一种薄膜制备设备和薄膜制备方法与流程

本发明涉及薄膜制造技术领域，更具体地说，涉及一种薄膜制备设备和薄膜制备方法。

背景技术：

薄膜均匀性是薄膜制备设备如磁控溅射设备的一项重要指标，即要求靶材原子均匀的排布在基片表面，使得基片各个区域的薄膜厚度一致。但是，也有特殊领域需要制备非均匀薄膜，即要求靶材原子在基片表面按照设计好的膜层厚度不均匀分布，以实现不同的效果或性能。比如，通过不同的膜厚分布使得薄膜呈现出不同的色彩，通过不同的膜厚分布使得薄膜的电学性能排布不一致，通过不同的膜厚分布使得薄膜具有特殊的遮光效果。

虽然现有技术中可以通过在溅射靶位前方加遮挡板或遮挡条的方式以及在基片表面覆盖掩膜板的方式实现非均匀薄膜的制备，但是，当制备的非均匀薄膜的膜厚分布发生变化时，需更改遮挡板或遮挡条的排布，或者，制作新的掩膜板，导致薄膜制备设备在制备不同膜厚分布的薄膜时工作效率较低，灵活度较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种薄膜制备设备和薄膜制备方法，以便高效灵活的制备多种具有不同膜厚分布的薄膜。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜制备设备，包括至少一个镀膜室，所述镀膜室包括：

n个间隔排列的阴极靶，n个溅射电源，每个所述溅射电源与一个所述阴极靶对应设置；

与所述阴极靶相对设置的基座，所述基座用于承载待制备薄膜的基片，并带动所述基片沿所述阴极靶的排列方向移动，以通过n个所述阴极靶在所述基片表面形成n层薄膜；

分区装置，设置在所述阴极靶处或设置在所述基片处，用于将每个所述阴极靶的镀膜区等分成n个沉积区，其中，所述n个沉积区的排列方向与所述阴极靶的排列方向垂直，并且，不同的所述沉积区的薄膜沉积速率不同，以使每层薄膜都包括n个膜厚不同的区域；

控制装置，与所述n个溅射电源相连，用于根据所述待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个所述阴极靶的n个沉积区的薄膜沉积速率数据，计算出n个所述阴极靶在m个时间段的溅射功率，并根据计算结果控制对应的所述溅射电源具有相应的溅射功率，以使所述待制备薄膜的n行m列个单元中不同的单元具有不同的膜厚；

其中，n、m均为大于或等于1的整数。

可选地，所述控制装置还用于建立第一矩阵t、第二矩阵d和第三矩阵p，所述第一矩阵t包括所述待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据，所述第二矩阵d包括n个所述阴极靶的n个沉积区的薄膜沉积速率数据，所述第三矩阵包括n个所述阴极靶在m个时间段的溅射功率，并根据公式t＝d*p计算出第三矩阵p。

可选地，所述分区装置包括n个遮挡板，所述n个遮挡板设置在所述阴极靶处，且所述n个遮挡板将所述镀膜区等分成n个沉积区。

可选地，所述分区装置包括掩膜板，所述掩膜板具有n个镂空区域，所述n个镂空区域将所述镀膜区等分成n个沉积区。

可选地，所述薄膜制备设备还包括设置在所述至少一个镀膜室进口处的进片室和设置在所述至少一个镀膜室出口处的出片室，以通过所述进片室将所述基片传输至所述镀膜室，通过所述出片室将所述镀膜室内的基片传出。

可选地，所述薄膜制备设备还包括依次设置在所述进片室和所述至少一个镀膜室之间的第一缓冲室和第一过渡室，以及，依次设置在所述至少一个镀膜室和所述出片室之间的第二过渡室和第二缓冲室。

可选地，所述溅射电源包括中频电源、直流电源、直流脉冲电源或者射频电源的一种或几种的组合。

可选地，n个所述阴极靶沿直线间隔排列，所述基座的形状为条状，且所述条状的基座与所述n个阴极靶平行排列；

或者，n个所述阴极靶沿圆形线间隔排列，所述基座的形状为环形，且所述环形的基座与所述n个阴极靶平行排列。

一种薄膜制备方法，应用于如上任一项所述的薄膜制备设备，所述方法包括：

根据所述待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个所述阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个所述阴极靶在m个时间段的溅射功率；

