专利名称：一种确定多工位镀膜系统矩形靶最优转速比的方法
技术领域：
本发明涉及电子机械技术领域，具体涉及电子薄膜制备技术中的确定多工 位镀膜系统矩形靶最优转速比的方法。
背景技术：
在各种溅射镀膜技术中，磁控溅射技术是最重要的技术之一，为了制备大 面积均匀且批量一致好的薄膜，大量的研究人员釆用优化靶基距、改变基片运 动方式、增加挡板机构和实行膜厚监控等措施。多工位磁控'践射镀膜仪器由于 其速度比可调以及同时制作多个基片，效率大大提高，被越来越多的重视和使 用。
X. Q. Meng研究小组为了达到制备大面积均匀薄膜目的，根据实际磁控濺射 情形从理论上推导出薄膜厚度分布公式。根据他们的公式可得基片距离靶越 远，薄膜的均匀性越好。 一般在距离LO,8R2(R2为靶上刻蚀环的外径)时，薄 膜的均匀性已非常好。同时，作者还指出轰击靶材的入射粒子的能量与薄膜 的沉积速率、均匀性之间无紧密关系。
范正修等人系统的论述了磁控溅射薄膜的厚度分布，从理论上分析了固定基 片，基片转动以及自转加公转三种状态下的膜厚分布，计算结果表明，膜厚分 布很大程度上取决于基体高度。适当调节基体高度和靶的距离，可以得到很好 的膜厚均匀性。
从70年代末开始，许多人就采用Monte-Carlo方法来分析沉积镀膜过程， 但他们大都对于圓形平面》兹控溅射沉积过程进4亍仿真。08年西安交通大学电气 工程学院的邱清泉，在假设跑到均匀刻蚀的前提下，对矩形靶原子沉积过程进 行了计算机仿真。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种确定多工位镀膜系统矩形靶最优转 速比的方法，采用该方法可以准确地确定"一种平面^兹控'减射-多工位镀膜装置"的最优自转与公转转速比。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种确定多工位镀膜系统矩 形靶最优转速比的方法，其特征在于，包括以下步骤
①确定平面矩形鞋J兹控溅射系统在平面上某点的相对厚度
设P为基片上任一点，坐标为为(x，， y，)， ds为P点的微小面元，设Q为 溅射跑道区内一点，坐标为(x, y)， d(7为Q点的孩炎小面元，在单位时间内，该 小面元在ds上沉积的薄膜厚度用公式[9]表示为
其中m是单位时间内小面元賊射出镀膜材料的总质量，数值上等于该点溅射速 率与时间的乘积，<9是膜料份子对沉积面元的入射角，即面元ds法线与入射原 子方向的夹角，"是溅射原子的发射角，/ 是靶材的密度，r是溅射面元和沉积 面元之间的距离，把矩形耙跑道分为两个矩形区域和两个半圆形区域进行积分， 所得得总膜厚度分布为
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②确定基片上公自转的上述P点运动时的位置 设P点相对于自转中心的坐标为(R, p)，则基片上点的运动轨迹可以建立 坐标方程
5x-Rcos( "z t+p)+acos( % t) (7)
y= Rsin( "z t+p)+asin( "g t) (8)
其中^是基片自转角速度，WgA^片公转角速度，t是时间参数，R是P点自 转半径，p是P点自转角度，a为P点公转半径，使用网格划分的算法，将时间 t进行细小的划分，判断每个小时间段中，基片上点P的位置；
③多工位镀膜系统的膜厚分布
膜厚分布的近似^f直求法包括以下两种
a、 假设在t时刻，求解该时刻点P所在位置的相对膜厚值H,追踪一个周期 时间内，点P在运动过程中所积累的相对膜厚，相加之和为基片上P点积累的 薄膜总厚度；
b、 由于磁控溅射系统内部的等离子分布是不均匀的，对于多工位镀膜系统， 靶材大部分都賊射在矩形靶区域的上方，t时刻，点P运动到某一位置，如果在 t时刻以及t+dt时刻该点都在矩形框内部，膜厚的积累等于该点的时间步长dt 与刻蚀跑道在点P的相对膜厚的乘积；如果两者之一在矩形区域中，取dt/2时 间内的相对膜厚值；如果两者都不在矩形区域内部，则膜厚积累取为0;最后相 加之和为基片上P点积累的薄膜总厚度；
④求解最佳自传-公转转速比例
自转角速度^/公转角速度^g记为n,改变n来仿真公自转系统下沉积的三 维膜厚分布，计算每种n值对应膜厚的最大相对偏差Gt,其中具有最小Gt值的 那个n值就是最优的自公转转速比
Gt= Mw+M/ (9)。 本发明提供了 一种多工位平面磁控溅射系统的最优自转与公转角速度比 例的方法，通过把基片运动与镀膜过程的模拟结合在一起，采用矩形耙，运用 时间步长划分的算法，改变自转与公转速度比n来仿真^^自转系统下的沉积三 维膜厚分布，确定最大相对偏差最小时对应的n值，进而得到最优的自转与公
转速度比。本发明的优点在于可以准确地确定"一种平面磁控'减射-多工位镀膜 装置"的最优自转与公转转速比，可以最优地使用该装置溅射出大面积、厚度高均匀性更好的薄膜。
