专利名称：薄膜成形设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种在基片上形成薄膜的设备以及使用该设备形成薄膜的方法。例如，当用飞溅设备等在一玻璃基片上形成薄膜时，在飞溅颗粒沉积在基片上所需位置来形成薄膜的情况下，将会形成这样一个薄膜，即尽管基片的旋转会使膜成形条件均匀，但膜厚度的分布在基片上对应于可旋转基片径向靶中心的部分形成一最高点。另外，在可旋转基片的圆周方向上，根据旋转基片上膜成形开始和结束的位置，将形成这样一个膜厚度分布，即这些位置构成了分布的起点和终点。这种膜厚度的离散是所需膜厚度值的几个百分点。但在用于光学装置、光学纤维等的光学薄膜领域，需要形成一具有严格精度和均匀厚度的薄膜，以控制随膜厚度改变的光学膜厚度(膜厚度×折射系数)。
在
图1的飞溅设备中，基片保持器3的旋转轴2和闸门8的旋转轴9可以以各自的旋转速度独立旋转。另外，在基片保持器3和基片4上设有膜厚度监测器10，用于测量形成于基片4上的薄膜的厚度。该薄膜厚度监测器10由光发射部分10a1至10a3及与光发射部分10a1至10a3一一对应的光接收部分10b1至10b3构成。光发射部分10a与光接收部分10b的组合包括第一监测器10a1-10b1，第二监测器10a2-10b2和第三监测器10a3-10b3。因此由光发射部分10a1至10a3和光接收部分10b1至10b3组成的光传感器构成了一组监测器(第一至第三监测器)，从而能够用薄膜厚度监测器10测量玻璃基片4与薄膜之间的透射比，以监测薄膜厚度的均匀性。另外，设备空腔1可由真空泵11抽空。另外，在设备空腔1的截面底部飞溅靶侧部区域设有一气体引入口12a，用于从中引入飞溅气体。一气体引入口12b在设备空腔1的截面上部中靠近基片保持器3定位，从中引入反应气体。
为了在玻璃基片4上形成薄膜，首先用真空泵作为预处理抽空空腔1内部。然后将作为飞溅气体的氩气穿过气体引入口12a引入。然后环绕旋转轴9旋转闸门8，将开口8a调节到位于靶5上方的位置。然后通过预飞溅，将电能施加到飞溅阴极6上，清理靶5的表面。随后，将作为飞溅气体的氩气通过气体引入口12a引入，同时通过气体引入口12b引入作为反应气体的氧气。另外，环绕旋转轴9旋转闸门8，将开口8a调节到靶5上方的位置。将电能加到飞溅阴极6上，从而飞溅阴极6上的Ti靶5进行飞溅。这样就在基片4上形成一氧化膜，TiO2。此时，环绕旋转轴2旋转基片保持器3和基片4。然后在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2，同时用薄膜厚度监测器10测量基片4上薄膜的厚度。当已经形成的薄膜已经达到一预定厚度时，再次旋转闸门8，将开口8a调节到除靶5上方以外的位置。然后完成膜成形。
在该常规装置中，闸门8用作切换膜成形的开始和结束的装置，或者用于防止靶物质在预飞溅步骤中飞到基片4上。闸门8还具有通过其开口8a的形状校正薄膜厚度分布的功能。日本专利公开No.H4-173972在其图5中公开了一种飞溅设备，包括具有一开口的闸门(膜厚度校正板)，该开口的形状能够以上述方式校正膜的厚度，其中该闸门(膜厚度校正板)具有该开口8a。
但对于具有形状固定的开口的闸门(膜厚度校正板)，难以注意在飞溅步骤中各种飞溅条件(真空度，引入气体量，从空腔释放的气体量，飞溅电压，飞溅电流等等)的变化。特别是，在光学薄膜领域公知的是，薄膜，如氧化物或氮化物，会用反应飞溅设备形成，这种情况下的膜成形速度和膜质量取决于靶的表面状态。靶的表面状态与反应气体的局部压力有关。一般地，膜成形速度和反应气体的局部压力具有用磁滞曲线表示的相关性。另外，磁滞曲线在输入电能时显著改变，导致不稳定状态。因此上述飞溅条件可能改变。
因此日本专利公开No.s61-183464在其图2中公开了一种装置，其中大量可移动的膜厚度校正板构成了膜厚度校正元件，以调节开口的形状，从而注意膜厚度分布上的变化。但当膜厚度校正板的驱动工作进行时，该装置可能在保持真空度上失效。因此从处理的观点来看，该装置不可能是高效的。
另外，日本专利公开Nos.H4-173972和S61-183464中公开的上述常规现有技术在其径向校正形成于可旋转基片上的薄膜厚度。在旋转开始和结束时它们不能确保在圆周方向上校正膜厚度分布。
为实现上述目的，本发明的第一实施例提供一种薄膜成形设备，包括相互面对定位的一基片和一膜成形源，该设备还包括一膜成形速度控制元件，该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开口，及一膜厚度校正元件，该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开口，上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件设置成插入上述基片与上述膜成形源之间并从中取出。