根据计算结果控制对应的所述溅射电源具有相应的溅射功率，以使所述待制备薄膜的n行m列个单元中不同的单元具有不同的膜厚；

其中，n、m均为大于或等于1的整数。

可选地，根据所述待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个所述阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个所述阴极靶在m个时间段的溅射功率包括：

建立第一矩阵t、第二矩阵d和第三矩阵p，所述第一矩阵t包括所述待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据，所述第二矩阵d包括n个所述阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，所述第三矩阵包括n个所述阴极靶在m个时间段的溅射功率；

根据公式t＝d*p计算出第三矩阵p。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的薄膜制备设备和薄膜制备方法，镀膜室包括n个间隔排列的阴极靶、n个溅射电源、与阴极靶相对设置的基座、将每个阴极靶的镀膜区等分成n个沉积区的分区装置和控制装置，控制装置根据待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个阴极靶在m个时间段的溅射功率，并根据计算结果控制对应的溅射电源具有相应的溅射功率，从而可以使得待制备薄膜的n行m列个单元中不同的单元具有不同的膜厚。

并且，本发明中可以根据待制备薄膜的膜厚分布获得n、m的具体数值，根据n的具体数值控制溅射电源开启的个数以及沉积区的个数，根据m的具体数值控制溅射电源的时间段的个数，通过控制溅射电源开启的个数、沉积区的个数以及溅射电源的时间段的个数控制制备的薄膜的单元数即控制制备的薄膜的膜厚分布，进而可以根据实际情况灵活高效地制备n、m不同即膜厚分布不同的薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的薄膜制备设备的镀膜室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种分区装置的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种薄膜制备设备的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种薄膜制备设备的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种薄膜制备方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种薄膜制备设备，用于在基片等表面制备薄膜，本发明实施例中仅以薄膜制备设备为磁控溅射设备为例进行说明，但并不仅限于此。

本发明实施例中，薄膜制备设备包括至少一个镀膜室，也就是说，薄膜制备设备可以仅包括一个镀膜室，也可以包括多个相互连通的镀膜室，以便基片在多个镀膜室内依次进行镀膜。

如图1所示，本发明实施例中的镀膜室包括n个间隔排列的阴极靶10和n个溅射电源(图中未示出)，当然，本发明实施例中的镀膜室内还具有抽真空系统、充气系统、真空加热系统以及水分子捕集系统等，在此不再赘述。其中，溅射电源包括中频电源、直流电源、直流脉冲电源或者射频电源的一种或几种的组合，抽真空系统可以是机械泵加分子泵的系统，也可以是机械泵加扩散泵系统。

本发明实施例中，每个溅射电源与一个阴极靶10对应设置，用于向对应的阴极靶10提供电场，使得电子在电场的作用下，与镀膜室内的氩原子发生碰撞，使其电离产生出ar⁺和新的电子，使得ar⁺离子在电场作用下加速飞向阴极靶10的靶材，并以高能量轰击靶材表面，使阴极靶10发生溅射，溅射出的靶材原子在基片20表面形成薄膜。

本发明实施例中的镀膜室还包括与阴极靶10相对设置的基座11。可选地，该基座11与n个阴极靶10对应设置，该基座11用于承载待制备薄膜的基片20，并带动基片20沿阴极靶10的排列方向如箭头所指x方向移动，以通过n个阴极靶10在基片20表面形成n层薄膜，并通过n层薄膜形成本发明实施例所需的非均匀薄膜。

可选地，如图1所示，n个阴极靶10沿直线间隔排列，基座11的形状为条状，且条状的基座11与n个阴极靶10平行排列。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，n个阴极靶10还可以沿圆形线间隔排列，基座11的形状为环形，且环形的基座11与n个阴极靶10平行排列。也就是说，本发明实施例中传输基片的基座的传输方式包括但不仅限于立式传输、卧式传输、倾斜传输或环形运输。

本发明实施例中的镀膜室还包括分区装置12，该分区装置12设置在阴极靶10处或设置在基片20处，图1中仅以分区装置12设置在阴极靶10处为例进行说明。如图2所示，图2为图1所示分区装置12的俯视图，分区装置12包括n个遮挡板，这n个遮挡板120设置在阴极靶10处，用于将每个阴极靶10的镀膜区13等分成n个沉积区130，其中，n个沉积区130的排列方向y与阴极靶10的排列方向x垂直，并且，不同的沉积区130的薄膜沉积速率不同，以使每层薄膜都包括n个膜厚不同的区域，即使得每层薄膜都是非均匀薄膜。

