一种磁控溅射方法及装置与流程

本发明涉及磁控溅射技术，尤其涉及一种磁控溅射方法及装置。

背景技术：

磁控溅射发生在磁场范围内，现有技术中常用移动磁场提高靶材利用率。通过匀速移动磁体形成移动磁场，让磁体做往复运动，这样可以有效提高靶材的利用率，可以让靶材的利用率达到40％至50％。但是这种方法依旧存在的问题，假设磁场的移动速度为V₁，工件的移动速度为V₂，磁场做往复运动时，当磁场与工件同向运动，他们的相对速度为V₂-V₁，当磁场与工件反向运动，他们的相对速度为V₁+V₂。而且，当移动磁场运动速度较慢时(与工件运行速度相比)，移动磁场的移动速度对工件的膜层均匀性影响较小，但当移动磁场相对速度较快时，对工件膜层影响较大。这就导致，同向时，实际工件的镀膜速度为较低速运行，反向时，实际工件的镀膜速度为较高速运行，这样就会使量产中的工件镀膜的均匀性不一，难以保证质量以及控制废品率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种能够解决利用移动磁场磁控溅射镀膜厚度不均问题的磁控溅射方法及装置，可在增加靶材利用率的同时提升镀膜均匀性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种磁控溅射方法，其中包括：提供至少两个具有靶材和磁体的靶位，相邻靶位之间具有一定间距，并磁体相对靶材以第二速度运动形成移动磁场且该移动磁场具有一定功率；提供一以第一速度匀速运送穿过移动磁场的工件，该工件的运动方向为第一方向，与该第一方向相反的方向设定为第二方向；磁体在第一方向与第二方向之间往复运动于靶材范围 内，磁体完成一次往复运动的时间为一个周期；各靶位移动磁场的初始位置互补设置。

优选地，本发明提供的该磁控溅射方法中的磁体往复运动过程中的功率恒定。

进一步的，本发明提供的该磁控溅射方法中的第一速度恒定，调整间距及周期，使间距的长度与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

进一步的，本发明提供的该磁控溅射方法中的间距恒定，调整第一速度及周期，使间距的长度与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

进一步的，本发明提供的该磁控溅射方法中的周期恒定，调整第一速度及间距，使间距的长度与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

优选地，本发明提供的该磁控溅射方法中的磁体往复运动过程中，磁体沿第一方向运动的功率为第一功率，磁体沿第二方向运动的功率为第二功率，且第一功率与第二功率不同。

进一步的，本发明提供的该磁控溅射方法中的第一功率与第二功率的比值符合第一速度与第二速度之和比第一速度与第二速度之差。

此外，还有必要提供一种应用上述磁控溅射方法的装置，其包括至少两个靶位、传送机构、第一驱动机构以及第二驱动机构；设置至少两个具有靶材和磁体的靶位，相邻两个靶位之间具有一定间距，靶材固定于靶位上，靶材为矩形靶材，其宽度至少大于磁体宽度，磁体相对靶材以第二速度运动形成移动磁场且移动磁场具有一定功率；第一驱动机构设置于装置的至少一端，传送机构铺设于靶位的下方，工件放置于传送机构上表面，第一驱动机构驱动传送机构，传送机构以第一速度匀速传送工件穿过移动磁场，传送机构的运动方向为第一方向，与第一方向相反的方向为第二方向；磁体在第一方向与第二方向之间往复运动于靶材范围内，磁体完成一次往复运动的时间为一个周期；各靶位移动磁场的初始位置互补设置。

优选地，本发明提供的该装置中的磁体往复运动过程中，功率设定为恒定；第一速度、间距及周期中任一项为恒定，另外两项为变量，使间距的长度与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

优选地，本发明提供的该装置中的磁体往复运动过程中，功率不设定为恒定；磁体沿第一方向运动的功率为第一功率，磁体沿第二方向运动的功率为第二功率，且第一功率与第二功率不相同；设置第一功率与第二功率的比值等于第一速度与第二速度之和比第一速度与第二速度之差。

本发明提供的该磁控溅射方法及装置中，由于磁体沿第一方向与第二方向往复运动于靶材范围内形成移动磁场，互补设置各靶位中移动磁场的初始位置，且调节移动磁场功率及相关参数实现各靶位之间移动磁场的镀膜效果互补。从而解决利用移动磁场磁控溅射镀膜厚度不均的问题，保证在增加靶材利用率的同时能够提升镀膜的均匀性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明提供的磁控溅射方法的流程示意图；