在这种情况下，该设备中，当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与上述膜成形源之间时，这些部件以上述基片、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这样的顺序设置。
膜成形速度控制元件具有两个或多个开口，这些开口面积各不相同并能够以开口面积的比例的顺序选择每个开口。然后选择每个开口而高效地控制膜成形速度。
此外，膜成形速度控制元件是两个或多个分别具有一个开口的膜成形速度控制板，膜成形速度控制板中的开口在面积上各不相同，并可以选择每个膜成形速度控制板。同样在这种情况下，可选择每个膜成形速度控制板来高效地控制膜成形速度。
另一方面，膜厚度校正元件具有两个或多个开口，这些开口分别具有不同的形状，并能够根据基片上薄膜厚度的分布来选择每个开口。然后选择每个开口来高效地校正膜厚度。
此外，膜厚度校正元件中的开口具有两个或多个可选择的可移动闸门，可根据基片上薄膜厚度的分布有选择地移动上述闸门而增大或减小上述开口的面积。然后选择每个可移动闸门来增大或减小开口的面积，从而高效地校正膜厚度。
在这些情况下，特别用一外部电信号来移动闸门。然后可从空腔外部控制闸门的运动，从搬运的角度消除了如空腔内部真空状态破坏这样的缺点。
一种用上述第一薄膜成形设备形成薄膜的方法，上述方法包括第一步骤，首先形成占厚度预定百分比的上述薄膜，第二步骤，然后测量在第一步骤中形成的薄膜的厚度分布，第三步骤，进一步将上述膜成形速度控制板插入上述基片与上述膜成形源之间，使膜成形速度小于上述第一步骤，对应于上述第二步骤中测量的膜厚度的分布，将上述膜厚度校正板插入基片与膜成形源之间，以校正薄膜的厚度。顺序完成这些步骤。然后，当在第一步骤中已经形成占所需厚度多数百分比(95％或更多)的薄膜后，而薄膜的厚度分布可在第二步骤中监测，在第三步骤中可用膜厚度校正板来校正膜厚度。
在这种情况下，再次完成该第二步骤，测量上述第三步骤中形成的薄膜厚度的分布，作为同一循环顺序重复完成当前第三步骤和当前第二步骤，当前第三步骤同时完成一将具有一能够控制膜成形速度的开口的膜成形速度控制板插入上述基片与上述膜成形源之间的操作，从而使膜成形速度小于前面第三步骤中的膜成形速度，对应于上述前面第三步骤之后再次完成的上述前面第二步骤中测量的膜厚度的分布，完成将具有一能够校正薄膜厚度的开口的膜厚度校正元件插入上述基片与上述膜成形源之间的操作，从而校正薄膜的厚度，当前第二步骤，测量在第三步骤中形成的薄膜厚度的分布。作为同一循环顺序重复完成当前第三步骤和当前第二步骤。然后最终获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过第二步骤中的测量来确认。
另外，在同一循环中，上述第二步骤与上述第一步骤和上述第三步骤同时完成。膜厚度监测器的测量结果更快地反馈。这能够更高效地校正膜厚度的分布。
根据本发明薄膜成形设备的第二实施例，在上述设备中特别将一可旋转基片作为基片，设有膜厚度测量装置，用于沿该可旋转基片的半径在多个测量点测量上述薄膜的厚度，上述膜成形速度控制元件设有一开口，该开口用于沿上述可旋转基片的半径形成一倾斜的膜成形速度梯度，及一开关闸门，用于增大或减小该开口的开口程度，并用一可移动闸门作为上述膜厚度校正元件，以关闭上述基片上的薄膜成形。
对应于由膜厚度测量装置测量的值，该设备可移动设有膜成形速度控制元件的开关闸门，以增大或减小膜成形速度控制元件中开口的开口程度。这能够控制在基片上形成薄膜的速度。对应于由薄膜厚度测量装置测量的值，该设备还能够移动闸门，即膜厚度校正元件，从而在基片上的某一区域关闭膜成形。因此有了膜成形速度控制元件及其开关闸门，最终可校正沿旋转基片的半径精确倾斜的膜厚度在径向上的分布，使其变平，有了顺序分布的所需膜厚度，用可移动闸门相应地关闭在已经获得所需膜厚度的膜成形区域中的膜成形。此时，移动开关闸门以减小膜成形速度控制元件中开口的开口程度，从而减小薄膜成形速度。这使基片上薄膜的厚度分布同样得到校正，从而变平。
另外，此时，通过在可旋转基片的半径上的多个点测量薄膜厚度，不仅能够更敏感地测量薄膜厚度的径向和圆周分布，而且还能精确地观察在可旋转基片的径向倾斜的膜厚度的分布。
