专利名称：一种改善磁控溅射薄膜均匀性的方法
技术领域：
本发明属于薄膜制备领域，具体是一种改善磁控溅射薄膜均勻性的方法。
背景技术：
磁控溅射制备薄膜的技术由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一。电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。磁控溅射制备的薄膜的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好等优点。为了制备大面积均勻且能批量生产的薄膜工艺，大量研究人员研究了影响磁控溅射制备的薄膜均勻性的因素，主要包括三个方面磁场、靶材和气体不均勻性的影响以及靶基距、气压的影响。使用平面磁控溅射靶的方法具有提高镀膜的均勻性和提高靶材利用率的优点，特别对于贵重金属(金银等)靶材优点更为突出。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，得到了实现膜厚最佳均勻性的挡板参数，一定程度上减少了基片上靠近圆心处的沉积速率，也实现均勻性的优化和改进。为了制备出大面积均勻薄膜，根据实际磁控建设的情形从理论上得出了薄膜厚度分布公式，并认为基片距离靶材越远，薄膜的均勻性越好。同时也认为入射的靶材粒子的能量一薄膜的沉积速率、均勻性之间无直接联系。文献报道对磁控溅射装置中的进气系统做了改进，在进气盘上设置了多个空洞， 保证了进气盘中央和四周的气体压强能大致相同，保证了气体的均勻性，使气体能均勻的进去设备被电离、溅射效果好，成膜均勻、平整。也有通过控制制备过程中靶材与基片的运行轨迹来制备均勻度高的薄膜。但是，现有的平面磁控溅射制备薄膜的装置和改进手段所制备出的薄膜面积小， 均勻性差，靶材利用率低。具体表现为由于现有磁控溅射设备中磁场的作用下所产生的等离子体密度分布不均勻，因此所溅射出来的靶材粒子也会分布不均勻，而且溅射到基底表面时粒子能量较大，溅射粒子的碰撞也容易在成膜过程中，形成中间部分较厚，边缘较薄的薄膜。特别是对于沉积较薄的薄膜时，尤为明显
发明内容
本发明为了解决磁控溅射制备薄膜特别是对于制备超薄薄膜时，薄膜的不均勻性的问题，提供了一种改善磁控溅射薄膜均勻性的方法，具体的说是通过在真空腔内基片和等离子体区域的之间，附加一个平行磁场区域，从而实现了溅射粒子的选择性沉积，同时也通过延长溅射粒子的运动轨迹，减小了沉积时薄膜的内应力，最终使得薄膜的均勻性得到改善。具体技术方案如下一种改善磁控溅射制备薄膜均勻性的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一在基片与靶材之间、距离基片下方5 12厘米处，平行放置两块边长为 3-5厘米的立方体磁铁，其中两块磁铁间距为10 15厘米；步骤二用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为65 150安/米；步骤三真空度控制在2X 10-41 ；步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气气体流量控制压强达到1.8 3 时， 开始预溅射，预溅射功率为90 100瓦，预溅射时间10 20分钟；步骤五预溅射完毕，调节气体压强达到0. 8 1 时，开始溅射沉积薄膜，溅射时间18 25分钟，溅射过程结束，得到所制备的薄膜，待温度降至室温时取出所制备的薄膜。
附图1 是本发明基片、磁铁、靶材相互位置示意图附图2 是本发明实施例1制得的3英寸、膜厚为85nm、表面粗糙度为3%的单质钛薄膜的扫描电镜照片。附图3 是本发明实施例2制得的4英寸、膜厚为140nm、表面粗糙度为6%的氧化锌薄膜的扫描电镜照片。1是基片；2、3是磁铁；4是靶材。
具体实施例方式实施例1 步骤一在基片与靶材之间，基片的下方5厘米处，平行放置两块边长为3厘米的立方体磁铁，其中两块磁铁间距为15厘米；步骤二用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为65安/米；步骤三真空度控制在2X 10-4Pa,以单质金属为溅射材料；步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气流量，当压强达到1.8Pa时，开始预溅射，预溅射功率为90瓦，预溅射时间10分钟；步骤五预溅射完毕，调节压强至0. 8Pa,开始溅射沉积薄膜，溅射时间为18分钟， 溅射过程结束；制备样品为3英寸、膜厚为85纳米、表面粗糙度为3%的单质金属颗粒薄膜。实施例2 步骤一在基片与靶材之间、距离基片下方12厘米处，平行放置两块边长为5厘米的立方体磁铁，其中两块磁铁间距离为10厘米；
