薄膜，基板1與靶2偏心放置，兩者中的任意一個繞其中心軸自轉，薄膜的厚度均勻性由靶基距h和偏心距D調節，當刻蝕環3的斷面為U形或近似于矩形，并且濺射時氣壓小于5Pa時，h和D的優化比例關系控制為D=3+0.7r1+0.3r2+(23±0.1)·h]]>式中r1、r2分別為靶2上形成的刻蝕環3的內徑和外徑。
按照本發明所提供的提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，它適用于磁控濺射方法和非磁控濺射方法，所述磁控濺射方法包括直流磁控濺射、射頻磁控濺射等方法，所述非磁控濺射方法包括二極濺射、射頻濺射、離子束濺射等方法。
本發明的濺射方法中濺射靶2的制作材料可以是金屬、合金、陶瓷、玻璃等材料中的一種，如大規模集成電路中所用的Cu膜，Co-Cr、Ni-Fe-Co等磁性薄膜，ZnO、BaTiO3等陶瓷膜，ITO等玻璃膜。
本發明的實質是在現有離軸濺射的基礎上，量化了靶基距h和偏心距D的調節方法以實現最佳的膜厚均勻性。
本發明有如下優點本發明量化了D～h的優化比例關系，采用此比例關系，可以快速確定最佳的靶基距h和偏心距D以實現均勻的薄膜分布。并且在此比例關系中，考慮到了刻蝕環3的大小(即靶2的大小)對其的影響，因此該D～h比例關系適用于任何尺寸的靶，具有通用性。
圖1為正軸濺射的結構示意圖；
圖2為離軸濺射的結構示意圖；圖3是本發明的離軸濺射的具體實施例的結構示意圖；圖4是本發明離軸濺射偏心距的調節原理圖；圖5是本發明離軸濺射銅膜的厚度分布圖。
其中1是基板，2是靶，3是刻蝕環，4是自轉轉盤，5是軸承，6是公轉轉盤，7是公轉驅動小齒輪，8是公轉驅動軸，9是公轉步進馬達，10是公轉軸，11是自轉馬達，12是自轉軸，13是公轉連接齒輪，14是真空泵接口，15是自轉驅動齒輪，16是真空室。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
如圖3所示，在真空室16中有兩個對稱安放的磁控濺射靶2，濺射靶2可上下移動以調節靶基距h；在真空室16的中央還安裝了一根同心轉動軸，外軸10驅動公轉轉盤6產生公轉，公轉轉盤6上安裝了自轉轉盤4，由軸承5提供活動支撐，基板1安放在自轉轉盤4上，內軸12驅動自轉轉盤4及其上的基板1產生自轉。偏心距D的調節由公轉步進馬達9來完成，如圖4所示，它使δ角連續變化從而達到調節偏心距D的作用。
以下是本發明的具體實施例采用上述裝置運用本發明的控制方法濺射銅膜，靶2的直徑為60mm，濺射環3的內外半徑分別為13、22mm。靶基距D為50mm，由本發明給出的公式計算得到優化的偏心距為52±5mm，實驗中采用50mm的偏心距，使用直徑為100mm的普通玻璃作為基板，安裝在基板支架(自轉轉盤4)的正中心，濺射時氬氣的氣壓為0.5Pa，功率50W，濺射時間15分鐘。濺射完畢后采用干涉顯微鏡測量膜厚，結果如圖5所示，可見薄膜在直徑80mm的范圍內其厚度均勻性在4％以內。
采用本發明的離軸濺射方法，不需經過多次實驗摸索而快速地獲得了大面積厚度均勻的薄膜，可縮短產品的研制周期，在技術上具有實用價值。
權利要求
1.一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，系用圓形平面靶(2)濺射薄膜，其特征在于，基板(1)與靶(2)偏心放置，兩者中的任意一個繞其中心軸自轉，薄膜的厚度均勻性由靶基距(h)和偏心距(D)調節，當刻蝕環(3)的斷面為U形或近似于矩形，并且濺射時氣壓小于5Pa時，h和D的優化比例關系控制為D=3+0.7r1+0.3r2+(23±0.1)·h]]>式中r1、r2分別為靶(2)上形成的刻蝕環(3)的內徑和外徑。
2.根據權利要求1所述的提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，其特征在于，它適用于磁控濺射方法和非磁控濺射方法，所述磁控濺射方法包括直流磁控濺射、射頻磁控濺射等方法，所述非磁控濺射方法包括二極濺射、射頻濺射、離子束濺射等方法。
3.根據權利要求1所述的提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，其特征在于，濺射靶(2)的制作材料可以是金屬、合金、陶瓷、玻璃等材料中的一種。
全文摘要
本發明公開了一種提高膜厚均勻性的離軸濺射控制方法，系用圓形平面靶2濺射薄膜，基板1與靶2偏心放置，兩者中的任意一個繞其中心軸自轉，薄膜的厚度均勻性由靶基距h和偏心距D調節，當刻蝕環3的斷面為U形或近似于矩形，并且濺射時氣壓小于5Pa時，h和D的優化比例關系控制為D=3+0.7r
文檔編號C23C14/54GK1962930SQ20061002234
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月28日 優先權日2006年11月28日
發明者杜曉松, 蔣亞東, 李 杰, 謝光忠, 王濤, 李偉 申請人:電子科技大學