一种用根据上述第二实施例的薄膜成形设备形成薄膜的方法，包括第一步骤，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仅将上述膜成形速度控制元件插入上述基片与上述成形源之间，形成占厚度预定百分比的上述薄膜，同时上述膜成形速度控制元件的开关闸门保持打开，第二步骤，然后对应于在上述第一步骤中由上述膜厚度测量装置测量的值，移动上述膜成形速度控制元件的开关闸门，同时要上述第一步骤中只有上述膜成形速度控制元件保持插在上述基片与上述膜成形源之间，及第三步骤，随后对应于在上述第二步骤中由上述膜厚度测量装置测量的值，移动位于上述基片与上述膜成形源之间的上述闸门，同时在第二步骤中减小的上述膜成形速度控制元件中开口的开口程度保持减小，从而在上述基片上已经获得所需膜厚度的膜成形区域中关闭膜成形。按照该顺序完成这些步骤。
用这种方法，在第一步骤中，形成占所需厚度多数百分比(约最大膜厚度部分的95％)薄膜。然后在第二步骤中，以相对较低的膜成形速度精确地实现所需厚度，同时校正膜厚度的圆周分布，从而变平。另外，在第三步骤中，膜厚度校正元件在基片上已经达到所需厚度的膜成形区域中关闭膜成形。因此可校正膜厚度的径向分布，从而最终变平，能够获得所需的均匀的膜厚度。
在根据第一和第二实施例的上述膜成形设备中，当膜成形源设成一飞溅阴极对，二者都可作为普通飞溅设备处理。
在这种情况下，可通过一靶材料与反应气体在使用上述飞溅阴极的反应飞溅过程中的反应形成一压电薄膜，飞溅气体包括稀有气体和反应气体。
这种反应气体可以是含气体的元素，如氧、氮、碳、硅等。但不仅可以使用这种单物质气体(O2，O3，N2等)或化合物气体(N2O，H2O，NH3等)，而且可以使用它们的混合物。
在这种情况下，薄膜成形设备还包括使用包括稀有气体的上述飞溅气体的金属膜成形装置，用于飞溅上述飞溅阴极的靶金属，从而在上述基片上形成一金属薄膜，以及氧化或氮化装置，用上述反应气体氧化或氮化形成于上述基片上的金属薄膜。该设备允许分割飞溅区域和反应区域，从而能够更高效地形成一压电薄膜。
附图简介图1是常规反应飞溅设备的示意性剖视图；图2是图1中闸门(膜成形速度控制板)的顶视图；图3是根据本发明第一实施例的反应飞溅设备的示意性剖视图；图4是图3中闸门(膜成形速度控制板)的顶视图；图5是图3中第一膜厚度校正板的顶视图；图6是图3中第二膜厚度校正板的顶视图；图7是本发明的例3中使用的第三膜厚度校正板的顶视图；图8是根据本发明第二实施例的反应飞溅设备的示意性剖视图；图9是图8中第一闸门和第二闸门(膜成形速度控制元件)的顶视图；图10是比较例7中使用的闸门板(膜成形速度控制元件)的顶视图。
优选实施例的详细描述图3示意性示出根据本发明第一实施例的反应飞溅设备。该设备与图1中反应飞溅设备的不同之处在于，靠近基片保持器3设有由两个厚度校正板，即第一和第二膜厚度校正板13、14构成的膜厚度校正元件。该第一和第二膜厚度校正板13和14都由一旋转轴15支承并可环绕该轴独立旋转。另外，图4是图3中闸门8的顶视图。用于图3中膜成形装置中的闸门8具有设置于其中的开口8a、8b和8c，且在面积上有所区别。闸门8环绕旋转轴9旋转，以开口面积比例的顺序选择每个开口8a、8b和8c。另外，图5是第一膜厚度校正板13的顶视图。图6是第二膜厚度校正板14的顶视图。图5中的第一膜厚度校正板13具有设置于其中的开口13a。图6中的第一膜厚度校正板14具有设置于其中的开口14a。开口13a和14a的形状不同。
为了用图3中的膜成形装置在玻璃基片4上形成膜，首先完成与图1中情况相似的一预处理步骤。然后穿过口12a引入作为飞溅气体的氩气，穿过口12b引入作为反应气体的氧气。另外，环绕旋转轴9旋转闸门8，从而将开口8a定位在靶5上方。然后将电能加到飞溅阴极6以及飞溅阴极6上的Ti靶5上。这样就在基片4上形成了包含TiO2的氧化膜。此时，基片保持器3和基片4正在环绕旋转轴2旋转。然后在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2。当薄膜已经形成约所需厚度的95％时，再次旋转闸门8，使开口8a、8b和8c中没有一个位于靶5上方。然后完成膜成形。
该实施例中，包含TiO2的氧化膜成形为压电薄膜。但可通过穿过该气体引入口12b引入作为反应气体的氮气而形成一氮膜。
然后用膜厚度监测器10测量形成于基片4上的薄膜的厚度。膜厚度监测器10在基片4上在三个点上测量薄膜的厚度。在每个预定时间获得这三点数据能够监测薄膜在基片保持器3的旋转圆的半径方向上的分布。
另外，从第一和第二膜厚度校正板13和14中选择其中一个，适于校正由测量结果显示的膜厚度分布，并通过环绕旋转轴15旋转而插在基片4与靶5之间。同时，旋转该闸门8，将开口8b定位在靶5上。然后重新开始薄膜的成形，以获得除所需厚度的剩余部分(约5％或更少)。
