小靶材實(shí)現(xiàn)大平面基片均勻性膜層沉積的方法
常規(guī)的實(shí)驗(yàn)用磁控濺射設(shè)備，其固定的靶基工況，導(dǎo)致膜層均勻性區(qū)域有限，只能用于較小基片上膜層的沉積。提出一種新的方法，將靶材固定，基片自轉(zhuǎn)或公自轉(zhuǎn)工位變更為靶材可移動，基片自轉(zhuǎn)的方式，并控制靶材的移動及基片自轉(zhuǎn)速率的調(diào)節(jié)，可以用較小的靶材在較大平面上沉積膜層，所制備膜層具有良好的膜厚均勻性;建立了計(jì)算模型，分析了小靶材實(shí)現(xiàn)大平面基片均勻性膜層沉積的途徑;在Φ260 mm 的平片上進(jìn)行了Ge 膜的實(shí)際制備，證實(shí)了上述思路的可行性。
膜層均勻性是薄膜制備主要的考核指標(biāo)之一，針對不同制備方法，其解決均勻性的方式各不相同。磁控濺射沉積方法，具有沉積膜層種類多，膜層致密度高等優(yōu)點(diǎn)，是薄膜制備的常用方法之一，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。調(diào)研后發(fā)現(xiàn)常規(guī)的實(shí)驗(yàn)用磁控濺射沉積設(shè)備，多采用磁控靶固定不動，基片臺自轉(zhuǎn)或公自轉(zhuǎn)的方式，其靶材尺寸相對較小，由磁控濺射的原理可知，有限的靶材尺寸，決定了其沉積均勻區(qū)域的范圍不大。當(dāng)采用較小靶材作為濺射源時(shí)，由于固定的布局結(jié)構(gòu)，無法在較大尺寸基底上獲得均勻性膜層。
本文針對常規(guī)磁控濺射設(shè)備存在的上述問題，提出了一種新的思路，設(shè)計(jì)改造了一種新型布局的磁控濺射設(shè)備，以解決小靶材濺射在較大基底沉積均勻性膜層的難題。
1、基本數(shù)學(xué)物理模型
常規(guī)的膜層制備中，基片所有區(qū)域是同時(shí)成膜的，不同位置其相對于蒸發(fā)源/ 濺射源空間位置的變化帶來了各區(qū)域膜層厚度的差異。而對于任意形狀的平面，都可以看作是由以其z*大邊長中心點(diǎn)為圓心，以z*大邊長為直徑的圓的一部分，整個(gè)平面可看作由多個(gè)圓環(huán)組合而成，如圖1 所示。當(dāng)基片不再是同時(shí)成膜，而是分區(qū)域成膜時(shí)，則提供了一種新的思路。
對于磁控濺射沉積系統(tǒng)，若基片以平面中心為自轉(zhuǎn)軸，而靶材沿平面的徑向作直線運(yùn)動時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)圓平面的逐步掃描，從而實(shí)現(xiàn)小靶材在大平面上膜層的制備，其示意圖如圖2 示。
2、靶材運(yùn)動速率和基底自轉(zhuǎn)速率的確定
分析上述物理模型，為保證整個(gè)平面上膜層的良好的均勻性，在固定靶材沉積功率不變的情況下，只需要保證濺射區(qū)域相對于靶材的運(yùn)動速率恒定即可。其可以通過控制靶材徑向運(yùn)動速率和基底自轉(zhuǎn)速率來實(shí)現(xiàn)。理論上，靶材徑向運(yùn)動與基底自轉(zhuǎn)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)方式有以下2 種：①靶材沿徑向作勻速運(yùn)動，而基底作變速率自轉(zhuǎn)運(yùn)動;②靶材作間歇式運(yùn)動，基底作變速率自轉(zhuǎn)運(yùn)動。下面建立簡單的數(shù)學(xué)模型，分析兩種運(yùn)動方式時(shí)，靶材與基底的運(yùn)動形式。
4、結(jié)論
