磁控溅射镀膜夹具及其使用方法.pdf

一种磁控溅射镀膜夹具及其使用方法，磁控溅射镀膜夹具包括一公转夹具，该公转夹具设有一圆形通孔，一连接杆具有外螺纹，该连接杆的下端连接一样品盘，该连接杆的上端穿过公转夹具的圆形通孔，再有与连接杆的外螺纹相配合的两螺母将连接杆固定在公转夹具上。利用本发明的夹具可连续调整靶距，按本发明方法磁控溅射制备的薄膜，可有效地控制膜层的结构取向，提高膜层均匀性。

1、  一种磁控溅射镀膜夹具，包括一公转夹具(2)，其特征在于该公转夹具(2)设有一圆形通孔(21)，一连接杆(4)具有外螺纹，该连接杆(4)的下端连接样品盘(3)，该连接杆(4)的上端穿过公转夹具(2)的圆形通孔(21)，再有与连接杆(4)的外螺纹相配合的两螺母(41、42)将连接杆(4)固定在公转夹具(2)上。

2、  利用权利要求1所述的磁控溅射镀膜夹具改进薄膜结构取向的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母(41、42)将样品盘(3)下表面至靶材(1)上表面的垂直高度调整为公转夹具(2)到靶材(1)垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的微观结构和光学性能：如发现膜层疏松，致密性差，或者空位缺陷较多，或者折射率比理想值偏低，而且结构取向性不能满足要求，为溅射能量过低所致，调节螺母(41)和螺母(42)，使连接杆(4)及样品盘(3)下降，即减小靶距；如发现膜层致密，甚至可能有间隙原子缺陷，或者吸收损耗大，或者折射率偏高，而且结构取向性不能满足要求，则为溅射能量过高所致，应调节螺母(41)和螺母(42)，使连接杆(4)以及样品盘(3)上升，即增大靶距，然后重复第②步；
④当膜层的结构取向满足要求，说明靶距适中；
⑤在样品盘(3)装上待镀基片，进行正式镀膜。

3、  利用权利要求1所述的磁控溅射镀膜夹具提高薄膜均匀性的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母(41、42)将样品盘(3)下表面至靶材(1)上表面的垂直高度调整为公转夹具(2)到靶材(1)垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的厚度均匀性：如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递增趋势分布，即中心薄、边缘厚，而且均匀性不能满足要求，为靶距过小所致，则调节螺母(41)和螺母(42)，使连接杆(4)和样品盘(3)上升，即增大靶距；如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递减趋势分布，即中心厚、边缘薄，而且均匀性不能满足要求，为靶距过大所致，应调节螺母(41)和螺母(42)使连接杆(4)和样品盘(3)下降，即减小靶距，然后重复第②步；
④当膜层的均匀性满足要求，说明靶距适中；
⑤在样品盘(3)装上待镀基片，进行正式镀膜。

