CN108228918A - 一种建立用于计算沉积速率的理论模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种建立用于计算离子束溅射薄膜过程中沉积速率的理论模型的方法，通过实验测试得到待测平面二维离散点的膜厚数据，对数据进行拟合处理获得理论模型中的未知参数，进而可采用所述理论模型计算获得该平面任一点的沉积速率。解决了目前无法采用理论模型计算离子束溅射沉积过程中空间各点的沉积速率的问题。

Description

一种建立用于计算沉积速率的理论模型的方法

技术领域

本发明涉及薄膜监控领域，特别涉及一种当采用离子束溅射制备光学薄膜时，建立用于计算薄膜沉积速率的理论模型的方法。

背景技术

近年来，随着光学科学技术的不断发展，对薄膜元件的性能指标要求越来越高，薄膜元件膜系设计与制备变得越来越复杂，对沉积工艺精度要求越来越高。沉积工艺具体包括传统的热蒸发技术和离子束溅射技术。

离子束溅射技术相比传统的热蒸发技术具有广阔的应用前景。由离子束溅射技术所制备的薄膜具有损耗小，工艺稳定性高，可重复性好，致密度高，抗激光损伤性能好等优点。在离子束溅射镀膜的过程中，薄膜厚度的均匀性控制是镀制高精度要求的窄带滤光片等薄膜产品的一个关键问题。薄膜厚度通常可由沉积速率和沉积时间相乘获得。

传统热蒸发技术的蒸发源是点源，建立准确的数学模型以计算空间任一点的沉积速率，并且依据沉积速率来设计均匀性挡板，从而精确调整薄膜的膜厚均匀性。离子束溅射的溅射源是高能离子束发射到靶材表面形成的二次面源，二次面源在靶材上发生一系列复杂的物理化学效应，如溅射原子、二次电子及正负例离子发射、吸附杂质解吸和分解、表面刻蚀及物质的化学反应、靶材表面的离子注入等。基于上述原因，离子束溅射技术很难建立有效的理论模型直接对靶材在空间各点的沉积速率进行计算。

因此，计算离子束溅射镀制薄膜元件时沉积速率的方法对于提高薄膜制备精度，实现精确调整薄膜的膜厚均匀性，并最终实现设计并制备出高性能薄膜元件具有重要意义。

发明内容

针对在离子束溅射镀膜过程中，无法采用理论模型计算空间各点的沉积速率，本发明提出了一种建立用于计算离子束溅射中沉积速率的理论模型的方法，该方法的方案如下：调整离子束溅射薄膜沉积装置的工艺条件及衬底位置；启动离子束溅射薄膜沉积装置且执行预定时间溅射工作；将镀膜后的衬底划分成复数个小格，利用膜厚仪测量所述复数个小格的中心膜厚而获得复数个膜厚数据；将所述膜厚数据除以所述预定时间而获得沉积速率数据；对所述沉积速率数据进行数据拟合，获得理论模型中的未知参数。

优选的，所述工艺条件包括离子束溅射薄膜沉积装置的束流、束压、靶材角度、靶材摆角。

优选的，所述衬底采用单面抛光的K9玻璃。

优选的，所述衬底的平面位置与水平面的垂直度小于0.1毫米。

优选的，所述溅射工作的预定时间为50分钟。

优选的，所述镀膜后的衬底被等分成复数个小格，每个小格的规格等同。

优选的，所述膜厚仪对单个小格进行多次测量，并对多次测量结果取平均值，以所述平均值作为所述小格的膜厚数据。

优选的，所述数据拟合包括水平方向拟合和竖直方向拟合。

优选的，所述理论模型为高斯模型，

优选的，所述水平方向采用高斯公式进行拟合，获得拟合的结果参数；将所述拟合的结果参数沿竖直方向采用ECS公式获得高斯模型中的A参数，将所述拟合的结果参数沿竖直方向采用多项式拟合获得高斯模型中的x参数。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

通过实验测试得到待测平面二维离散点的膜厚数据，对数据进行拟合处理获得理论模型中的未知参数，进而可采用所述理论模型计算获得该平面任一点的沉积速率。通过理论模型计算任一点的沉积速率，进而直接计算得出薄膜元件的均匀性挡板，无需采用由初始挡板进行迭代的优化模式大大提高实验效率。本发明操作简单，熟悉离子束溅射镀膜机即可测量；最后，本发明对曲面元件膜厚均匀调整以及离子束溅射镀膜工艺具有重要的实际意义。

