专利名称：一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统及其方法。
背景技术：
目前大面积磁控溅射镀膜应用越来越广泛，其技术核心就是对大尺寸连续反应溅射过程的精密控制，包括对镀膜腔室及其电路、气路的设计，系统参数的实时监控，薄膜厚度和性能指标的实时反馈等，特别对于吸收层反应溅射过程的控制，是整个镀膜工艺的难点所在。在反应溅射过程中，一种或多种反应气体(如氧气或氮气)被加入到溅射气氛中， 从而在基体上沉积生成靶材材料(一般是金属或合金，也可以是半导体单质，如硅，以下为简单起见，通称为“金属”)与气体的反应产物。反应溅射的一个重要特征是在真空泵抽速一定的情况下(适用于大部分真空溅射系统)，腔室气压(总气压或反应气体分压)随反应气体的气流量呈非线性变化，且大多具有不对称回滞线(Asymme-tric Hysteresis)特征。 这是由于清洁的靶体表面在反应初期能通过化学反应有效地“抽取”(“pumping”)反应气体，所以腔室气压几乎不增加或者增加缓慢，这时溅射的产物是富金属的混合物，这一阶段叫做第一稳定阶段或者“金属态阶段”。当反应气体气流量增加到一定程度，靶体表面反应的“抽气”速度不能跟上反应气体增加的速度，这时靶体表面完全被化合物覆盖而进入“中毒”("Poisoned")状态，“靶泵”消失，腔室气压激增，在气压-气流曲线上呈现跃升点，之后腔体气压随气流量的增加增长较快，曲线拐弯进入第二稳定阶段，此时溅射的产物完全是化合物，所以这一阶段也叫做“化合物阶段”。当从“化合物阶段”往下降低反应气体流量时，腔室气压最初是沿着跟它向上增长时相同的路径变化，到达与上次跃升点对应的气压值时并没有马上发生向下的跳跃，而是滞后一定程度在较低的气压值才发生，此时靶材“消毒”，“靶泵”重新工作，系统回到“金属态阶段”。这一回滞线特征是由于系统在靶材中毒和消毒两个动态状态下的不对称性造成的。由于选择性吸收膜层吸收层是梯度化的金属陶瓷薄膜，其沉积过程相当于先从富金属的B点开始(“B点沉积”)，逐渐增大反应气体流量，最终沿C点过渡到化合物阶段的 D点(“D点沉积”)(图1)。这一自然直观的思路使得气流控制成为选择性吸收膜层吸收层反应溅射控制的首选，也是现在应用比较成熟的一种控制方式。但是气流控制方式的缺点也很突出-因为它工作的BCD段曲线在稳定的“金属态阶段”和“化合物阶段”之间，是处于非稳态的过渡阶段，系统的气氛或者电路稍有变化(如气流量和真空泵抽速的起伏，靶体电压或功率的波动等)，就很容易导致反应沿曲线进入化合物态或金属态(“失稳”)，从而偏离吸收层需要的化学配比，影响涂层性能。另外，在化合物阶段工作不仅薄膜沉积速率大大降低，更严重的是，如果生成的化合物是绝缘体，靶材进入“中毒”状态后，电极表面被覆盖造成系统电路断开或者阳极消失，直流反应溅射过程被中断，还可以导致电弧放电，破坏靶材和真空系统。其他常用的控制方法还有电压控制。电压控制是在固定的反应气体流量和功率下，设定靶体电压值并在反应溅射进程中对其进行监控，其优点是电压监控信号可以直接从溅射电源获得(无花费)，其变化由等离子体阻抗变化引起，对给定体系发生反应溅射时变化的方向和幅度一定，变化速度快；其缺点是引起靶体电压变化的因素除了反应溅射中气体分压变化以外，还包括因漏气、放气和其他反应气体引起的等离子体成分变化。另外， 靶体损蚀，氩气气压和腔室温度波动，以及阳极消失等过程也可以引起等离子体阻抗变化而导致靶体电压偏离设定值。由于经济性往往是第一决定因素，目前国内大部分的镀膜工艺都采用气流控制。 减少气流控制中“失稳”发生的几率或频率，是目前镀膜工艺需要解决的关键问题。可能的解决办法包括选择回线平缓的溅射材料、多气体反应溅射、加大真空泵抽速等，但是，如果要实现大尺寸连续反应溅射镀膜，气流控制或电压控制不能满足精密度和生产效率的要求。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统及其方法，它满足大面积镀膜控制的精密度和生产效率的要求，通过分压感应器和闭合回路控制系统监控反应气体分压，在其发生变化时通过调节气流量使其回到设定值(图3)。 这种方法能够有效消除气流控制中的“失稳”问题，使得反应溅射过程能够在设定的化学配比下连续稳定地进行，有效解决大面积镀膜产品的厚度和性能的均勻性问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统，它包括溅射腔室，在溅射腔室内设有多个磁控靶，在磁控靶相应位置设有多个气体多歧管，每个气体多歧管对应一个多歧管区域， 在该区域设有分压监控装置，各气体多歧管与气流计控制器连接；所述分压监控装置分别与相应的平衡设定点通道连接，平衡设定点通道与气流计控制器连接，组成闭环控制系统。