磁控溅射镀膜夹具及其使用方法
技术领域
本发明与薄膜制备有关，特别是一种磁控溅射镀膜夹具及其使用方法。本发明适用于薄膜微观结构取向性的控制，也适用于提高膜层均匀性。
背景技术
现有磁控溅射镀膜方法采用的靶距，即从靶材表面至基底表面的垂直距离为固定值；即使靶距有调整的余地，也只是经调整后固定在某一个值重复使用。例如：常规的磁控溅射系统中，靶距一般固定在50mm-100mm之间的某一个数值。
事实上，由于一台镀膜机上使用的靶材经常要根据工艺要求不断辨更换的，而且随着溅射过程的进展和靶材的消耗程度变化，溅射气氛的空间分布是不断改变的，因此固定的靶距不利于实现高性能的薄膜，特别是难以满足结构要求(如结构取向生长)和均匀性要求。
对于薄膜的结构特别是结构取向的控制，目前研发工作人员一般是通过改变沉积工艺参数或者材料选择的手段来解决；另一方面，膜层均匀性的改进也常常局限在对挡板的修正、样品夹具转速的优化以及溅射源的功率控制等方面。
在这种靶距固定的情况下，往往由于现有方法的局限性达不到理想的结构和均匀性指标。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有技术的不足，为现有磁控溅射镀膜方法提供一种磁控溅射镀膜夹具及其使用方法，该夹具可连续调整靶距，因而可有效地控制膜层的结构取向，或明显地提高膜层均匀性。
本发明的技术解决方案如下：
一种磁控溅射镀膜夹具，包括一公转夹具，其特征在于该公转夹具设有一圆形通孔，一连接杆具有外螺纹，该连接杆的下端连接一样品盘，该连接杆的上端穿过公转夹具的圆形通孔，再有与连接杆的外螺纹相配合的两螺母将连接杆固定在公转夹具上。
利用上述的磁控溅射镀膜夹具改进薄膜结构取向的方法，包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母将样品盘下表面至靶材上表面的垂直高度调整为公转夹具到靶材垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的微观结构和光学性能：如发现膜层疏松，致密性差，或者空位缺陷较多，或者折射率比理想值偏低，而且结构取向性不能满足要求，为溅射能量过低所致，调节两螺母，使连接杆及样品盘下降，即减小靶距；如发现膜层致密，甚至可能有间隙原子缺陷，或者吸收损耗大，或者折射率偏高，而且结构取向性不能满足要求，则为溅射能量过高所致，应调节两螺母，使连接杆以及样品盘上升，即增大靶距，然后重复第②步；
④当膜层的结构取向满足要求，说明靶距适中；
⑤在样品盘(3)装上待镀基片，进行正式镀膜。
利用上述的磁控溅射镀膜夹具提高薄膜均匀性的方法，包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母将样品盘下表面至靶材上表面的垂直高度调整为公转夹具到靶材垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的厚度均匀性：如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递增趋势分布，即中心薄、边缘厚，而且均匀性不能满足要求，为靶距过小所致，则调节两螺母，使连接杆和样品盘)上升，即增大靶距；如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递减趋势分布，即中心厚、边缘薄，而且均匀性不能满足要求，为靶距过大所致，应调节两螺母使连接杆和样品盘下降，即减小靶距，然后重复第②步；
④当膜层的均匀性满足要求时，说明靶距适中；
⑤在样品盘装上待镀基片，进行正式镀膜。
本发明的技术效果：
由于本发明的使用，靶距连续可调，并根据具体工艺和指标要求，采用相对较大的靶距，避免由于靶材更换、工艺条件变化和靶材消耗引起的溅射气氛变化等原因导致膜层的结构取向性或均匀性问题，获得特殊结构取向的薄膜或高均匀性的膜层。
附图说明
图1是已有磁控溅射镀膜夹具结构示意图
图2是本发明磁控溅射镀膜夹具结构示意图
图中：1-靶材  2-公转夹具  21-圆形通孔  3-样品盘4-连接杆  41、42-螺母。
具体实施方式
请参阅图2，图2是本发明磁控溅射镀膜夹具结构示意图，由图可见，本发明磁控溅射镀膜夹具，包括一公转夹具2，其特征在于该公转夹具2设有一圆形通孔21，一连接杆4具有外螺纹(图中未示)，该连接杆4的下端连接样品盘3，该连接杆4的上端穿过公转夹具2的圆形通孔21，再有与连接杆4的外螺纹相配合的两螺母41、42将连接杆4固定在公转夹具2上。