附图说明

图1是本发明实施例中离子束溅射薄膜沉积装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供一种建立用于计算沉积速率的理论模型的流程图；

图3是实验测试得到的膜厚数据结果图；

图4是当X＝0和Y＝0时，实验数据和高斯拟合曲线的对比图；

图5是理论模型计算的结果与实验测试的结果之间的残差图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例中离子束溅射薄膜沉积装置的结构示意图。离子束溅射薄膜沉积装置100包括溅射源10，真空室20和冷凝泵30。真空室20内设有靶材22，样品架24，以及放置在样品架24上的衬底26。在本实施例中，溅射源10采用16cm的射频离子源，产生一定的束流强度和一定能量的Xe离子流。Xe离子流形成离子束，离子束以一定的入射角度轰击靶材22并溅射出其表层的原子，靶材22所溅射出的表层原子沉积到衬底26表面即形成薄膜。衬底26为薄膜沉积的基底。在本实施例中，衬底26采用400mm×400mm的由K9材料制成的单面抛光玻璃。优选的，样品架24采用可转动的行星转动结构，如行星盘。优选的，为了更好地轰击靶材22，离子束溅射薄膜沉积装置100还包括辅助溅射源40。在本实施例中，辅助溅射源40采用12cm的射频离子源。

图2为本发明实施例建立用于计算沉积速率的理论模型的流程图。在该实施例中，首先在图1所示的在离子束溅射薄膜沉积装置上进行测试实验得到待测平面二维离散点的膜厚数据，再对数据进行拟合处理获得理论模型中的未知参数，进而可采用所述理论模型计算获得该平面任一点的沉积速率。具体的步骤如下所述：

步骤S11：调整离子束溅射薄膜沉积装置100的工艺条件及衬底26的位置。工艺条件包括离子束溅射薄膜沉积装置100的束流、束压、靶材角度、靶材摆角。在该实施例中，离子束溅射薄膜沉积装置100的束流设定为175毫安，束压设定为700伏，靶材22的角度调整为167°，靶材22的摆角设定为3.5°。在该实施例中，衬底26采用400mm×400mm的单面抛光的K9玻璃。衬底26所在平面为待测平面，将衬底26通过支架固定在样品架24上，且使得待测平面离样品架24的盘面的距离为5mm。调整衬底26的垂直位置，使得待测平面的垂直度小于0.1mm。优选的，待测平面与水平面保持垂直。

步骤S12：在离子束溅射薄膜沉积装置100的工艺条件及衬底26位置调整到位后，启动离子束溅射薄膜沉积装置100并且执行预定时间溅射工作。在该实施例中，根据衬底26的大小及离子束溅射沉积薄膜装置100的参数，溅射的预设时间为50分钟。溅射时间也可以为其他数值，如30分钟，1小时等。

步骤S13：将镀膜后的衬底26划分成复数个小格，利用膜厚仪测量所述复数个小格的中心膜厚而获得复数个膜厚数据。在该实施例中，衬底26的规格为400mm×400mm。优选的，对镀膜后的衬底26进行等分，使得复数个小格的规格等同。在该实施例中，将镀膜后的衬底26等分成40×40个小方格，每个小方格的规格为10mm×10mm。采用膜厚仪对40×40个小方格进行膜厚测量，进而获得40×40个膜厚数据，每个膜厚数据对应一个小方格的二维位置坐标。优选的，在测量每一个小方格的膜厚时，采用多次测量平均法。具体如，对同一个小方格的膜厚进行10次测量，并且将10次的测量结果进行求和平均，将平均值作为该小方格的膜厚数据。

步骤S14：将所述膜厚数据除以所述预定时间而获得沉积速率数据。在该实施例中，具体过程为：将40×40个膜厚数据除以50分钟，获得40×40个沉积速率。每个沉积速率对应相应小方格的位置点。将沉积速率与位置点进行绘图，获得如图3所示的二维沉积速率分布图。图3中的X方向为行星盘平面的水平方向，该方向与溅射源10发射的离子束方向一致。图3中的Y方向为行星盘平面的竖直方向。图3数据显示，行星盘平面上的沉积速率呈现明显的不均匀性，中心点附近的沉积速率高达0.7nm/s，而靠近边缘的沉积速率明显减少，个别区域甚至低于0.2nm/s。在离子束溅射靶材原子沉积到衬底26平面的过程中，若靶材22表面绝对光滑，质量分布绝对均匀，溅射过程不改变靶面结构时，靶材22表面的溅射原子通量分布满足余弦角分布。此时，溅射原子沉积在基板表面形成的沉积速率分布，满足随机变量的Gauss分布特征。

