1|# 第43 卷第11 期 2|- 学习日期：2026-04-14 3|- 源文件：/root/knowledge/理论资料参考/文献资料-高置信/源文件/文献/工艺参数相关/基于卷对卷矩形靶的溅射膜厚均匀性控制_黄云翔.pdf 4|- 摘要提取页数：≤20页 5|## 核心结论（初稿） 6|- 靶长/靶尺寸：外半径，L 为靶长 7|- 靶基距：先，在主辊静态条件下，改变靶材几何尺寸和靶基距 8|- 膜厚均匀性：基于卷对卷矩形靶的溅射膜厚均匀性 9|- 行进角/夹角：ds 的表面法线的溅射夹角 10| 11|## 关键信息（原文抽取片段） 12|``` 13|第43 卷第11 期 14|2015 年11 月 15|华南理工大学学报( 自然科学版) 16|Journal of South China University of Technology 17|( Natural Science Edition) 18|Vol．43 19|No．11 20|November 21|2015 22|收稿日期: 2015-04-10 23|* 基金项目: 广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目( 2012A032300009) ; 华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资 24|金资助项目( 2014ZM0025) 25|Foundation item: 26|Supported by the Strategic Emerging Industry Core Technology Ｒesearch Project of Guangdong Province 27|( 2012A032300009) 28|作者简介: 黄云翔( 1987-) ，男，博士生，主要从事薄膜太阳电池、溅射镀膜、电化学沉积等的研究．E-mail: 282092874@ qq．com 29|文章编号: 1000-565X( 2015) 11-0081-06 30|基于卷对卷矩形靶的溅射膜厚均匀性控制 31|* 32|黄云翔 33|1 34|温万昱 35|1 36|孙佳伟 37|1 38|槐创锋 39|1 40|曾海峰 41|2 42|钟褔回 43|2 44|( 1．华南理工大学表面功能结构先进制造广东普通高校重点实验室，广东广州510640; 45|2．阳江市汉能工业有限公司铜铟镓硒( CIGS) 薄膜太阳能电池研制及推广中心，广东阳江529533) 46|摘 47|要: 提出一种基于卷对卷矩形靶的溅射理论模型，借助Matlab 模拟仿真软件，对卷绕 48|柔性衬底( 宽度为100 mm，弯曲半径为100 mm，弯曲角为80°) 的膜厚均匀性进行分析．首 49|先，在主辊静态条件下，改变靶材几何尺寸和靶基距，研究此时膜厚均匀性误差的分布情 50|况，发现: 膜厚均匀性误差随着靶材几何尺寸的变大而整体减小; 随着靶基距的增大，均匀 51|性误差的中部先增大后减小，而两边一直减小．其次，在主辊动态条件下，固定靶材几何尺 52|寸，仅改变靶基距，研究此时膜厚均匀性误差的分布规律，发现: 随着靶基距的增大，膜厚 53|均匀性误差先增大后减小．仿真实验结果还表明，动态膜厚均匀性误差位于静态膜厚均匀 54|性误差分布曲线Max-Min 的中部极值点与该分布曲线上参考点均值之间．通过对文中模 55|型的仿真，可以较快地预测基于卷对卷矩形靶的动态膜厚均匀性误差范围，大大减少膜厚 56|均匀性的实验调试次数． 57|关键词: 矩形靶; 卷对卷; 真空磁控溅射; 膜厚均匀性; 仿真 58|中图分类号: TB43 59|doi: 10．3969 /j．issn．1000-565X．2015．11．012 60|真空磁控溅射镀膜法具有生产成本低、重复性 61|好和成膜表面质量高的优点，广泛应用于薄膜制备． 62|膜厚均匀性是衡量薄膜质量的一项重要指标，有效 63|地控制膜厚均匀性已成为溅射镀膜的一个技术难 64|点．通常，膜厚均匀性会受到磁控溅射源、靶材几何 65|尺寸、靶基距以及靶和基片之间相对运动的影响． 66|目前，通过数学建模和计算机仿真实验开展平 67|面基片膜厚均匀性的研究工作已比较普遍．