利用上述的磁控溅射镀膜夹具改进薄膜结构取向的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母41、42将样品盘3下表面至靶材1上表面的垂直高度调整为公转夹具2到靶材1垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的微观结构和光学性能：如发现膜层疏松，致密性差，或者空位缺陷较多，或者折射率比理想值偏低，而且结构取向性不能满足要求，为溅射能量过低所致，调节螺母41和螺母42，使连接杆4及样品盘3下降，即减小靶距；如发现膜层致密，甚至可能有间隙原子缺陷，或者吸收损耗大，或者折射率偏高，而且结构取向性不能满足要求，则为溅射能量过高所致，应调节螺母41和螺母42，使连接杆4以及样品盘3上升，即增大靶距，然后重复第②步；
④当膜层的结构取向满足要求，说明靶距适中；
⑤在样品盘3装上待镀基片，进行正式镀膜。
利用上述的磁控溅射镀膜夹具提高薄膜均匀性的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①安装磁控溅射镀膜夹具，调整两螺母41、42将样品盘3下表面至靶材1上表面的垂直高度调整为公转夹具2到靶材1垂直高度的一半；
②按典型工艺镀制薄膜样品；
③测试所镀制膜层的厚度均匀性：如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递增趋势分布，即中心薄、边缘厚，而且均匀性不能满足要求，为靶距过小所致，则调节螺母41和螺母42，使连接杆4和样品盘3上升，即增大靶距；如发现从公转中心沿半径往边缘方向，厚度分布呈递减趋势分布，即中心厚、边缘薄，而且均匀性不能满足要求，为靶距过大所致，应调节螺母41和螺母42使连接杆4和样品盘3下降，即减小靶距，然后重复第②步；
④当膜层的均匀性满足要求，说明靶距适中；
⑤在样品盘3装上待镀基片，进行正式镀膜。
实施例1制备C轴高度择优取向的ZnO薄膜
在n型和p型等多种Si(100)、Si(111)基底上，利用磁控溅射技术，要求制备出C轴高度择优取向的ZnO薄膜。典型工艺条件：工作气压为0.3Pa，氩氧比为1∶2，溅射电流0.5A。
实施步骤如下：
公转夹具2至靶材1上表面距离为200mm，先将靶距调整为该距离的一半即100mm；
按典型工艺制备ZnO薄膜，并测试结构性能以及光学性能；
发现制备地薄膜不透明，肉眼观察颜色发黑，光谱吸收损耗太大，按本专利提出的制备方法认为是溅射粒子能量过大所致，增大靶距至120mm后继续按上述工艺制备薄膜；
肉眼观察为透明，但光谱测试发现仍有明显吸收(玻璃陪镀片上透过率极大值约60％)，结构分析认为存在较多Zn间隙原子，按本专利提出的方法认为仍需增大靶距；
选取靶距140mm，利用上述工艺再制备并测试，光谱分析时玻璃基底上透过率极大值达90％以上，说明吸收损耗很小；同时以X射线衍射(XRD)测试薄膜微观结构：发现从3°-90°(2θ)的宽谱扫描，在多种基底上的ZnO薄膜均只显示单一的(002)晶面衍射峰，说明薄膜为C轴高度择优取向；表明这个靶距可以制备C轴择优取向的ZnO薄膜。
实施例2制备高均匀性的ZnS单层膜
利用磁控溅射技术，要求制备高均匀性的ZnS单层膜。典型工艺：工作气压：0.5-1.5Pa，溅射电流0.3A。具体实施步骤如下：
公转夹具2至靶材1上表面距离为200mm，先将靶距调整为该距离的一半即100mm；
按典型工艺制备ZnS薄膜，并测试分析样品的厚度均匀性；
发现靠近公转中心的测试位置膜厚较薄、边缘较厚，均匀性误差大于±3％不能满足要求，按本专利提供的方法应增大靶距；
选取靶距120mm，重新按上述工艺制备薄膜并测试厚度均匀性；发现均匀性误差接近±1％，基本满足要求，但仍为中心薄边缘厚；
按本专利提供的方法继续稍增大靶距至125mm；在Φ130mm直径范围内获得最佳均匀性指标0.3％(即厚度误差小于±0.3％)。
经实验证明，本发明的优点如下：
1、靶距连续可调，可进行多类高性能薄膜的溅射制备，如短波长发光材料薄膜、磁记录薄膜、类金刚石薄膜等等；
2、除控制工艺条件(如溅射功率、真空压强)之外，增加了一种简便易行、科学有效的手段，即通过靶距的连续调整实现对膜层微观结构，特别是结构取向性的有效控制；这种方法直接改变的是溅射粒子从靶材表面到达基底表面的能量，从而可以控制溅射粒子在基底表面的成膜过程，包括其热力学过程和化学反应过程；
3、通过靶距的调节改变了到达基底时溅射粒子气氛的空间分布，实现了均匀性的连续可控；
4、由于本发明一般采用较大的靶距(＞100mm)，到达基底表面时的溅射粒子的空间分布比靶距较小的现有情况更为均匀；而且可以很方便地加上样品自转的功能，膜层的均匀性相对于现有固定靶距的设备可以大大提高；
5、不仅对于磁控溅射行之有效，对于其他物理汽相沉积或者化学汽相沉积方法提高薄膜的结构特性或者均匀性也有参考价值。