在这种情况下，闸门8中的开口8a改变为开口8b，从而相比于前述薄膜成形步骤减小其开口面积及膜成形速度。至于实现薄膜厚度所需的严格精确的均匀性，形成膜厚度的圆周分布较大地依赖于当闸门打开而开始或者关闭而结束膜成形时是否正在形成膜，而这种依赖性可以通过减小上述的膜成形速度而降低。在这个意义上，具有开口8a、8b和8c的闸门8通过选择面积各不相同的每个开口8a、8b和8c来改变其开口面积而具有膜成形速度控制器的功能。另外，这种膜成形速度的减小并不影响飞溅条件本身，因为靶5表面的状态、反应气体的局部压力等不像通过降低施加到飞溅阴极6上的电能而减小膜成形速度那样波动。
该实施例中，使用具有多个开口的单个闸门。但也可使用分别具有一个开口而闸门中的每个开口的面积各不相同的两个或多个闸门，从而可使用任何闸门，通过适当选择每个闸门来控制膜成形速度。
然后在一预定时间内在基片4上连续形成TiO2。当多数薄膜(约95％，剩余5％)已经形成时，闸门8再次转动，使得开口8a、8b和8c中没有一个位于靶5上方。膜成形结束。
另外，膜厚度监测器10测量形成于基片4上的薄膜的厚度。然后从第一和第二膜厚度校正板13和14中选择一个适于校正由测量结果显示的膜厚度分布。通过环绕旋转轴15转动所选择的膜厚度校正板而将其插入基片4与靶5之间。同时转动闸门8将开口8c定位在靶5上方。然后重新开始薄膜的成形，使剩余部分获得所需厚度。
重复这种过程，当由薄膜监测器10测量的值显示膜厚度到达所需值时全部膜成形过程结束。
该实施例中，膜厚度校正元件设计成具有固定开口形状的第一和第二膜厚度校正板13和14。但也可使用具有两个或多个开口而每个开口形状各不相同的单个膜厚度校正板来代替。另外，如图7所示，可使用如图7所示能够改变开口的开口形状16a的第三膜厚度校正板16。(第三膜厚度校正板16的细节见下面描述的例3)。当第一到第三厚度校正板13、14和16建造成可通过外部电信号而移动时，则可从空腔外部控制这些膜厚度校正板。从处理的角度看，这消除了空腔内真空状态被破坏这样的缺点。
图8示意性示出根据本发明第二实施例的反应飞溅设备。该设备与图1中的反应飞溅设备的不同之处在于，设置了由第一闸门21a和第二闸门22a和22b构成的膜成形速度控制元件，而不是图1中的闸门8，在于靠近基片保持器3附加地设有一板形可移动闸门23作为膜厚度校正元件，在于附加地设有一等离子源24来促进氧化反应。
这些元件中，第一闸门21a和第二闸门22a和22b在图9中以顶视图表示。参照图9，第一闸门21a具有一开口角度为θ的开口21b，一开口21c以及第二闸门22a和22b。当一驱动工件(未图示)转动一与旋转轴9同轴的驱动齿轮22c时，第二闸门22a和22b可增加或减小闸门21a中开口21b的开口程度。
另外，闸门23可在平行于基片4的方向移动。当该可移动闸门23由一驱动工件(未图示)插入飞溅设备1中时，它位于基片4与飞溅阴极6之间，以关闭通过飞溅在基片4上形成膜。
为了用图8中的膜成形设备1在玻璃基片4上形成膜，首先完成一与图1中情况相似的预处理和预飞溅步骤。然后穿过气体引入口12a将氩气作为飞溅气体引入，同时穿过气体引入口12b引入作为反应气体的氧气。另外，将闸门23移动到基片4之外的一个位置，距其旋转圆足够远。然后环绕旋转轴9转动第一闸门21a，同时保持第二闸门22a和22b足够的开口程度，从而将第一闸门21a中的开口21b定位在靶5上方。然后向飞溅阴极6施加电能，开始对飞溅阴极6上的Ti靶5进行飞溅。这样在基片4上形成包含TiO2的氧化膜。此时，基片保持器3以及基片4正在环绕旋转轴2转动。
该实施例中，包含TiO2的氧化膜形成压电薄膜。但可通过穿过气体引入口12b引入作为反应气体的氮气而形成一氮膜。
当包含TiO2的氧化膜形成后，由于第一闸门21a的开口21b的形状使得旋转圆沿可旋转基片4的半径越向外扩张，膜成形速度变得越高，形成于基片4上的薄膜的膜厚度分布显示一倾斜度，即旋转圆沿可旋转基片4的半径越向外扩张，膜厚度变得越大。
然后在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2。随后，当膜厚度监测器10检测到膜的最厚区域的厚度已经达到所需厚度的95％时，第一闸门21a的驱动齿轮22c减小第二闸门22a和22b的开口程度。这减小了第一闸门21a中的开口21b。此时，减小闸门22a和22b的开口程度以及第一闸门21a中的开口21b，通过减小每个开口面积而使膜成形速度小于初始状态。至于实现薄膜厚度所需的严格精确的均匀性，膜厚度圆周分布的平面度较大地依赖于当闸门打开而开始或者关闭而结束膜成形时是否正在形成膜，而这种依赖性可以通过以上述膜成形的方式减小的膜成形速度而降低。结果可在圆周方向上获得膜厚度的平面分布。在这个意义上，具有第二闸门22a和22b的第一闸门21a，即开关闸门通过改变开口21b的面积而具有膜成形速度控制元件的功能。另外，这种膜成形速度的减小并不影响飞溅条件本身，因为靶5表面的状态、反应气体的局部压力等不像通过降低施加到飞溅阴极6上的电能而减小膜成形速度那样波动。
