专利名称：一种改善磁控溅射膜厚均匀性的方法
一种改善磁控栽射膜厚均匀性的方法
技术领城
本发明涉及电子机械技术领域，具体涉及一种改善磁控濺射膜厚均匀性的方法。
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、实行膜厚监控等措施。多工位磁控溅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，根据实际磁控溅射 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L0.8R2(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。
对于平面真空溅射镀膜系统，基片上靠近圓心的位置薄膜通常较厚，张苏淮 等人通过挖孔改变靶的形状，使把中央的沉积速率被削弱，计算并实验证实在 圓形耙和正方形耙中间开大小不同的孔，可以得到均匀性小于3°/。的薄膜，薄膜 的均匀性与开孔的大小和靶基距相关。在实际镀膜中，有时靶材料是不宜中间 开孔的，而且对于石兹控賊射系统，耙材存在明显的刻蚀跑道，所以在实际生产 中通过改变靶形状来改善膜厚均匀性的方法是行不通的。
因此找到一种能改善膜厚均匀性并且可行的方法是非常有必要且具有重要 意义的。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种改善磁控溅射膜厚均匀性的方法， 该方法能计算出修正挡板的最佳参数，并将磁控溅射镀膜系统制备的膜厚均匀性 将到3%以下。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种改善磁控溅射膜厚均匀 性的方法，其特征在于，是在基片与靶材两个平面中间设置修正挡板，基片、 靶材和修正挡板同心，具体包括以下步骤
步骤1 确定平面磁控賊射系统设备中的靶材在基片上某点的相对膜厚
设M为基片上任一点，其坐标为(x，，y，)， ds为M点的微小面元，N为溅
射跑道区内一点，其坐标为(x,y)， dcj为N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t可以用公式表示为
—mcos6^cosy5 _附/z2 (1) ;r/ r2 ，r4
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，e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，p是溅射原子的发射角，p是靶材的密度，r是溅射面元和沉积 面元之间的距离；
步骤2在基片进行网格划分
在基片半径上等距离的选取16个点，在X-Y坐标系下，起点为(-r，O),终 点(0,0 ),基片自转，角速度为Wz，将一个周期2兀/Wz划分为20个间隔，追踪 每个点M在每个时间段末尾的位置坐标(x。,y());
步骤3 在輩巴上进行网格划分
对于矩形跑道，在两个条形区域直接划分为ixj个矩形网格，在半环形区域， 使用半径介于内经Rl和外R2之间的半圓和X方向的直线结合起来划分；对于 圓形靶，使用极坐标形式进行网格划分；
步骤4建立修正挡板模型
假设基片上某点运动到M ( x。,y(,),靶上点N(x，y)与M的连线可以表示为x'-& = W = z'-z0 (2)
其中z，表示挡板的高度，求得直线和挡板平面的交点(x，,y，,z，)； 步骤5确定挡板的形状 ①矩形挡板
矩形长宽分别为2b和2a,当-b<x，<b JL-a<y，<a时，点P在挡板内部，认 为濺射原子被阻挡，不计算在内，当a二b时，得到正方形挡板的模型； ②椭圆形挡板
椭圓的长轴和短轴的长度分别为f和g,当《+ 4 < 1时，点P在挡板内部，
<formula>formula see original document page 6</formula>
当—g时，得到圓形挡板的模型； 步骤6 求解最优挡板参数
对于膜厚分布的均匀性通过使用通用公式(3)表达
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，Max和Min分别表示基片上膜厚度的最大和最小值，由上面的模型 计算出来的每种挡板参数下，薄膜厚度均匀性偏差G,其中G取最小值的时候 就是最优的挡板参数。
该方法用于平面磁控賊射镀膜设备，基片自转，挡板的形状可以选取圓形、 椭圓形、矩形等规则形状以及不规则形状。耙的形状主要包括圓形、矩形，耙 材料可以选取单金属靶材、合金靶材以及化合物靶材。
本发明的有益效果通过在基片与阴极靶两个平面中间增加修正挡板，一 定程度上减少了基片上靠近圓心处的沉积速率，从而实现均匀性的优化和改进。 建立了较为接近实际情况的挡板理论模型，计算出实现膜厚最佳均匀性的挡板 参数。使用本方法制备的薄膜厚度均匀性最好可以达到3%以下。
图1是平面磁控賊射镀膜系统挡板模型图，其中1是基片，2是挡板，3是 耙，基片、耙、挡板中心同轴。图2是矩形靶网格划分图，其中L是条形跑道的长度，Rl和R2分别表示 圆环跑道的内、外半径。 图3是圆形靶示意图。
图4是不加挡板时磁控賊射沉积膜厚分布随耙基距的变化图。 图5是选择正方形挡板时，不同边长的挡板下沉积膜厚分布图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述 本发明的一种通过使用修正挡板改善磁控溅射薄膜厚度均匀性的方法，采用 下面的步骤
步骤(1)确定平面矩形粑磁控賊射系统在平面上某点的相对膜厚
P为基片上任一点，其坐标为(x，，y，)。 ds为P点的微小面元。Q为溅射跑 道区内一点，其坐标为(x， y)， do为Q点的微小面元。单位时间内，该小面元 在ds上沉积的薄膜厚度可以用公式M表示为
_附C0sPC0Sy3 —励2 (1)
r — ^ — ^
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'减射速率与
时间的乘积。e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，P是溅射原子的发射角，p是靶材的密度，r是溅射面元和沉积面元 之间的3巨离。
步骤(2)基片上的网格划分
在基片半径上等距离的选取16个点，在X-Y坐标系下，起点为(-r,O),终 点(O, 0)。基片自转，角速度为Wz,将一个周期2兀/Wz划分为20个间隔，追 踪每个点M在每个时间段末尾的位置坐标(xo，y(,)。 步骤(3)靶上的网格划分
由于石兹控賊射的刻蚀近似只发生在跑道上，矩形草巴的賊射跑道如图2所示， 对于矩形跑道区域划分网+各的方法如下，两个条形区域可以直接划分为ixj个矩 形网格，对于半环形区域，^吏用半径介于R1和R2之间的半圆和X方向的直线结合起来划分。圓形耙的賊射跑道如图3所示，网格划分使用极坐标形式。 步骤(4)增加的修正挡板模型
假设基片上某点运动到M ( xo,yo ),靶上点N(x，y)与M的连线可以表示为
