小靶材实现大平面基片均匀性膜层沉积的方法

　　常规的实验用磁控溅射设备，其固定的靶基工况，导致膜层均匀性区域有限，只能用于较小基片上膜层的沉积。提出一种新的方法，将靶材固定，基片自转或公自转工位变更为靶材可移动，基片自转的方式，并控制靶材的移动及基片自转速率的调节，可以用较小的靶材在较大平面上沉积膜层，所制备膜层具有良好的膜厚均匀性;建立了计算模型，分析了小靶材实现大平面基片均匀性膜层沉积的途径;在Φ260 mm 的平片上进行了Ge 膜的实际制备，证实了上述思路的可行性。

　　膜层均匀性是薄膜制备主要的考核指标之一，针对不同制备方法，其解决均匀性的方式各不相同。磁控溅射沉积方法，具有沉积膜层种类多，膜层致密度高等优点，是薄膜制备的常用方法之一，已经得到广泛应用。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现常规的实验用磁控溅射沉积设备，多采用磁控靶固定不动，基片台自转或公自转的方式，其靶材尺寸相对较小，由磁控溅射的原理可知，有限的靶材尺寸，决定了其沉积均匀区域的范围不大。当采用较小靶材作为溅射源时，由于固定的布局结构，无法在较大尺寸基底上获得均匀性膜层。

　　本文针对常规磁控溅射设备存在的上述问题，提出了一种新的思路，设计改造了一种新型布局的磁控溅射设备，以解决小靶材溅射在较大基底沉积均匀性膜层的难题。

1、基本数学物理模型

　　常规的膜层制备中，基片所有区域是同时成膜的，不同位置其相对于蒸发源/ 溅射源空间位置的变化带来了各区域膜层厚度的差异。而对于任意形状的平面，都可以看作是由以其最大边长中心点为圆心，以最大边长为直径的圆的一部分，整个平面可看作由多个圆环组合而成，如图1 所示。当基片不再是同时成膜，而是分区域成膜时，则提供了一种新的思路。

　　对于磁控溅射沉积系统，若基片以平面中心为自转轴，而靶材沿平面的径向作直线运动时，则可以实现整个圆平面的逐步扫描，从而实现小靶材在大平面上膜层的制备，其示意图如图2 示。

图1 多个圆环组成的圆平面/ 平面　图2 小靶材镀膜示意图

2、靶材运动速率和基底自转速率的确定

　　分析上述物理模型，为保证整个平面上膜层的良好的均匀性，在固定靶材沉积功率不变的情况下，只需要保证溅射区域相对于靶材的运动速率恒定即可。其可以通过控制靶材径向运动速率和基底自转速率来实现。理论上，靶材径向运动与基底自转运动的实现方式有以下2 种：①靶材沿径向作匀速运动，而基底作变速率自转运动;②靶材作间歇式运动，基底作变速率自转运动。下面建立简单的数学模型，分析两种运动方式时，靶材与基底的运动形式。

4、结论

　　提出一种利用小靶材在较大尺寸基片溅射沉积均匀性膜层的方法。利用靶材间歇运动+ 基底自转运动，并结合相应工艺参数的调整，可以通过小靶材实现大平面基片膜层的良好均匀性，且膜层厚度的不均匀性偏差可以根据需要进行调整，有效降低镀膜成本。