專利名稱：一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
目前大面積磁控濺射鍍膜應(yīng)用越來越廣泛，其技術(shù)核心就是對大尺寸連續(xù)反應(yīng)濺射過程的精密控制，包括對鍍膜腔室及其電路、氣路的設(shè)計，系統(tǒng)參數(shù)的實時監(jiān)控，薄膜厚度和性能指標(biāo)的實時反饋等，特別對于吸收層反應(yīng)濺射過程的控制，是整個鍍膜工藝的難點所在。在反應(yīng)濺射過程中，一種或多種反應(yīng)氣體(如氧氣或氮氣)被加入到濺射氣氛中， 從而在基體上沉積生成靶材材料(一般是金屬或合金，也可以是半導(dǎo)體單質(zhì)，如硅，以下為簡單起見，通稱為“金屬”)與氣體的反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)濺射的一個重要特征是在真空泵抽速一定的情況下(適用于大部分真空濺射系統(tǒng))，腔室氣壓(總氣壓或反應(yīng)氣體分壓)隨反應(yīng)氣體的氣流量呈非線性變化，且大多具有不對稱回滯線(Asymme-tric Hysteresis)特征。 這是由于清潔的靶體表面在反應(yīng)初期能通過化學(xué)反應(yīng)有效地“抽取”(“pumping”)反應(yīng)氣體，所以腔室氣壓幾乎不增加或者增加緩慢，這時濺射的產(chǎn)物是富金屬的混合物，這一階段叫做第一穩(wěn)定階段或者“金屬態(tài)階段”。當(dāng)反應(yīng)氣體氣流量增加到一定程度，靶體表面反應(yīng)的“抽氣”速度不能跟上反應(yīng)氣體增加的速度，這時靶體表面完全被化合物覆蓋而進入“中毒”("Poisoned")狀態(tài)，“靶泵”消失，腔室氣壓激增，在氣壓-氣流曲線上呈現(xiàn)躍升點，之后腔體氣壓隨氣流量的增加增長較快，曲線拐彎進入第二穩(wěn)定階段，此時濺射的產(chǎn)物完全是化合物，所以這一階段也叫做“化合物階段”。當(dāng)從“化合物階段”往下降低反應(yīng)氣體流量時，腔室氣壓最初是沿著跟它向上增長時相同的路徑變化，到達與上次躍升點對應(yīng)的氣壓值時并沒有馬上發(fā)生向下的跳躍，而是滯后一定程度在較低的氣壓值才發(fā)生，此時靶材“消毒”，“靶泵”重新工作，系統(tǒng)回到“金屬態(tài)階段”。這一回滯線特征是由于系統(tǒng)在靶材中毒和消毒兩個動態(tài)狀態(tài)下的不對稱性造成的。由于選擇性吸收膜層吸收層是梯度化的金屬陶瓷薄膜，其沉積過程相當(dāng)于先從富金屬的B點開始(“B點沉積”)，逐漸增大反應(yīng)氣體流量，最終沿C點過渡到化合物階段的 D點(“D點沉積”)(圖1)。這一自然直觀的思路使得氣流控制成為選擇性吸收膜層吸收層反應(yīng)濺射控制的首選，也是現(xiàn)在應(yīng)用比較成熟的一種控制方式。但是氣流控制方式的缺點也很突出-因為它工作的BCD段曲線在穩(wěn)定的“金屬態(tài)階段”和“化合物階段”之間，是處于非穩(wěn)態(tài)的過渡階段，系統(tǒng)的氣氛或者電路稍有變化(如氣流量和真空泵抽速的起伏，靶體電壓或功率的波動等)，就很容易導(dǎo)致反應(yīng)沿曲線進入化合物態(tài)或金屬態(tài)(“失穩(wěn)”)，從而偏離吸收層需要的化學(xué)配比，影響涂層性能。另外，在化合物階段工作不僅薄膜沉積速率大大降低，更嚴重的是，如果生成的化合物是絕緣體，靶材進入“中毒”狀態(tài)后，電極表面被覆蓋造成系統(tǒng)電路斷開或者陽極消失，直流反應(yīng)濺射過程被中斷，還可以導(dǎo)致電弧放電，破壞靶材和真空系統(tǒng)。其他常用的控制方法還有電壓控制。電壓控制是在固定的反應(yīng)氣體流量和功率下，設(shè)定靶體電壓值并在反應(yīng)濺射進程中對其進行監(jiān)控，其優(yōu)點是電壓監(jiān)控信號可以直接從濺射電源獲得(無花費)，其變化由等離子體阻抗變化引起，對給定體系發(fā)生反應(yīng)濺射時變化的方向和幅度一定，變化速度快；其缺點是引起靶體電壓變化的因素除了反應(yīng)濺射中氣體分壓變化以外，還包括因漏氣、放氣和其他反應(yīng)氣體引起的等離子體成分變化。另外， 靶體損蝕，氬氣氣壓和腔室溫度波動，以及陽極消失等過程也可以引起等離子體阻抗變化而導(dǎo)致靶體電壓偏離設(shè)定值。由于經(jīng)濟性往往是第一決定因素，目前國內(nèi)大部分的鍍膜工藝都采用氣流控制。 減少氣流控制中“失穩(wěn)”發(fā)生的幾率或頻率，是目前鍍膜工藝需要解決的關(guān)鍵問題?？赡艿慕鉀Q辦法包括選擇回線平緩的濺射材料、多氣體反應(yīng)濺射、加大真空泵抽速等，但是，如果要實現(xiàn)大尺寸連續(xù)反應(yīng)濺射鍍膜，氣流控制或電壓控制不能滿足精密度和生產(chǎn)效率的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及其方法，它滿足大面積鍍膜控制的精密度和生產(chǎn)效率的要求，通過分壓感應(yīng)器和閉合回路控制系統(tǒng)監(jiān)控反應(yīng)氣體分壓，在其發(fā)生變化時通過調(diào)節(jié)氣流量使其回到設(shè)定值(圖3)。 