步骤二用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为150安/米安/米；步骤三真空度控制在2X 10-4Pa,以金属氧化物为溅射材料；步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气流量，当压强达到31 时，开始预溅射， 预溅射功率为100瓦、预溅射时间20分钟； 步骤五预溅射完毕，调节压强至1 时，开始溅射沉积薄膜，溅射时间为25分钟， 溅射过程结束；制备样品为4英寸、膜厚为140nm、表面粗糙度为6%的金属氧化物薄膜。
权利要求
1.一种改善磁控溅射制备薄膜均勻性的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一基片与靶材位于同一轴线上，基片与靶材之间的距离为30厘米，两块边长为 3-5厘米的立方体磁铁位于基片与靶材之间，基片下方5 12厘米处，与轴线左右对称平行放置，其中两块磁铁间距为10 15厘米；步骤二 用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为 65 150安/米；步骤三真空度控制在2 X 10_4Pa，以单质金属或金属氧化物为溅射材料； 步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气气体流量控制压强达到1. 8 3 时，开始预溅射，预溅射功率为90 100瓦，预溅射时间10 20分钟；步骤五预溅射完毕，调节气体压强达到0. 8 1 时，开始溅射沉积薄膜，溅射时间 18 25分钟，溅射过程结束，得到所制备的薄膜，待温度降至室温时取出所制备的薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种改善磁控溅射薄膜均勻性的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一基片与靶材位于同一轴线上，基片与靶材之间的距离为30厘米，两块边长为3 厘米的立方体磁铁位于基片与靶材之间，基片下方5厘米处，与轴线左右对称平行放置，其中两块磁铁间距为15厘米；步骤二 用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为65 安/米；步骤三真空度控制在2X 10_4Pa，以单质金属为溅射材料；步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气流量，当压强达到1.8 时，开始预溅射，预溅射功率为90瓦，预溅射时间10分钟；步骤五预溅射完毕，调节压强至0. 8Pa,开始溅射沉积薄膜，溅射时间为18分钟，溅射过程结束；制备样品为3英寸、膜厚为85纳米、表面粗糙度为3%的单质金属颗粒薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种改善磁控溅射薄膜均勻性的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一基片与靶材位于同一轴线上，基片与靶材之间的距离为30厘米，两块边长为 5厘米的立方体磁铁位于基片与靶材之间，基片下方12厘米处，与轴线左右对称平行放置， 其中两块磁铁间距为10厘米；步骤二 用磁强计测量由两块磁铁产生的勻强磁场区域磁场大小，磁场大小范围为 150安/米安/米；步骤三真空度控制在2 X 10_4Pa，以金属氧化物为溅射材料； 步骤四通入起辉气体氩(Ar)气，调节氩气流量，当压强达到31 时，开始预溅射，预溅射功率为100瓦、预溅射时间20分钟；步骤五预溅射完毕，调节压强至1 时，开始溅射沉积薄膜，溅射时间为25分钟，溅射过程结束；制备样品为4英寸、膜厚为140nm、表面粗糙度为6%的金属氧化物薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种改善磁控溅射薄膜均匀性的方法，具体的说是通过在基片下方、等离子体区域的上方，外加一个水平匀强磁场区域，并且磁场的位置和大小可以调节。附加水平磁场后，延长了溅射靶材原子(分子)的运动轨迹，增加了与其他粒子的相互碰撞机会，大大提高了薄膜的均匀性。本发明工艺简单，成膜的均匀度高，且参数可控，重复性好、适宜于大规模生产。
文档编号C23C14/35GK102453880SQ201010527960
公开日2012年5月16日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者尹桂林, 毛启明 申请人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司