步骤S15：分析图3中沉积速率分布规律可知，沉积速率满足Gauss分布特征，从而二维高斯模型作为计算沉积速率的理论模型。二维高斯模型的公式如式1所示，包括3个未知参数，分别为A，ω和yc。

进一步分析图2中的沉积速率数据，当X(或Y)取定值时，可得一系列Y方向(或X方向)的一维沉积速率分布曲线。利用Gauss分布函数的Hermite级数展开式，采用数据拟合软件对这些曲线进行拟合。当Y＝0时，由离子束溅射薄膜沉积装置实验所获得的沿X方向的沉积速率如图4中圆点所示；由采用Gauss分布函数的Hermite级数展开式拟合的结果如图4中Horizontal axis(Y＝0)曲线所示。当X＝0时，由离子束溅射薄膜沉积装置实验所获得的沿Y方向的沉积速率如图4中框点所示；由采用Gauss分布函数的Hermite级数展开式拟合的结果如图4中Horizontal axis(X＝0)曲线所示。从图中可以看出，采用Gauss分布函数的Hermite级数展开式可对X和Y值的沉积速率分布曲线进行很好的拟合。确定X方向的曲线满足ECS函数分布，而Y方向的曲线均满足标准Gauss分布。

进一步研究图2中二维沉积速率分布的具体表达形式，

采用标准Gauss函数，分别对所有分立的Y方向的一维沉积速率曲线进行拟合，然后整理所有Gauss函数的拟合参数A，ω和yc，发现A随X值的变化关系与ECS函数相吻合,而ω随X的函数关系呈非线性变化，yc为常数。因此,采用ECS函数对A值进行拟合得到A(x),采用4次多项式对ω值进行拟合得到ω(x)。这样就得到了二维沉积速率理论模型的参数，具体公式如下：

ω(x)＝b₀+b₁x+b₂x²+b₃x³+b₄x⁴ (式3)

为验证二维沉积速率理论模型的有效性，将采用拟合公式的计算结果与实验数据相减，得到如图5所示的二维沉积速率分布公式的拟合残差图。由图5所示，拟合残差幅值在[-0.02,0.02]之间。因此，由本实施例所获得的理论模型有效地计算离子束溅射沉积薄膜的二维沉积速率分布。

当样品架24在镀膜时转动，将样品架24的运动方程代入二维沉积速率理论模型，仍然可以确定薄膜元件任意点的沉积速率。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，所述束流、束压、靶材角度、靶材摆角的具体数值可以结合实验条件进行调整，例如束流采用225mA、束压采用900V、靶材角度设定为287°；衬底的规格以及镀膜后衬底的划分也可以采用其他等分形式，如采用300mm×300mm的衬底，并且将镀膜后衬底等分成50×50个6mm×6mm的小方格。

以上对本发明所提供的一种建立用于计算薄膜沉积速率的理论模型的方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种建立用于计算沉积速率的理论模型的方法，其特征在于，包括：

调整离子束溅射薄膜沉积装置的工艺条件及衬底位置；

启动离子束溅射薄膜沉积装置且执行预定时间溅射工作；

将镀膜后的衬底划分成复数个小格，利用膜厚仪测量所述复数个小格的中心膜厚而获得复数个膜厚数据；

将所述膜厚数据除以所述预定时间而获得沉积速率数据；

对所述沉积速率数据进行数据拟合，获得理论模型中的未知参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺条件包括离子束溅射薄膜沉积装置的束流、束压、靶材角度、靶材摆角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底采用单面抛光的K9玻璃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底的平面位置与水平面的垂直度小于0.1毫米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溅射工作的预定时间为50分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镀膜后的衬底被等分成复数个小格，每个小格的规格等同。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜厚仪对单个小格进行多次测量，并对多次测量结果取平均值，以所述平均值作为所述小格的膜厚数据。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据拟合包括水平方向拟合和竖直方向拟合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述理论模型为高斯模型，

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述水平方向采用高斯公式进行拟合，获得拟合的结果参数；将所述拟合的结果参数沿竖直方向采用ECS公式获得高斯模型中的A参数，将所述拟合的结果参数沿竖直方向采用多项式拟合获得高斯模型中的ω参数。