另一方面，膜厚度监测器10使用第一监测器10a1-10b1、第二监测器10a2-10b2及第三监测器10a3-10b3分别在三个测量点101、102和103测量基片4上的薄膜厚度。在每个预定时间获得这三点数据能够在基片保持器3的旋转圆的径向监测薄膜厚度的分布。图8中，参考数字101’、102’和103’表示位于基片4的膜成形区域中，对应于分别属于膜厚度监测器10的位置101、102和103的每个同心圆上的点。
然后在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2，同时使第二闸门22a和22b的开口程度保持较小。当膜厚度监测器10由第一监测器10a1-10b1检测到膜厚度达到所需值时，移动闸门23，使闸门23的一端部23a充分覆盖同心圆的位置101’和102’之间的预定区域，位置101’和102’对应于测量位置101和102。这样关闭并因而结束在靠近测量位置101的区域的膜成形。
然后在上述状态下在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2。当膜厚度监测器10由第二监测器10a2-10b2检测到膜厚度达到所需值时，移动闸门23，使闸门23的一端部23a充分覆盖同心圆的位置102’和103’之间的预定区域，位置102’和103’对应于测量位置102和103。这样关闭并因而结束在靠近测量位置102的区域的膜成形。
然后在上述状态下在一预定时间内连续在基片4上形成TiO2。当膜厚度监测器10由第二监测器10a3-10b3检测到膜厚度达到所需值时，移动闸门23，使闸门23的端部23a到达基片4的一中央位置4a，使半个基片4完全由可移动闸门23覆盖。这样关闭基片4上的膜成形，同时结束全部膜成形过程。
该实施例中，通过将第一闸门21a的开口21b成形为使旋转圆沿可旋转基片4的半径越向外扩张，膜成形速度变得越高，薄膜的膜厚度分布显示一倾斜度，即旋转圆沿可旋转基片4的半径越向外扩张，膜厚度变得越大。使在径向倾斜的膜厚度的分布变平，从而通过将闸门23从旋转圆外部移到内部而从外部到内部顺序关闭膜成形，顺序获得具有均匀的所需膜厚度的薄膜。
但本发明并不局限于这个实施例。例如，相反地，可以通过提前形成一个倾斜的膜厚度分布，使旋转圆沿可旋转基片4的径向越向内扩张，膜厚度变得越大，然后从旋转圆的内部向外部顺序关闭膜成形。
另外，可用膜厚度监测器10的更大数量的监测位置更精确地控制膜厚度的分布。另外，可通过连续移动闸门23而比一步一步移动能更精确地控制膜厚度的分布。
例例1图3中的飞溅设备用于将一直径为200毫米的光学打磨炸面包圈形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后将空腔1内部抽到1×10-5帕或更小的压力。然后穿过气体引入口11将20立方厘米氩气引入，同时穿过气体引入口12b引入5立方厘米的氧气。这样将空腔1内部保持在0.5帕的压力下。保持第一和第二膜厚度校正板13和14不位于基片上方。在确认了闸门8的开口8a、8b和8c中没有一个位于飞溅阴极6上方之后，基片保持器3以1500转每分的转速环绕旋转轴2转动。然后将用于防止异常放电的2kW脉冲直流电施加到飞溅阴极6上，开始放电。靶的材料是Ti。闸门8的开口8a位于飞溅阴极6上方，开始膜成形。此时以200埃/分钟的速度形成TiO2。当已经调节的膜厚度监测器10显示膜厚度为1990埃(在测量点获得的最大值)时，关闭闸门8。
然后，对应于由膜厚度监测器完成的测量结果，具有开口形状13a的第一膜厚度校正板13移动到飞溅阴极6与基片4的表面之间。然后将闸门8中的开口8b移动到飞溅阴极6的上方。此时以20埃/分钟的速度形成膜。当膜厚度监测器10显示膜厚度总计为2000埃(在测量点获得的最大值)时，关闭闸门8。
在已经形成薄膜后，取出基片4。用椭球偏光计测量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。结果平均膜厚度为2000.3埃，膜厚度的分布相对于平均膜厚度有±0.08％的离散。另外，将相同的实验重复5次，以测量可再现性。结果平均膜厚度和离散表示为2000.0埃±0.08％，2000.5埃±0.05％，1998.8埃±0.08％，2000.1埃±0.06％和1999.6埃±0.07％。
例2图3中的飞溅设备用于在与例1相同条件下开始膜成形。以200埃/分钟的速度形成TiO2。然后当膜厚度监测器10显示膜厚度为1990埃时，首先关闭闸门8。膜厚度监测是在一点测量后完成的，并在基片4上多个点测量膜厚度，同时在基片4的径向移动。