图2为本发明提供的功率恒定时磁控溅射方法的流程示意图；

图3为本发明提供的功率不恒定时磁控溅射方法的流程示意图；

图4为本发明提供的磁控溅射装置一较佳实施例的结构示意图；

图5a为图4所示的磁控溅射装置移动磁场初始位置与工件同向时膜厚成形原理示意图；

图5b为图4所示的磁控溅射装置移动磁场初始位置与工件反向时膜厚成形原理示意图；

图6为图4所示的磁控溅射装置工件膜厚成形原理示意图；

图7为本发明提供的磁控溅射方法及装置的磁体运动轨迹示意图。

具体实施方式

为说明本发明提供的磁控溅射方法及装置所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，图1为本发明提供的磁控溅射方法的流程示意图，本发明提供的磁控溅射方法，其具体实现步骤为：

S10：磁体相对靶材以第二速度运动形成移动磁场。

提供至少两个具有靶材和磁体的靶位，相邻靶位之间具有一定间距，并磁体相对靶材以第二速度运动形成移动磁场且移动磁场具有一定功率。

S20：工件以第一速度匀速穿过移动磁场。

提供一以第一速度匀速穿过移动磁场的工件，工件的运动方向为第一方向，与第一方向相反的方向设定为第二方向。

S30：磁体在靶材范围内往复运动。

磁体沿第一方向与第二方向往复运动于靶材范围内，磁体完成一次往复运动的时间为一个周期。

S40：各移动磁场的初始位置互补设置。

各靶位中的磁体设置一定初始位置，并且各靶位中磁体初始位置及起始运动的方向在整个工件环境中互补。若设置的靶位为双数，各靶位中磁体形成移动磁场的初始位置可以为两两互补；若设置的靶位为两个以上单数，则在移动磁场运动过程中能够保证各靶位相互之间始终保持互补的前提下确定初始位置。

具体的，调节各变量参数使得磁体在相对靶材运动的过程中，保证工件经过移动磁场时各磁体相对位置不变，周期内依旧保持互补运动。

参照图2及图7，图2为本发明提供的功率恒定时磁控溅射方法的流程示意图，图7为本发明提供的磁控溅射方法及装置的磁体运动轨迹示意图。磁体运动过程中存在的变量参数包括：工件穿过移动磁场的第一速度，磁体往复运动的第二速度，磁体往复运动的周期以及相邻靶位之间的间距。设第一速度为V₁，设第二速度为V₂，且磁体一次往复运动的周期设为T，靶位之间的间距设为D，工件相对移动磁场运动的速度设为V以及工件镀膜后的膜厚设为d。

S50：功率恒定时，调节相关变量参数使移动磁场保持互补运动。

磁体往复运动过程中的功率恒定的情况下，调节相关变量参数保证磁体在 整个移动磁场范围内相对位置不变，保持互补运动。

假设一工件经过靶位A的移动磁场A’，磁体沿着靶材中心向靶材边缘运动，即磁体相对靶材在第一方向上运动了四分之一个周期，在此过程中，磁体与工件的运动方向相同，因此工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之差；磁体到达靶材边缘时折返并通过靶材中心向对侧边缘移动，即磁体相对靶材在第二方向上运动了二分之一个周期，此时，磁体与工件运动方向相反，工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之和；磁体到达另一侧靶材边缘后折返回到靶材中心，即磁体相对靶材在第一方向上又运动了四分之一个周期，磁体与工件的运动方向再次相同，工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之差。参见图5a，工件镀膜的膜厚因工件通过该靶位移动磁场时的速度快慢变化而不均，磁体与工件运动方向相同时工件的膜厚大于磁体与工件运动方向相反时工件的膜厚。

磁体在0-T/4之内，V＝V₁-V₂；

磁体在T/4-3T/4之内，V＝V₁+V₂；

磁体在3T/4-T之内，V＝V₁-V₂。

该工件经过另一靶位B的移动磁场B’时，该靶位中的磁体相对其靶材的运动轨迹与上述磁体的运动轨迹互补，即第一个四分之一周期，磁体在第二方向上运动至靶材边缘，磁体与工件的运动方向相反，因此工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之和；磁体又相对靶材在第一方向上运动了二分之一个周期，此时，磁体与工件运动方向相同，工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之差；磁体到达另一靶材边缘后折返回到靶材中心，即磁体相对靶材在第二方向上又运动了四分之一个周期，磁体与工件的运动方向再次相反，工件相对移动磁场运动的速度为第一速度与第二速度之和。参见图5b，磁体与工件运动方向相同时工件的膜厚大于磁体与工件运动方向相反时工件的膜厚，且与经过移动磁场A’时形成的膜厚互补。

磁体在0-T/4之内，V＝V₁+V₂；

磁体在T/4-3T/4之内，V＝V₁-V₂；

磁体在3T/4-T之内，V＝V₁+V₂。

靶位A与靶位B之间的间距D必须满足D/V₁＝T/2+nT,V₁＝2D/(2n+1)T,其中n＝0,1,2……，此时，工件上每一点的膜厚均等于d1+d2。

因此，在功率一定的情况下，膜厚的均匀性与磁体的第二速度的大小没有关系，只与工件运动的第一速度V₁、靶位之间的间距D以及磁体的运动周期T三个变量有关，且其必须满足：