图1是多工位磁控溅射系统坐标示意图2是平面磁控溅射示意图3是本发明中使用的矩形靶结构参数示意图。
其中rl和r2分别为刻蚀半环区域的内外半径；L2-L1是刻蚀条形区域的 长度。
具体实施例方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述
本发明的目的在于为靶材形状为矩形的多工位平面磁控賊射系统提供最优 自转与公转角速度比例的方法，通过把基片运动与镀膜过程的模拟结合在一起， 采用矩形靶，运用时间步长划分的算法，改变自转与公转角速度比n来仿真公 自转系统下的沉积三维膜厚分布，确定最大相对偏差最小时对应的n值，进而 得到最优的自转与公转速度比。采用本发明的方法可以准确地确定靶材形状为 矩形的多工位平面磁控溅射系统的最优自转与公转转速比，可以最优地使用该 装置溅射出大面积、厚度均匀性更好的薄膜。
实施举例
如图1中所示，选取靶材的长宽1=244， s=54,基片的直径为150mm。公自 转中心的距离a=222mm。图2中所示，靶基距为h=70mm。图3中所示，矩形 靶的跑道条形L2-Ll=184mm,跑道两个半圆区域，小圆半径Rl=10mm,大圆 半径R2二20mm,膜厚分布方程式中的常数c取为1。
将上述参量代入公式(1)和(2)得到相对膜厚分布。
基片公转角速度"g =0.2367，自转角速度^=11*%。代入公式(7)和(8) 可以得到基片运动方程。
取n=l,2,3,4,5,6...,方法1追踪一个周期时间内，基片上点P运动过程中所 积累的相对膜厚，相加之和为基片上P点积累的薄膜总厚度，得到每种n值下 的膜厚分布。方法2选取时间步长为lms,计算每个步长间隔中基片上点P运
7动过程中所积累的相对膜厚，当P点运动到矩形靶区域的正上方空间时，膜厚 积累增加，否则不变，最后将所有时间步长中的结果相加得到总的薄膜厚度积
累。最后求解每种情况下的厚度偏差Gt,比较得到Gt最小时的n值，即为最优 转速比。
本例使用两种方法得到的结果一致，均为11=0.5对应最优自转与公转转速比。
权利要求
1、一种确定多工位镀膜系统矩形靶最优转速比的方法，其特征在于，包括以下步骤①确定平面矩形靶磁控溅射系统在平面上某点的相对厚度设P为基片上任一点，坐标为为(x’，y’)，ds为P点的微小面元，设Q为溅射跑道区内一点，坐标为(x，y)，dσ为Q点的微小面元，在单位时间内，该小面元在ds上沉积的薄膜厚度用公式表示为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><munder> <mrow><mo>∫</mo><mo>∫</mo> </mrow> <mi>D</mi></munder><mfrac> <msup><mi>mh</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>πρr</mi><mn>5</mn> </msup></mfrac><mi>dσ</mi><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>h</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>πρ</mi></mfrac><munder> <mrow><mo>∫</mo><mo>∫</mo> </mrow> <mi>D</mi></munder><mfrac> <mi>m</mi> <msup><mrow> <mo>[</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msup><mi>x</mi><mo>′</mo> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msup><mi>y</mi><mo>′</mo> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>h</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>]</mo></mrow><mn>2.5</mn> </msup></mfrac><mi>dσ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中m是单位时间内小面元溅射出镀膜材料的总质量，数值上等于该点溅射速率与时间的乘积，θ是膜料份子对沉积面元的入射角，即面元ds法线与入射原子方向的夹角，β是溅射原子的发射角，ρ是靶材的密度，r是溅射面元和沉积面元之间的距离，把矩形靶跑道分为两个矩形区域和两个半圆形区域进行积分，所得得总膜厚度分布为<