然后用具有开口13a的第一膜厚度校正板13和闸门8中的开口8b以20埃/分钟的速度完成膜成形。当膜厚度监测器10显示厚度总计为1996埃时，再次关闭闸门8。
接下来，当膜厚度监测器10显示在5埃/分钟的膜成形速度下厚度总计为2000埃时，用具有开口14a的第二膜厚度校正板14和闸门8中的开口8c再次关闭闸门8。
在已经形成薄膜后，取出基片4。用椭球偏光计测量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。结果平均膜厚度为2000.0埃，膜厚度的分布相对子平均膜厚度有±0.02％的离散。
例3图7中以顶视图所示的第三膜厚度校正板16用于代替图3中所示的飞溅设备的第一和第二膜厚度校正板13和14。第三膜厚度校正板16具有这样一种结构，即闸门花键181至1814分别与微缸171至1714联接，每个微缸171至1714可用延伸穿过旋转轴19的一信号缆20拉伸，开口16a的形状可通过移动花键181至1814而任意变化。
在基本上与例2中相同的条件下通过适当改变第三膜厚度校正板16中开口16a的形状而形成一膜，与例2的不同之处在于，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。结果，平均膜厚度是2000埃，膜厚度相对于天差地平均膜厚度具有±0.03％的离散。比较例1图1中的飞溅设备用于将一直径为200毫米的光学打磨炸面包圈形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后将空腔1内部抽到1×10-5帕或更小的压力。然后穿过气体引入口11将20立方厘米氩气引入，同时穿过气体引入口12b引入5立方厘米的氧气。这样将空腔1内部保持在0.5帕的压力下。在确认了闸门8的开口8a不位于飞溅阴极6上方之后，基片保持器3以1500转每分的转速环绕旋转轴2转动。然后将用于防止异常放电的2kW脉冲直流电施加到飞溅阴极6上，开始放电。靶的材料是Ti。闸门8的开口8a位于飞溅阴极6上方，开始膜成形。此时以200埃/分钟的速度形成TiO2。当已经调节的膜厚度监测器10显示膜厚度为2000埃时，关闭闸门8。
在已经形成薄膜后，取出基片4。用椭球偏光计测量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。结果平均膜厚度为2004.6埃，膜厚度的分布相对于平均膜厚度有±3.2％的离散。
比较例2至6将与比较例1中完全相同的实验重复5次。结果平均膜厚度和离散表示为1998.7埃±0.6％，1997.7埃±4.5％，2001.0埃±2.1％，1998.0埃±1.4％和2003.3埃±1.8％。
例4图8中的飞溅设备用于将一直径为200毫米的光学打磨炸面包图形玻璃基片放置在基片保持器3上。然后将空腔1内部抽到1×10-5帕或更小的压力。然后穿过气体引入口11将20立方厘米氩气引入，同时穿过气体引入口12b引入5立方厘米的氧气。这样将空腔1内部保持在0.5帕的压力下。保持闸门23不位于基片4上方。在确认了第一闸门21a的开口21b和21c不位于飞溅阴极6上方之后，基片保持器3以1500转每分的转速环绕旋转轴2转动。然后将用于防止异常放电的2kW脉冲直流电施加到飞溅阴极6上，开始放电。靶的材料是Ti。
然后将第一闸门21a中的开口21a定位在飞溅阴极6上方，开始放电。此外，为了促进Ti的氧化反应，将600W电能引入等离子源24以发射等离子。此时以150埃/分钟的速度形成TiO2。当已经调节的光学膜厚度监测器10检测到最外部测量点101处的膜厚度达到1990埃时，一驱动工件(未图示)移动驱动齿轮22c而减小第二闸门22a和22b的开口程度，这控制了膜成形速度。当该开口的角度达到第一闸门21a中开口21b的开口角度θ有大约十分之一时，暂停减小第二闸门22a和22b的开口程度的操作。
恰恰在暂停之前，基片4上的薄膜厚度有这样一个趋势，即旋转圆沿可旋转基片4的半径越向外扩张，膜厚度变得越大。此时第一监测器10a1-10b1、第二监测器10a2-10b2和第三监测器10a3-10b3分别显示1990埃、1980埃和1965埃的膜厚度值。当移动第二闸门22a和22b而减小第一闸门21a中的开口面积时，膜成形速度为15埃/分钟。
在上述状态下连续形成薄膜。当第一监测器10a1-10b1显示膜厚度为2000埃时，移动闸门23，使其端部23a充分覆盖基片4上的膜成形位置101’，位置101’对应于测量位置101。这样关闭在可旋转基片4与膜成形位置101’附近范围之间区域中的膜成形。结果在该区域中，膜厚度变成2000埃，膜成形结束。此时，第二监测器10a2-10b2和第二监测器10a3-10b3分别显示膜厚度值为1988埃和1971埃。