如图2所示，当移动磁场功率一定的情况下，调整变量参数第一速度、间距以及周期的大小满足上述关系。

S501：第一速度恒定时，间距应与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

提供一优选实施例，当第一速度恒定时，调整间距及周期，通过公式计算可预测，使间距的长度与工件在二分之一个周期内经过的距离的奇数倍相等时各靶位移动磁场在功率恒定的情况下保持互补。

S502：间距恒定时，间距应与工件在一半二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

提供一优选实施例，当间距恒定时，调整第一速度及周期，通过公式计算可预测，使所述间距的长度与所述工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等时各靶位移动磁场在功率恒定的情况下保持互补。

S503：周期恒定时，间距应与工件在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。

提供一优选实施例，当周期恒定时，调整第一速度及间距，通过公式计算可预测，使间距的长度与工件在二分之一个周期内经过的距离的奇数倍相等时各靶位移动磁场在功率恒定的情况下保持互补。

当移动磁场功率恒定的情况下，通过上述公式计算可预测间距、第一速度 以及周期这三个变量之间的关系，调整参数变量数值使之满足移动磁场互补。

参照图3，图3为本发明提供的功率不恒定时磁控溅射方法的流程示意图。

S60：功率不恒定时，调节相关变量参数使移动磁场保持互补运动。

磁体往复运动过程中形成的移动磁场功率不恒定的情况下，调节相关变量参数保证磁体在整个移动磁场范围内相对位置不变，保持互补运动。磁体往复运动过程中，磁体沿第一方向运动的功率为第一功率，磁体沿第二方向运动的功率为第二功率，且第一功率与第二功率不同。

S70：当磁体分别沿第一方向及第二方向运动时，判断膜厚与功率、第一速度以及第二速度之间的关系。

由于功率跟工件相对移动磁场的速度成反比，跟磁控溅射形成的膜厚成正比，因此功率与膜厚的关系可以表示为：p＝kd/V，d＝kpV，其中p表示移动磁场的功率，d表示膜厚，V表示工件相对移动磁场的速度以及k表示常数。

当磁体沿第一方向运动，与工件传送方向相同时：d₁＝kp₁V＝kp₁(V₁-V₂)；

当磁体沿第二方向运动，与工件传送方向时：d₂＝kp₂V＝kp₂(V₁+V₂)。

S80：第一功率与所述第二功率的比值等于第一速度与第二速度之和比第一速度与第二速度之差时膜厚均匀。

要保证工件磁控溅射的膜厚均匀，即保证d1＝d2，通过膜厚与移动磁场功率以及工件相对移动磁场的速度之间的对应关系推导可知：移动磁场的功率必须满足p₁/p₂＝(V₁+V₂)/(V₁-V₂)。

通过上述公式计算可预测第一功率与第二功率的比值符合第一速度与第二速度之和比第一速度与第二速度之差时工件能够均匀镀膜。

上述多种实施方式均可实现在增加靶材利用率的同时提升镀膜均匀性的技术效果。由于各个靶位对应的移动磁场在溅射过程中相互互补，因此无论移动磁场运动速度快慢都不会对工件镀膜的膜厚均匀性造成影响，有利于保证工件镀膜质量以及降低废品率。

本发明实施例还提供了一种应用上述磁控溅射方法的磁控溅射装置。该磁控溅射装置包括至少两个靶位100、传送机构200、第一驱动机构(图中未示出)以及第二驱动机构(图中未示出)；设置至少两个具有靶材101和磁体102的靶位，靶材101为矩形靶材，其宽度至少大于磁体102宽度，相邻两个靶位之间具有一定间距，靶材101固定于靶位100上，并且磁体102相对对应的靶材101以第二速度运动形成移动磁场且移动磁场具有一定功率；第一驱动机构设置与装置的至少一端，传送机构200铺设于靶位100的下方，工件300放置于传送机构200上表面，第一驱动机构驱动传送机构200，传送机构200以第一速度匀速传送工件300穿过移动磁场，传送机构200的运动方向为第一方向，与第一方向相反的方向为第二方向。第二驱动机构推动磁体的运动限定为往复式移动，让磁体102从靶材101平面宽度方向的一侧平移到对侧，又再回复到初始一侧，往复不己。即第二驱动机构驱动磁体102在靶材101范围内在第一方向与第二方向之间往复运动。第二驱动机构还可以采用如下形式：气动活塞，推杆系统驱动，以压缩空气为动力源，配时间继电器等电器装置控制运动换向；电机-齿轮-齿条系统驱动，由时间继电器等电器装置，控制电机正反转，由齿轮正反转，拖动齿条来往移动；采用直线电机系统驱动等。磁体102完成一次往复运动的时间为一个周期；移动磁场的初始位置互补设置。