需要说明的是，每个阴极靶10都对应一个镀膜区13，即每个阴极靶10溅射出的原子到达基座11后，都会在对应的镀膜区13内形成薄膜。本发明实施例中通过设置n个间隔排列的遮挡板将镀膜区13等分成n个沉积区130。

当然，本发明实施例中，仅以遮挡板为例进行说明，并不仅限于此，在其他实施例中，分区装置12还可以包括掩膜板，该掩膜板具有n个镂空区域，这n个镂空区域将镀膜区等分成n个沉积区，薄膜仅在掩膜板的镂空区域内沉积。

还需要说明的是，本发明实施例中，可以在每个阴极靶10处设置一个分区装置12，也可以每个镀膜室设置一个分区装置12，并通过驱动机构驱动分区装置12随基片20移动，来实现各个阴极靶10的镀膜区13的分区。

本发明实施例中的镀膜室还包括控制装置(图中未示出)，该控制装置与n个溅射电源相连，用于根据待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个阴极靶在m个时间段的溅射功率，并根据计算结果控制对应的溅射电源具有相应的溅射功率，以使待制备薄膜的n行m列个单元中不同的单元具有不同的膜厚；其中，n、m均为大于或等于1的整数。

本发明实施例中，可以根据待制备薄膜的膜厚分布获得n、m的具体数值，根据n的具体数值控制溅射电源开启的个数以及沉积区的个数，根据m的具体数值控制溅射电源的时间段的个数，通过控制溅射电源开启的个数、沉积区的个数以及溅射电源的时间段的个数控制制备的薄膜的单元数即控制制备的薄膜的膜厚分布，进而可以根据实际情况灵活高效地制备n、m不同即膜厚分布不同的薄膜。

可选地，本发明实施例中的控制装置还用于建立第一矩阵t、第二矩阵d和第三矩阵p，第一矩阵t包括待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据，第二矩阵d包括n个阴极靶的n个沉积区的薄膜沉积速率数据，第三矩阵包括n个阴极靶在m个时间段的溅射功率，并根据公式t＝d*p计算出第三矩阵p。

具体地，由于待制备薄膜的膜厚分布是预设且已知的，因此，可以根据膜厚分布将待制备薄膜划分成n行m列个单元，每个单元的中心厚度作为该单元的膜厚数据，则根据n行m列个单元的膜厚数据可以建立第一矩阵t，其中，h11为第1行第1列个单元的中心膜厚，h12为第1行第2列个单元的中心膜厚…，hnm为第n行第m列个单元的中心膜厚。

由于n的具体数值已知，因此，可以根据n的数值控制阴极靶10的个数为n、控制沉积区130的个数为n，并且，由于沉积区130的个数确定后，每个沉积区130的薄膜沉积速率也是可以确定的，其中薄膜沉积速率与遮挡板的形状、靶材材料性能和基片20的移动速度相关，因此，以每个沉积区130中心处的薄膜沉积速率作为该沉积区130的薄膜沉积速率数据，并根据n个阴极靶的n个沉积区的薄膜沉积速率数据建立第二矩阵d，其中，v11为第1个阴极靶的第1个沉积区的薄膜沉积速率，v12为第2个阴极靶的第1个沉积区的薄膜沉积速率，…，vnn为第n个阴极靶的第n个沉积区的薄膜沉积速率。

由于m的具体数值是已知的，因此，可以根据m的具体数值将每个阴极靶10的沉积时间分成m个时间段，从而可以根据n个阴极靶的m个时间段的溅射功率建立第三矩阵p，其中，p11为第1个阴极靶第1个时间段的溅射功率，p12为第1个阴极靶第2个时间段的溅射功率，…，pnm为第n个阴极靶第m个时间段的溅射功率。

由于基片20是沿阴极靶10的排列方向x移动的，因此，在每个阴极靶10的溅射过程中，第1个时间段会在基片20的第1列单元形成薄膜，第2个时间段会在基片20的第2列单元形成薄膜，…，第m个时间段会在基片20的第m列单元形成薄膜，由于每个阴极靶10的镀膜区13又分成了n个沉积区130，n个沉积区130对应基片20的n行单元，因此，在每个阴极靶10的溅射过程中，可以形成包括n行m列个单元的薄膜。