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><munder> <mrow><mo>∫</mo><mo>∫</mo> </mrow> <mrow><mi>D</mi><mn>1</mn> </mrow></munder><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>dxdy</mi> </mrow> <msup><mrow> <mo>[</mo> <msup><mrow> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msup> <mi>x</mi> <mo>′</mo></msup><mo>)</mo> </mrow></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msup><mi>y</mi><mo>′</mo> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mi>h</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>]</mo></mrow><mn>2.5</mn> </msup></mfrac><mo>+</mo><mi>c</mi><munder> <mrow><mo>∫</mo><mo>∫</mo> </mrow> <mrow><mi>D</mi><mn>1</mn> </mrow></munder><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> 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inline="yes"/></maths>②确定基片上公自转的上述P点运动时的位置设P点相对于自转中心的坐标为(R，p)，则基片上点的运动轨迹可以建立坐标方程x＝Rcos(ωzt+p)+acos(ωgt) (7)y＝Rsin(ωzt+p)+asin(ωgt) (8)其中ωz是基片自转角速度，ωg是基片公转角速度，t是时间参数，R是P点自转半径，p是P点自转角度，a为P点公转半径，使用网格划分的算法，将时间t进行细小的划分，判断每个小时间段中，基片上点P的位置；③多工位镀膜系统的膜厚分布膜厚分布的近似值求法包括以下两种a、假设在t时刻，求解该时刻点P所在位置的相对膜厚值H，追踪一个周期时间内，点P在运动过程中所积累的相对膜厚，相加之和为基片上P点积累的薄膜总厚度；b、由于磁控溅射系统内部的等离子分布是不均匀的，对于多工位镀膜系统，靶材大部分都溅射在矩形靶区域的上方，t时刻，点P运动到某一位置，如果在t时刻以及t+dt时刻该点都在矩形框内部，膜厚的积累等于该点的时间步长dt与刻蚀跑道在点P的相对膜厚的乘积；如果两者之一在矩形区域中，取dt/2时间内的相对膜厚值；如果两者都不在矩形区域内部，则膜厚积累取为0；最后相加之和为基片上P点积累的薄膜总厚度；④求解最佳自传-公转转速比例自转角速度ωz/公转角速度ωg记为n，改变n来仿真公自转系统下沉积的三维膜厚分布，计算每种n值对应膜厚的最大相对偏差Gt，其中具有最小Gt值的那个n值就是最优的自公转转速比<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Gt</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>Max</mi> <mo>-</mo> <mi>Min</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>Max</mi><mo>+</mo><mi>Min</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
全文摘要
本发明公开了一种确定多工位镀膜系统矩形靶最优转速比的方法，是通过把基片运动与镀膜过程的模拟结合在一起，采用矩形靶，运用时间步长划分的算法，改变自转与公转角速度比n来仿真公自转系统下的沉积三维膜厚分布，确定最大相对偏差最小时对应的n值，进而得到最优的自转与公转速度比。采用本发明的方法可以准确地确定靶材形状为矩形的多工位平面磁控溅射系统的最优自转与公转转速比，可以最优地使用该装置溅射出大面积、厚度均匀性更好的薄膜。
文档编号C23C14/54GK101586234SQ20091005965
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者贺 于, 吴志明, 涛 王, 蒋亚东, 超 陈 申请人:电子科技大学