這種方法能夠有效消除氣流控制中的“失穩(wěn)”問題，使得反應(yīng)濺射過程能夠在設(shè)定的化學(xué)配比下連續(xù)穩(wěn)定地進行，有效解決大面積鍍膜產(chǎn)品的厚度和性能的均勻性問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，它包括濺射腔室，在濺射腔室內(nèi)設(shè)有多個磁控靶，在磁控靶相應(yīng)位置設(shè)有多個氣體多歧管，每個氣體多歧管對應(yīng)一個多歧管區(qū)域， 在該區(qū)域設(shè)有分壓監(jiān)控裝置，各氣體多歧管與氣流計控制器連接；所述分壓監(jiān)控裝置分別與相應(yīng)的平衡設(shè)定點通道連接，平衡設(shè)定點通道與氣流計控制器連接，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
所述分壓監(jiān)控裝置為平行光管。一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的方法，它通過分壓控制方式，即采用多個氣體多歧管給大尺寸基體均勻提供反應(yīng)氣體，并在每一個多歧管區(qū)域安置分壓監(jiān)控裝置，通過對濺射腔室中的反應(yīng)氣體分壓進行監(jiān)控，用實時測量特定等離子體組元光學(xué)發(fā)射譜的方法來確定反應(yīng)氣體分壓的相對大小，與設(shè)定點相比較后，通過反饋電路給氣流計控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)反映氣體進氣量以控制反應(yīng)濺射在設(shè)定成分下進行，在氣體氣流、分壓參數(shù)空間的任意一點進行連續(xù)的反應(yīng)濺射。本發(fā)明通過采用多個氣體多歧管給大尺寸基體均勻提供反應(yīng)氣體，并在每一個多歧管區(qū)域安置分壓監(jiān)控裝置，通過對濺射腔室中的反應(yīng)氣體分壓進行監(jiān)控，用實時測量特定等離子體組元光學(xué)發(fā)射譜的方法(采用平行光管)來確定氧氣分壓的相對大小，與設(shè)定點相比較后，通過反饋電路給氣流計控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)反映氣體進氣量以控制反應(yīng)濺射在設(shè)定成分下進行。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠有效消除氣流控制中的“失穩(wěn)”問題，使得反應(yīng)濺射過程能夠在設(shè)定的化學(xué)配比下連續(xù)穩(wěn)定地進行，解決大面積鍍膜時出現(xiàn)的厚度和性能不均勻問題； 并可以在氣體參數(shù)空間(氣流、分壓)的任意一點進行連續(xù)的反應(yīng)濺射，從而擁有最大的涂層設(shè)計自由度和優(yōu)異的生產(chǎn)效率。


圖1為現(xiàn)有選擇性吸收膜層吸收層沉積過程圖；圖2為氣體流量和其分壓的關(guān)系；圖3為分壓系統(tǒng)圖；圖4為氣體多歧管結(jié)構(gòu)圖；圖5為連續(xù)化鍍膜厚度隨位置變化的關(guān)系。其中，1磁控靶，2氣體多歧管，3氣流計控制器，4.平行光管，5.平衡設(shè)定點通道。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。圖3、圖4中，它包括濺射腔室，在濺射腔室內(nèi)設(shè)有多個磁控靶1，在磁控靶1相應(yīng)位置設(shè)有多個氣體多歧管2，每個氣體多歧管2對應(yīng)一個多歧管區(qū)域，在該區(qū)域設(shè)有分壓監(jiān)控裝置，各氣體多歧管2與氣流計控制器3連接；所述分壓監(jiān)控裝置分別與相應(yīng)的平衡設(shè)定點通道5連接，平衡設(shè)定點通道與氣流計控制器3連接，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。所述分壓監(jiān)控裝置為平行光管4。分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的方法它通過分壓控制方式，即采用多個氣體多歧管給大尺寸基體均勻提供反應(yīng)氣體，并在每一個多歧管區(qū)域安置分壓監(jiān)控裝置，通過對濺射腔室中的反應(yīng)氣體分壓進行監(jiān)控，用實時測量特定等離子體組元光學(xué)發(fā)射譜的方法來確定反應(yīng)氣體分壓的相對大小，與設(shè)定點相比較后，通過反饋電路給氣流計控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)反映氣體進氣量以控制反應(yīng)濺射在設(shè)定成分下進行，在氣體氣流、分壓參數(shù)空間的任意一點進行連續(xù)的反應(yīng)濺射。