在上述状态下连续形成薄膜。当第二监测器10a2-10b2显示膜厚度为2000埃时，移动闸门23，使其端部23a充分覆盖基片4上的膜成形位置102’，位置102’对应于第二监测器10a2-10b2的测量位置102。这样关闭在可旋转基片4与膜成形位置102’附近范围之间区域中的膜成形。结果在该区域中，膜厚度变成2000埃，膜成形结束。此时，第三监测器10a3-10b3显示膜厚度值为1980埃。
在上述状态下连续形成薄膜。当第三监测器10a3-10b3显示膜厚度为2000埃时，移动闸门23，使其端部23a到达基片4的一中央位置4a，使半个基片4完全由可移动闸门23覆盖。然后关闭基片4上的膜成形，结果在基片4上连续获得2000埃的均匀膜厚度，膜成形相应结束。
在已经形成薄膜后，取出基片4。用椭球偏光计测量基片4上薄膜的厚度以及膜厚度的分布。结果平均膜厚度为2000.0埃，膜厚度的分布相对于平均膜厚度有±0.01％的离散。离散值优良。
比较例7一闸门板25a用于代替第一闸门21a和第二闸门22a和22b，控制膜成形速度。参照图10，闸门板25a具有一通常用于常规设备中的开口25b和一具有与图9中开口21c相同形状的开口25c。开口25c允许等离子在与例4中相同的条件下到达基片4附近范围。在与例4中基本相同的条件下用图8中所示的飞溅设备1形成一薄膜，与例4的不同之处在于使用了闸门板25a。完成对所获取基片4的测量。结果所获取膜厚度的分布是这样，在与基片4的中心位置4a相距40毫米的圆周方向上的膜成形位置，平均膜厚度和离散表示为2007.2埃±1.3％。另外，所获取的膜厚度分布是这样的，在与基片4的中心位置4a相距80毫米的圆周方向上的膜成形位置，平均膜厚度和离散表示为2006.9埃±1.0％。整个基片的分布是平均膜厚度和离散表示为2007.1埃±1.8％。
如从上述描述中清楚的，用常规膜成形方法和根据本发明第一实施例的膜成形设备形成占所需厚度多数百分比的薄膜。然后，对应于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的测量结果，选择最合适的膜厚度校正板来调节闸门中的开口面积，以该降低膜成形速度，然后在该降低了的膜成形速度下形成膜厚度的剩余部分。因此能够形成一薄膜，其膜厚度分布在旋转基片的径向和圆周方向都非常精确地均匀。
另外，可通过在对应于上述测量结果的低膜成形速度下重复膜厚度的校正而高效地形成膜厚度分布更加精确均匀的薄膜。
另外，用常规膜成形方法和根据本发明第二实施例的膜成形设备形成占所需厚度多数百分比的薄膜。然后，对应于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的测量结果，可移动打开和关闭闸门来调节膜成形速度控制元件中开口的开口程度，从而降低膜成形速度，然后在该降低了的速度下形成膜厚度的剩余部分。另外，对应于形成于基片上的薄膜厚度以及膜厚度分布的测量结果，可移动闸门来关闭在已经获得所需膜厚度的基片的膜成形区域中的膜成形。也就是说，只要在基片的某个区域获得了所需的膜厚度，该区域中的膜成形马上结束。因此一旦在基片的全部膜成形区域中完成膜成形后，可形成一薄膜，使膜厚度分布显示在旋转基片的径向和圆周方向都精确地均匀。
权利要求
1.一种薄膜成形设备，包括相互面对定位的一基片和一膜成形源，该设备还包括一膜成形速度控制元件，该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开口，及一膜厚度校正元件，该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开口，上述膜成形速度控制元件和上述膜厚度校正元件设置成插入上述基片与上述膜成形源之间并从中取出。
2.根据权利要求1所述的薄膜成形设备，其中，当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与上述膜成形源之间时，这些部件以上述基片、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这样的顺序设置。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜成形设备，其中上述膜成形速度控制元件具有两个或多个开口，这些开口面积各不相同并能够以开口面积的比例的顺序选择每个开口。