上述磁体102可以与槽状矩形磁体座和衔铁组成磁体组件，该衔铁可以具有三条平行矩形长边的磁体定位浅槽，上述磁体102可以为方形或矩形截面的条状磁块，由多块磁体102沿上述衔铁磁体定位浅槽拼接排成三列，即衔铁与三列磁体组成“山”字型结构，磁体102的一磁极端与衔铁相吸，同列的磁体极性相同，相邻两列的磁体102极性相反；衔铁与三列磁体102一起装入磁体座槽内固定。除了此种三列磁体组合结构外，还可以采用两列磁体102或多于三列磁体102组合结构，同列磁体102极性相同，而相邻两列的磁体102极性相反。

参照图4，图4为本发明提供的磁控溅射装置一较佳实施例的结构示意图，作为一个优选的实施例，图中磁控溅射装置中设置两个靶位100，第一靶位103与第二靶位104，且磁体102相对靶材101运动形成的移动磁场的初始位置互 补，即同一工件300送至第一靶位103时的移动磁场的初始位置和送至第二靶位104时的移动磁场的初始位置相差半个周期。磁体102的运动轨迹为oa→ao→ob→bo或者bo→oa→ao→ob等等往返运动。

进一步的说明图4中所显示的装置，该装置中的磁体102往复运动过程中：当功率设定为恒定时，第一速度、间距及周期中任一项为恒定，另外两项为变量，使间距的长度与工件300在二分之一周期内经过的距离的奇数倍相等。此时，可使工件300通过第一靶位103时溅射镀膜形成的膜厚与该工件300通过第二靶位104时镀膜形成的膜厚互补，使得经过装置上述两个靶位100的工件300镀膜均匀；功率不设定为恒定时，设定磁体102沿第一方向运动的功率为第一功率，磁体沿第二方向运动的功率为第二功率，第一功率与第二功率不相同；设置第一功率与第二功率的比值等于第一速度与第二速度之和比第一速度与第二速度之差。

参照图5a与图7，图5a为图4所示的磁控溅射装置移动磁场初始位置与工件同向时膜厚成形原理示意图，图7为本发明提供的磁控溅射方法及装置的磁体运动轨迹示意图，当传送机构200将工件300传送靠近第一靶位103进入移动磁场，工件300与磁体102相对靶材101运动形成的移动磁场同向，因此工件300相对移动磁场的速度为第一速度与第二速度之差，此时膜厚为较厚的d₁；当磁体102由靶材101边缘折返运动时形成的移动磁场与工件300传送的方向相反，因此工件300相对移动磁场的速度为第一速度与第二速度之和，此时膜厚为较薄的d₂。如图5a所示，工件镀膜的厚度随移动磁场周期性运动方向的变化而薄厚不均。

参照图5b与图7，图5b为图4所示的磁控溅射装置移动磁场初始位置与工件反向时膜厚成形原理示意图。当传送机构200将工件300传送靠近第二靶位104进入移动磁场，工件300与磁体102相对靶材101运动形成的移动磁场反向，因此工件300相对移动磁场的速度为第一速度与第二速度之和，此时膜厚为较薄的d₂；当磁体102由靶材101边缘折返运动时形成的移动磁场与工件300传送的方向相反，因此工件300相对移动磁场的速度为第一速度与第二速度之和，此时膜厚为较薄的d₁。

参照图5a、图5b以及图6可知，图6为图4所示的磁控溅射装置工件膜厚成形原理示意图，第一靶位103与第二靶位104设置的移动磁场初始位置相差半个周期，即第一靶位103与第二靶位104移动磁场初始位置互补。因为该第一靶位103与第二靶位104各变量参数相等，因此工件在分别通过该两个靶位100后，镀膜厚度互补，均达到d₁+d₂的厚度，从而实现膜厚均匀。

上述实施方式可实现在增加靶材利用率的同时提升镀膜均匀性的技术效果。由于各个靶位100对应的移动磁场在溅射过程中相互互补，因此无论移动移动磁场运动速度快慢都不会对工件镀膜的膜厚均匀性造成影响，有利于保证工件镀膜质量，降低废品率。

以上为本发明提供的磁控溅射方法及装置的较佳实施方式，并不能理解为对本发明权利保护范围的限制，本领域的技术人员应该知晓，在不脱离本发明构思的前提下，还可做多种改进或替换，所有的该等改进或替换都应该在本发明的权利保护范围内，即本发明的权利保护范围应以权利要求为准。