Du 等 68|［1］ 69|根据cos 70|nθ 法则，采用数值分析方法，推导出了预测 71|非对称溅射膜厚分布的简单、有效的计算公式，避免 72|了过于繁琐的计算过程．Swann 等 73|［2］建立了圆形靶 74|膜厚分布的计算机数学模型，通过改变靶基距和偏 75|离对称轴距，研究膜厚均匀性的变化规律，并通过实 76|验验证了模型的有效性．Zhang 等 77|［3］建立了基于矩 78|形靶的膜厚分布模型，并运用Matlab 软件模拟仿 79|真，详细地分析了膜厚均匀性在不同靶材几何尺寸 80|和靶基距条件下的变化规律．Jiang 等 81|［4］建立了基于 82|旋转平面基片和步进圆形平面靶位相结合的膜厚分 83|布理论模型，模拟了大面积基片的膜厚均匀性在不 84|同的靶基距和基片与靶位相对速度比率下的沉积规 85|律．Fu 等 86|［5］建立了基于旋转平面基片的膜厚分布理 87|论模型，模拟了膜厚均匀性在不同的自转速度、公转 88|速度和靶基距下的变化规律．Fan 等 89|［6］建立了基于 90|对称磁体磁控溅射( SMMS) 设备的膜厚分布理论模 91|型，推导出了任意靶基距下的膜厚分布规律，该理论 92|模型可应用于其他维度的SMMS 系统．由此可见，计 93|算机模拟仿真是研究溅射膜厚均匀性的有效手段和 94|关键技术． 95| 96| 97|82 98|华南理工大学学报( 自然科学版) 99|第43 卷 100|相对于不连续的平面基片溅射镀膜方式，连续 101|化的卷对卷溅射镀膜具有降低生产成本和提高生产 102|效率的优势，目前已广泛应用于多种薄膜材料的制 103|备 104|［7-9］．在不连续的大面积批量化溅射镀膜生产中， 105|平面基片膜厚均匀性的控制可以通过使用大面积固 106|定矩形靶与往返移动载片工作台相结合的溅射系统 107|来实现，也可以通过利用小面积固定圆形靶( 单靶 108|或多靶) 与旋转载片工作台相结合的溅射系统来实 109|现．然而，目前大多数的关于连续化、批量化的卷绕 110|溅射镀膜系统的研究仅针对柔性基片上生长薄膜的 111|沉积参数，如溅射功率、溅射气压、不同气体比例和 112|衬底温度，对于卷对卷镀膜系统的薄膜均匀性控制 113|参数( 如靶材几何尺寸、靶基距和旋转速度) 却很少 114|涉及．卷绕溅射系统的膜厚分布理论数学模型也未 115|见报道． 116|有鉴于此，为了完善卷对卷的镀膜技术，文中在 117|原有平面基片矩形靶溅射的理论模型基础上，建立 118|一套卷绕基片矩形靶溅射的理论模型．运用Matlab 119|软件对该模型进行模拟仿真，研究靶材几何尺寸和 120|靶基距对卷绕基片溅射膜厚均匀性的影响，最后获 121|得卷绕矩形靶溅射膜厚均匀性的控制方法． 122|1 123|卷绕溅射模型的建立 124|图1 为卷绕基片矩形靶的溅射几何参数示意 125|图．图中h 为靶基距，d 为位于( X，Y，Z) 的面微元ds 126|和位于( x，y，z) 的面微元dσ 之间的距离，α 为d 与 127|ds 的表面法线的溅射夹角，θ 为d 与dσ 的表面法线 128|的沉积夹角，Ｒ为弯曲基片半径，r1 为内半径，r2 为 129|外半径，L 为靶长，为基片弯曲角． 130|图1 131|卷对卷矩形靶的溅射几何参数示意图 132|Fig．1 133|Schematic diagram of geometric parameters of roll-to-roll 134|rectangular target 135|根据图1 所示几何关系可得 136|cosα = h + z 137|d 138|( 1) 139|cosθ = X 140|2 + ( Y －y) 141|2 + ( h + Ｒ) 142|2 －Ｒ 143|2 －d 144|2 145|2Ｒd 146|( 2) 147|d 148|2 = ( X －x) 149|2 + ( Y －y) 150|2 + ( h + z) 151|2 152|( 3) 153|磁控溅射一般工作在0．1 ～0．5Pa 低气压下，以 154|减小离子之间的碰撞概率，提高沉积效率．