圖2中所示是在某真空系統(tǒng)中保持氧氣和氮氣分壓相等的情況下，TiOxNy反應(yīng)濺射過程中反應(yīng)氣體流量和其分壓的關(guān)系。通過同時控制氧氣和氮氣分壓，可以在氣體參數(shù)空間(氣流、分壓)的任意一點進行連續(xù)的反應(yīng)濺射，從而擁有最大的涂層設(shè)計自由度和優(yōu)異的生產(chǎn)效率。通過分壓控制方式是采用多個氣體多歧管給大尺寸基體均勻提供反應(yīng)氣體，并在每一個多歧管區(qū)域安置分壓監(jiān)控裝置，通過對濺射腔室中的反應(yīng)氣體分壓進行監(jiān)控，用實時測量特定等離子體組元光學(xué)發(fā)射譜的方法(采用平行光管)來確定反映氣體分壓的相對大小，與設(shè)定點相比較后，通過反饋電路給氣流計控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)反映氣體進氣量以控制反應(yīng)濺射在設(shè)定成分下進行(圖3)。在靶的長度方向/基體的寬度方向上安裝了三個氣體多歧管(具體結(jié)構(gòu)見圖3)， 并在每個多歧管(圖4)附近設(shè)置平行光管為分壓控制系統(tǒng)收集等離子體光學(xué)信號，這樣的話，能夠保證在大尺寸的基體上實現(xiàn)厚度均勻、成分準確的連續(xù)化鍍膜。圖5是三種膜系使用氣體多歧管和區(qū)域分壓監(jiān)控以后，基體上連續(xù)化鍍膜厚度隨位置變化的關(guān)系，在0 1200nm寬度范圍內(nèi)，薄膜厚度的均勻度在士 1. 5%。
權(quán)利要求
1.一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其特征是，它包括濺射腔室，在濺射腔室內(nèi)設(shè)有多個磁控靶，在磁控靶相應(yīng)位置設(shè)有多個氣體多歧管，每個氣體多歧管對應(yīng)一個多歧管區(qū)域，在該區(qū)域設(shè)有分壓監(jiān)控裝置，各氣體多歧管與氣流計控制器連接；所述分壓監(jiān)控裝置分別與相應(yīng)的平衡設(shè)定點通道連接，平衡設(shè)定點通道與氣流計控制器連接，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，其特征是，所述分壓監(jiān)控裝置為平行光管。
3.一種采用權(quán)利要求1所述分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的方法，其特征是，它通過分壓控制方式，即采用多個氣體多歧管給大尺寸基體均勻提供反應(yīng)氣體，并在每一個多歧管區(qū)域安置分壓監(jiān)控裝置，通過對濺射腔室中的反應(yīng)氣體分壓進行監(jiān)控，用實時測量特定等離子體組元光學(xué)發(fā)射譜的方法來確定反應(yīng)氣體分壓的相對大小，與設(shè)定點相比較后，通過反饋電路給氣流計控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)反映氣體進氣量以控制反應(yīng)濺射在設(shè)定成分下進行，在氣體氣流、分壓參數(shù)空間的任意一點進行連續(xù)的反應(yīng)濺射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分壓控制大面積磁控濺射鍍膜系統(tǒng)及其方法，它通過分壓感應(yīng)器和閉合回路控制系統(tǒng)監(jiān)控反應(yīng)氣體分壓，在其發(fā)生變化時通過調(diào)節(jié)氣流量使其回到設(shè)定值(圖3)。這種方法能夠有效消除氣流控制中的“失穩(wěn)”問題，使得反應(yīng)濺射過程能夠在設(shè)定的化學(xué)配比下連續(xù)穩(wěn)定地進行，有效解決大面積鍍膜產(chǎn)品的厚度和性能的均勻性問題。它包括濺射腔室，在濺射腔室內(nèi)設(shè)有多個磁控靶，在磁控靶相應(yīng)位置設(shè)有多個氣體多歧管，每個氣體多歧管對應(yīng)一個多歧管區(qū)域，在該區(qū)域設(shè)有分壓監(jiān)控裝置，各氣體多歧管與氣流計控制器連接；所述分壓監(jiān)控裝置分別與相應(yīng)的平衡設(shè)定點通道連接，平衡設(shè)定點通道與氣流計控制器連接，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
文檔編號C23C14/35GK102220563SQ20111012520
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者于洪文, 何曉倩, 安利娟, 張艷麗, 李寶山, 李春江, 陳志鵬, 馬兵 申請人:山東桑樂光熱設(shè)備有限公司