4.根据权利要求1或2所述的薄膜成形设备，其中上述膜成形速度控制元件是两个或多个分别具有一个开口的膜成形速度控制板，膜成形速度控制板中的开口在面积上各不相同，并可以选择每个膜成形速度控制板。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的薄膜成形设备，其中上述膜厚度校正元件具有两个或多个开口，这些开口分别具有不同的形状，并能够根据基片上薄膜厚度的分布来选择每个开口。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的薄膜成形设备，其中上述膜厚度校正元件中的开口具有两个或多个可选择的可移动闸门，可根据基片上薄膜厚度的分布有选择地移动上述闸门而增大或减小上述开口的面积。
7.一种用根据权利要求1至6中任一项所述的薄膜成形设备形成薄膜的方法，上述方法包括第一步骤，首先形成占厚度预定百分比的上述薄膜，第二步骤，然后测量在第一步骤中形成的薄膜的厚度分布，第三步骤，进一步将上述膜成形速度控制板插入上述基片与上述膜成形源之间，使膜成形速度小于上述第一步骤，对应于上述第二步骤中测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.根据权利要求7所述的形成薄膜的方法，其中再次完成该第二步骤，测量上述第三步骤中形成的薄膜厚度的分布，作为同一循环顺序重复完成当前第三步骤和当前第二步骤，直到上述薄膜由于当前第二步骤的测量而具有所需的厚度，当前第三步骤，将具有一能够控制膜成形速度的开口的膜成形速度控制板插入上述基片与上述膜成形源之间，从而使膜成形速度小于前面第三步骤中的膜成形速度，对应于上述前面第三步骤之后再次完成的上述前面第二步骤中测量的膜厚度的分布，将具有一能够校正薄膜厚度的开口的膜厚度校正元件插入上述基片与上述膜成形源之间，当前第二步骤，测量在第三步骤中形成的薄膜厚度的分布。
9.根据权利要求7或8所述的形成薄膜的方法，其中在同一循环中，上述第二步骤与上述第一步骤和上述第三步骤同时完成，
10.根据权利要求1或2所述的薄膜成形设备，其中上述基片包括一可旋转基片，设有膜厚度测量装置，用于沿该可旋转基片的半径在多个测量点测量上述薄膜的厚度，上述膜成形速度控制元件设有一开口，该开口用于沿上述可旋转基片的半径形成一倾斜的膜成形速度梯度，及一开关闸门，用于增大或减小该开口的开口程度，并用一可移动闸门作为上述膜厚度校正元件，以关闭上述基片上的薄膜成形。
11.根据权利要求10所述的用该薄膜成形设备形成薄膜的方法，上述方法包括第一步骤，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仅将上述膜成形速度控制元件插入上述基片与上述成形源之间，形成占厚度预定百分比的上述薄膜，同时上述膜成形速度控制元件的开关闸门保持打开，第二步骤，然后对应于在上述第一步骤中由上述膜厚度测量装置测量的值，移动上述膜成形速度控制元件的开关闸门，同时由上述第一步骤中只有上述膜成形速度控制元件保持插在上述基片与上述膜成形源之间，及第三步骤，随后对应于在上述第二步骤中由上述膜厚度测量装置测量的值，移动位于上述基片与上述膜成形源之间的上述闸门，同时在第二步骤中减小的上述膜成形速度控制元件中开口的开口程度保持减小，从而在上述基片上已经获得所需膜厚度的膜成形区域中关闭膜成形。
12.根据权利要求1至6和10中任一项所述的薄膜成形设备，其中上述膜成形源设置为一飞溅阴极。
13.根据权利要求12所述的薄膜成形设备，其中通过一靶材料与反应气体在使用上述飞溅阴极的反应飞溅过程中的反应形成一压电薄膜，飞溅气体包括稀有气体和反应气体。
14.根据权利要求13所述的薄膜成形设备，包括使用包括稀有气体的上述飞溅气体的金属膜成形装置，用于飞溅上述飞溅阴极的靶金属，从而在上述基片上形成一金属薄膜，以及氧化或氮化装置，用上述反应气体氧化或氮化形成于上述基片上的金属薄膜，从而形成一压电薄膜。
全文摘要
本发明提供一种高效的膜成形设备，能够校正膜厚度，从而注意膜厚度分布上的变化，并注意膜厚度在圆周上的分布，以及一种使用该膜成形设备形成薄膜的方法。该方法包括第一步骤，首先穿过闸门8中的开口8a形成占厚度预定百分比的薄膜，第二步骤，然后用一膜厚度监测器10测量在第一步骤中形成的薄膜厚度的分布，第三步骤，通过基片4与飞溅阴极6之间的闸门8中的开口8a，相比于第一步骤减小膜成形速度，对应于上述第二步骤中测量的膜厚度的分布，通过基片4与飞溅阴极6之间的第一膜厚度校正板13中的开口13a来校正薄膜的厚度。然后再次完成第二步骤，在此期间用膜厚度监测器10测量在第三步骤中形成的薄膜的厚度分布。另外，重复完成第三和第二步骤。
文档编号C23C14/54GK1417374SQ02147990
公开日2003年5月14日 申请日期2002年11月1日 优先权日2001年11月2日
发明者谷典明, 铃木寿弘, 池田智, 川村裕明, 石桥晓, 半泽幸一, 松元孝文 申请人:爱发科股份有限公司