在这种条 155|件下，有4 个假设 156|［10］可应用于平面矩形靶的磁控溅 157|射，具体如下: ( 1) 由于侵蚀区( 刻蚀痕迹) 附近分布 158|了很强的磁场线，所有来自靶材侵蚀区的溅射粒子 159|都均匀溅射且侵蚀速率恒定; ( 2) 电场线总是垂直 160|于导体表面，该路径上离子沿着电场线加速轰击靶 161|材的入射角假定为0°; ( 3) 假定沉积后沉积原子不 162|扩散，溅射粒子的角度分布满足余弦分布; ( 4) 溅射 163|粒子直接从靶面飞向基片，其沉积速率与距离d 成 164|反比，在这种情况下气体压力约为几帕斯卡． 165|根据平面基片溅射理论 166|［11-12］，膜厚可以通过式 167|( 4) 计算，而式( 4) 则由式( 5) －( 7) 化简得到: 168|dT = mcosαcosθ 169|ρd 170|2 171|ds 172|( 4) 173|dm' = mcosαdsdβ 174|( 5) 175|式中，T 为整个侵蚀区的沉积厚度，ρ 为沉积膜密度， 176|m'为沉积膜的质量，m 为侵蚀区面微元的单位溅射 177|质量，β 为立体角．β、m'和T 可分别由以下公式求得: 178|dβ = cosθ 179|d 180|2 dσ 181|( 6) 182|dm' = ρdTdσ 183|( 7) 184|T =  185|DXY 186|mcosαcosθ 187|ρd 188|2 189|dXdY 190|( 8) 191|式中，DXY为图2 所示的侵蚀区总面积． 192|通常，为了确保膜厚均匀性，会降低锐角效 193|应 194|［13］，限定矩形靶的几何参数关系，具体如下: 195|L /( 2r2) ≥3，r1≈r2 /3．这里，假定L /( 2r2) = 3，r1 = 196|r2 /3，如图2 所示． 197|图2 198|矩形靶的侵蚀区示意图 199|Fig．2 200|Schematic diagram of erosion zone of rectangular target 201| 202| 203|第11 期 204|黄云翔等: 基于卷对卷矩形靶的溅射膜厚均匀性控制 205|83 206|图3 给出了溅射沉积范围受到矩形靶几何形状 207|约束的示意图．当沉积角θ 为90°时，表面沉积厚度 208|为零，这意味着待沉积基片表面不在沉积范围之内． 209|因此，根据矩形靶和弯曲基片的特点，使实际矩形靶 210|宽度小于最大理论矩形靶宽度，即在S ＜Smax的约束 211|下，可保证整个侵蚀区内的有效沉积．溅射边界条件 212|可由式( 9) 表示: 213|Smax = r2，max = 214|Ｒ+ hmax － 215|Ｒ 216|cos( 217|/2 218|[ 219|] 220|) /tan( 221|/2) 222|( 9) 223|图3 224|卷对卷矩形靶的溅射范围示意图 225|Fig．3 226|Schematic diagram of sputtering scope of roll-to-roll rec- 227|tangular target 228|2 229|卷绕溅射的膜厚叠加原理 230|从图4 所示卷绕溅射的膜厚分布示意图可以看 231|到，将弯曲基片平铺后即是平面基片，基片上的膜厚 232|分布以网格为基础．溅射时，主辊不旋转即静态，每 233|一个网格的厚度由Tm，n表示．主辊旋转时即为动态， 234|图4 235|基于网格的基片膜厚分布示意图 236|Fig．4 237|Schematic diagram of thickness distribution ba 238|``` 239| 240|## 与既有知识的关系 241|- 对照：知识结晶中‘卷对卷矩形靶 125mm 最优靶长’与‘靶基距≈40mm’结论进行一致性核验。 242|- 预期：应给出边缘加强/补偿的功率分布或导轨设计要点。 243| ## 二次精读补充 - 均匀性指标：均匀性误差的却很小，约为8．3% - 文中出现 125 mm 靶长相关描述（与既有结论一致） - 文中出现 40 mm 靶基距相关描述（与既有结论一致） 来源：/root/knowledge/理论资料参考/文献资料-高置信/源文件/文献/工艺参数相关/基于卷对卷矩形靶的溅射膜厚均匀性控制_黄云翔.pdf