其中，以h1为例，h11＝v11*p11+v12*p21+….+v1n*pn1，即第1行第1列个单元的膜厚等于第1个阴极靶10第1个沉积区130的薄膜沉积速率乘以第1个阴极靶10第1个时间段的溅射功率，与，第2个阴极靶10第1个沉积区130的薄膜沉积速率乘以第2个阴极靶10第1个时间段的沉积速率，…，以及第n个阴极靶10第1个沉积区的薄膜沉积速率乘以第n个阴极靶10第1个时间段的沉积速率之和。

由于基片20形成的薄膜中每个单元的每层薄膜的膜厚等于薄膜沉积速率和溅射功率的乘积，因此，每个单元的n层薄膜的膜厚等于各层膜厚之和，即根据公式t＝d*p即可得到基片20上待制备薄膜的n行m列个单元中每个单元的膜厚，基于此，由于第一矩阵t和第二矩阵d中的数据都是已知的，因此，可以根据公式t＝d*p反推出第三矩阵p中的数据。

考虑靶材对相邻区域的影响，可以将第三矩阵p通过多次迭代得到新的溅射功率矩阵p’，pij’＝ap(i-1)j+bpij+cp(i+1)j，其中，i、j为大于或等于1的整数，a、b、c为根据生产数据获得的经验值，且a、b、c为常数。基于此，获得每个阴极靶10在每个时间段的溅射功率后，可以控制相应的溅射电源具有相应的溅射功率，以获得所需的包括n行m列个单元的待制备薄膜。

需要说明的是，如图3所示，本发明实施例提供的薄膜制备设备可以是半连续的薄膜制备系统，即该薄膜制备设备还包括设置在至少一个镀膜室2进口处的进片室1和设置在至少一个镀膜室2出口处的出片室3，以通过进片室1将基片传输至镀膜室2，通过出片室3将镀膜室2内的基片传出。

在图3所示的结构中，进片室1和出片室3起到暴露大气、进出基片的功能，有效保障镀膜室2不暴露大气。但是，由于进片室1和出片室3的阀门开启，会对镀膜室2的工艺气压造成冲击，因此，期间不能进行工艺沉积，为半连续工艺。

当然，本发明并不仅限于此，在本发明的另一实施例中，薄膜制备设备还可以是连续的薄膜制备系统，如图4所示，本发明实施例提供的薄膜制备设备还包括依次设置在进片室1和至少一个镀膜室2之间的第一缓冲室4和第一过渡室5，以及，依次设置在至少一个镀膜室2和出片室3之间的第二过渡室6和第二缓冲室7。

图4所示的结构中，基片进入第一缓冲室4并关闭阀门后，进行抽高真空，然后再通工艺气体，使得第一缓冲室4的气压和镀膜室2一样，然后再开阀门，使得基片进入镀膜室2。同样，第二缓冲室7的气压和镀膜室2的气压一样。由于基片进出镀膜室2不会对镀膜室2的气压产生影响，因此，期间可以进行工艺沉积，为连续生产工艺。第一过渡室5和第二过渡室6就是单纯的腔体，和镀膜室2直接相连，但是，第一过渡室5和第二过渡室6没有阴极靶10，起到基片样品走速调节转换以及辅助加热的功能。

本发明实施例还提供了一种薄膜制备方法，应用于如上任一实施例提供的薄膜制备设备，如图5所示，该方法包括：

s101：根据待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个阴极靶在m个时间段的溅射功率；

s102：根据计算结果控制对应的溅射电源具有相应的溅射功率，以使待制备薄膜的n行m列个单元中不同的单元具有不同的膜厚；其中，n、m均为大于或等于1的整数。

其中，根据待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据、n个阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，计算出n个阴极靶在m个时间段的溅射功率包括：

建立第一矩阵t、第二矩阵d和第三矩阵p，第一矩阵t包括待制备薄膜n行m列个单元的膜厚数据，第二矩阵d包括n个阴极靶的n个沉积区的沉积速率数据，第三矩阵包括n个阴极靶在m个时间段的溅射功率；