提出一種利用小靶材在較大尺寸基片濺射沉積均勻性膜層的方法。利用靶材間歇運(yùn)動+ 基底自轉(zhuǎn)運(yùn)動，并結(jié)合相應(yīng)工藝參數(shù)的調(diào)整，可以通過小靶材實(shí)現(xiàn)大平面基片膜層的良好均勻性，且膜層厚度的不均勻性偏差可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，有效降低鍍膜成本。
膜層均勻性是薄膜制備主要的考核指標(biāo)之一，針對不同制備方法，其解決均勻性的方式各不相同。磁控濺射沉積方法，具有沉積膜層種類多，膜層致密度高等優(yōu)點(diǎn)，是薄膜制備的常用方法之一，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。調(diào)研后發(fā)現(xiàn)常規(guī)的實(shí)驗(yàn)用磁控濺射沉積設(shè)備，多采用磁控靶固定不動，基片臺自轉(zhuǎn)或公自轉(zhuǎn)的方式，其靶材尺寸相對較小，由磁控濺射的原理可知，有限的靶材尺寸，決定了其沉積均勻區(qū)域的范圍不大。當(dāng)采用較小靶材作為濺射源時(shí)，由于固定的布局結(jié)構(gòu)，無法在較大尺寸基底上獲得均勻性膜層。
本文針對常規(guī)磁控濺射設(shè)備存在的上述問題，提出了一種新的思路，設(shè)計(jì)改造了一種新型布局的磁控濺射設(shè)備，以解決小靶材濺射在較大基底沉積均勻性膜層的難題。
1、基本數(shù)學(xué)物理模型
常規(guī)的膜層制備中，基片所有區(qū)域是同時(shí)成膜的，不同位置其相對于蒸發(fā)源/ 濺射源空間位置的變化帶來了各區(qū)域膜層厚度的差異。而對于任意形狀的平面，都可以看作是由以其z*大邊長中心點(diǎn)為圓心，以z*大邊長為直徑的圓的一部分，整個(gè)平面可看作由多個(gè)圓環(huán)組合而成，如圖1 所示。當(dāng)基片不再是同時(shí)成膜，而是分區(qū)域成膜時(shí)，則提供了一種新的思路。
對于磁控濺射沉積系統(tǒng)，若基片以平面中心為自轉(zhuǎn)軸，而靶材沿平面的徑向作直線運(yùn)動時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)圓平面的逐步掃描，從而實(shí)現(xiàn)小靶材在大平面上膜層的制備，其示意圖如圖2 示。
圖1 多個(gè)圓環(huán)組成的圓平面/ 平面 圖2 小靶材鍍膜示意圖
2、靶材運(yùn)動速率和基底自轉(zhuǎn)速率的確定
分析上述物理模型，為保證整個(gè)平面上膜層的良好的均勻性，在固定靶材沉積功率不變的情況下，只需要保證濺射區(qū)域相對于靶材的運(yùn)動速率恒定即可。其可以通過控制靶材徑向運(yùn)動速率和基底自轉(zhuǎn)速率來實(shí)現(xiàn)。理論上，靶材徑向運(yùn)動與基底自轉(zhuǎn)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)方式有以下2 種：①靶材沿徑向作勻速運(yùn)動，而基底作變速率自轉(zhuǎn)運(yùn)動;②靶材作間歇式運(yùn)動，基底作變速率自轉(zhuǎn)運(yùn)動。下面建立簡單的數(shù)學(xué)模型，分析兩種運(yùn)動方式時(shí)，靶材與基底的運(yùn)動形式。
4、結(jié)論
提出一種利用小靶材在較大尺寸基片濺射沉積均勻性膜層的方法。利用靶材間歇運(yùn)動+ 基底自轉(zhuǎn)運(yùn)動，并結(jié)合相應(yīng)工藝參數(shù)的調(diào)整，可以通過小靶材實(shí)現(xiàn)大平面基片膜層的良好均勻性，且膜層厚度的不均勻性偏差可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，有效降低鍍膜成本。