<formula>formula see original document page 8</formula>其中z，表示挡板的高度，可以求得直线和挡板平面的交点(x，,y，,z，) 步骤(5)确定挡板的形状
最常见的挡板形状分为矩形和椭圓形两种，两种形状下的计算算法如下
① 矩形挡板
矩形长宽分别为2b和2a，当-b<x，<b iL-a<y，<a时，点P在挡板内部，认为溅射 原子被阻挡，不计算在内，当a二b时，得到正方形挡板的模型。如图5，不同边 长的挡板下沉积膜厚分布图，不加挡板时^t控賊射沉积膜厚分布随靶基距的变 化图如图4所示。
② 椭圓形挡板
椭圓的长轴和短轴的长度分别为f和g。
当《+ 4<1时，点P在挡板内部，当f二g时，得到圓形挡板的模型。 .广 ^
步骤6、求解最优挡板参数
对于膜厚分布的均匀性可以通过使用通用公式(3)表达<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，Max和Min分别表示基片上膜厚度的最大和最小值。由上面的模型 计算出来的每种挡板参数下，薄膜厚度均匀性偏差G,其中G取最小值的时候 就是最优的挡板参数。
以矩形靶为例，选取靶材的长宽分别为250mm和50mm,基片的直径为 150mm。靶基距为100mm。在图2中，矩形耙的跑道条形长度为200mm，跑道 两个半圓区域，小圓半径Rl是10mm,大圓半径R2是20mm。 通过上述模型的算法进行计算，得到以下结果 (1 )不使用挡板时，膜厚均匀性达到8%。(2) ^吏用矩形挡^反时，挡^反宽20mm、长60mm,高度34mm时，均值达 到最小值2.92%。
(3) 使用椭圆形挡板时，挡板长轴96mm、短轴20mm,高度27mm时' 均值达到最小值3.73%。
权利要求
1、一种改善磁控溅射膜厚均匀性的方法，其特征在于，是在基片与靶材两个平面中间设置修正挡板，基片、靶材和修正挡板中心同轴，具体包括以下步骤步骤1确定平面磁控溅射系统设备中的靶材在基片上某点的相对膜厚设M为基片上任一点，其坐标为(x’，y’)，ds为M点的微小面元，N为溅射跑道区内一点，其坐标为(x，y)，dσ为N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t可以用公式表示为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>m</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>θ</mi><mi>cos</mi><mi>β</mi> </mrow> <mrow><mi>πρ</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>mh</mi><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>πρr</mi><mn>4</mn> </msup></mfrac><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，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；步骤2在基片进行网格划分在基片半径上等距离的选取16个点，在X-Y坐标系下，起点为(-r，0)，终点(0，0)，基片自转，角速度为Wz，将一个周期2π/Wz划分为20个间隔，追踪每个点M在每个时间段末尾的位置坐标(x0，y0)；步骤3在靶上进行网格划分对于矩形跑道，在两个条形区域直接划分为i×j个矩形网格，在半环形区域，使用半径介于内经R1和外R2之间的半圆和X方向的直线结合起来划分；对于圆形靶，使用极坐标形式进行网格划分；步骤4建立修正挡板模型假设基片上某点运动到M(x0，y0)，靶上点N(x，y)与M的连线可以表示为<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msup> <mi>x</mi> <mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>x</mi><mo>-</mo><msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>y</mi> <mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>y</mi><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>z</mi> <mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>z</mi><mo>-</mo><msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中z’表示挡板的高度，求得直线和挡板平面的交点(x’，y’，z’)；步骤5确定挡板的形状①矩形挡板矩形长宽分别为2b和2a，当-b＜x’＜b且-a＜y’＜a时，点P在挡板内部，认为溅射原子被阻挡，不计算在内，当a＝b时，得到正方形挡板的模型；②椭圆形挡板椭圆的长轴和短轴的长度分别为f和g，当 id="icf0003" file="A2009101677030003C1.tif" wi="20" he="10" top= "46" left = "123" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>时，点P在挡板内部，当f＝g时，得到圆形挡板的模型；步骤6求解最优挡板参数对于膜厚分布的均匀性通过使用通用公式(3)表达<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi> </mrow> <mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中，Max和Min分别表示基片上膜厚度的最大和最小值，由上面的模型计算出来的每种挡板参数下，薄膜厚度均匀性偏差G，其中G取最小值的时候就是最优的挡板参数。
全文摘要
本发明公开了一种改善磁控溅射膜厚均匀性的方法，是在基片与靶材两个平面中间设置最佳修正挡板，基片、靶材和修正挡板中心同轴，建立较为接近实际情况的挡板理论模型，计算出实现膜厚最佳均匀性的挡板参数，一定程度上减少了基片上靠近圆心处的沉积速率，从而实现均匀性的优化和改进。
文档编号C23C14/54GK101660134SQ20091016770
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22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