根据公式t＝d*p计算出第三矩阵p。

具体地，由于待制备薄膜的膜厚分布是预设且已知的，因此，可以根据膜厚分布将待制备薄膜划分成n行m列个单元，每个单元的中心厚度作为该单元的膜厚数据，则根据n行m列个单元的膜厚数据可以建立第一矩阵t，其中，h11为第1行第1列个单元的中心膜厚，h12为第1行第2列个单元的中心膜厚…，hnm为第n行第m列个单元的中心膜厚。

由于n的具体数值已知，因此，可以根据n的数值控制阴极靶10的个数为n、控制沉积区130的个数为n，并且，由于沉积区130的个数确定后，每个沉积区130的薄膜沉积速率也是可以确定的，其中薄膜沉积速率与遮挡板的形状、靶材材料性能和基片20的移动速度相关，因此，以每个沉积区130中心处的薄膜沉积速率作为该沉积区130的薄膜沉积速率数据，并根据n个阴极靶的n个沉积区的薄膜沉积速率数据建立第二矩阵d，其中，v11为第1个阴极靶的第1个沉积区的薄膜沉积速率，v12为第2个阴极靶的第1个沉积区的薄膜沉积速率，…，vnn为第n个阴极靶的第n个沉积区的薄膜沉积速率。

由于m的具体数值是已知的，因此，可以根据m的具体数值将每个阴极靶10的沉积时间分成m个时间段，从而可以根据n个阴极靶的m个时间段的溅射功率建立第三矩阵p，其中，p11为第1个阴极靶第1个时间段的溅射功率，p12为第1个阴极靶第2个时间段的溅射功率，…，pnm为第n个阴极靶第m个时间段的溅射功率。

由于基片20是沿阴极靶10的排列方向x移动的，因此，在每个阴极靶10的溅射过程中，第1个时间段会在基片20的第1列单元形成薄膜，第2个时间段会在基片20的第2列单元形成薄膜，…，第m个时间段会在基片20的第m列单元形成薄膜，由于每个阴极靶10的镀膜区13又分成了n个沉积区130，n个沉积区130对应基片20的n行单元，因此，在每个阴极靶10的溅射过程中，可以形成包括n行m列个单元的薄膜。

其中，以h1为例，h11＝v11*p11+v12*p21+….+v1n*pn1，即第1行第1列个单元的膜厚等于第1个阴极靶10第1个沉积区130的薄膜沉积速率乘以第1个阴极靶10第1个时间段的溅射功率，与，第2个阴极靶10第1个沉积区130的薄膜沉积速率乘以第2个阴极靶10第1个时间段的沉积速率，…，以及第n个阴极靶10第1个沉积区的薄膜沉积速率乘以第n个阴极靶10第1个时间段的沉积速率之和。

由于基片20形成的薄膜中每个单元的每层薄膜的膜厚等于薄膜沉积速率和溅射功率的乘积，因此，每个单元的n层薄膜的膜厚等于各层膜厚之和，即根据公式t＝d*p即可得到基片20上待制备薄膜的n行m列个单元中每个单元的膜厚，基于此，由于第一矩阵t和第二矩阵d中的数据都是已知的，因此，可以根据公式t＝d*p反推出第三矩阵p中的数据。

考虑靶材对相邻区域的影响，可以将第三矩阵p通过多次迭代得到新的溅射功率矩阵p’，pij’＝ap(i-1)j+bpij+cp(i+1)j，其中，i、j为大于或等于1的整数，a、b、c为根据生产数据获得的经验值，且a、b、c为常数。基于此，获得每个阴极靶10在每个时间段的溅射功率后，可以控制相应的溅射电源具有相应的溅射功率，以获得所需的包括n行m列个单元的待制备薄膜。

本发明所提供的薄膜制备设备和薄膜制备方法，可以根据待制备薄膜的膜厚分布获得n、m的具体数值，根据n的具体数值控制溅射电源开启的个数以及沉积区的个数，根据m的具体数值控制溅射电源的时间段的个数，通过控制溅射电源开启的个数、沉积区的个数以及溅射电源的时间段的个数控制制备的薄膜的单元数即控制制备的薄膜的膜厚分布，进而可以根据实际情况灵活高效地制备n、m不同即膜厚分布不同的薄膜。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。