所述分压监控装置为平行光管。一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统的方法，它通过分压控制方式，即采用多个气体多歧管给大尺寸基体均勻提供反应气体，并在每一个多歧管区域安置分压监控装置，通过对溅射腔室中的反应气体分压进行监控，用实时测量特定等离子体组元光学发射谱的方法来确定反应气体分压的相对大小，与设定点相比较后，通过反馈电路给气流计控制器发出指令，调节反映气体进气量以控制反应溅射在设定成分下进行，在气体气流、分压参数空间的任意一点进行连续的反应溅射。本发明通过采用多个气体多歧管给大尺寸基体均勻提供反应气体，并在每一个多歧管区域安置分压监控装置，通过对溅射腔室中的反应气体分压进行监控，用实时测量特定等离子体组元光学发射谱的方法(采用平行光管)来确定氧气分压的相对大小，与设定点相比较后，通过反馈电路给气流计控制器发出指令，调节反映气体进气量以控制反应溅射在设定成分下进行。本发明的优点是能够有效消除气流控制中的“失稳”问题，使得反应溅射过程能够在设定的化学配比下连续稳定地进行，解决大面积镀膜时出现的厚度和性能不均勻问题； 并可以在气体参数空间(气流、分压)的任意一点进行连续的反应溅射，从而拥有最大的涂层设计自由度和优异的生产效率。
图1为现有选择性吸收膜层吸收层沉积过程图；图2为气体流量和其分压的关系；图3为分压系统图；图4为气体多歧管结构图；图5为连续化镀膜厚度随位置变化的关系。其中，1磁控靶，2气体多歧管，3气流计控制器，4.平行光管，5.平衡设定点通道。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图3、图4中，它包括溅射腔室，在溅射腔室内设有多个磁控靶1，在磁控靶1相应位置设有多个气体多歧管2，每个气体多歧管2对应一个多歧管区域，在该区域设有分压监控装置，各气体多歧管2与气流计控制器3连接；所述分压监控装置分别与相应的平衡设定点通道5连接，平衡设定点通道与气流计控制器3连接，组成闭环控制系统。所述分压监控装置为平行光管4。分压控制大面积磁控溅射镀膜系统的方法它通过分压控制方式，即采用多个气体多歧管给大尺寸基体均勻提供反应气体，并在每一个多歧管区域安置分压监控装置，通过对溅射腔室中的反应气体分压进行监控，用实时测量特定等离子体组元光学发射谱的方法来确定反应气体分压的相对大小，与设定点相比较后，通过反馈电路给气流计控制器发出指令，调节反映气体进气量以控制反应溅射在设定成分下进行，在气体气流、分压参数空间的任意一点进行连续的反应溅射。图2中所示是在某真空系统中保持氧气和氮气分压相等的情况下，TiOxNy反应溅射过程中反应气体流量和其分压的关系。通过同时控制氧气和氮气分压，可以在气体参数空间(气流、分压)的任意一点进行连续的反应溅射，从而拥有最大的涂层设计自由度和优异的生产效率。通过分压控制方式是采用多个气体多歧管给大尺寸基体均勻提供反应气体，并在每一个多歧管区域安置分压监控装置，通过对溅射腔室中的反应气体分压进行监控，用实时测量特定等离子体组元光学发射谱的方法(采用平行光管)来确定反映气体分压的相对大小，与设定点相比较后，通过反馈电路给气流计控制器发出指令，调节反映气体进气量以控制反应溅射在设定成分下进行(图3)。在靶的长度方向/基体的宽度方向上安装了三个气体多歧管(具体结构见图3)， 并在每个多歧管(图4)附近设置平行光管为分压控制系统收集等离子体光学信号，这样的话，能够保证在大尺寸的基体上实现厚度均勻、成分准确的连续化镀膜。图5是三种膜系使用气体多歧管和区域分压监控以后，基体上连续化镀膜厚度随位置变化的关系，在0 1200nm宽度范围内，薄膜厚度的均勻度在士 1. 5%。
权利要求
1.一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统，其特征是，它包括溅射腔室，在溅射腔室内设有多个磁控靶，在磁控靶相应位置设有多个气体多歧管，每个气体多歧管对应一个多歧管区域，在该区域设有分压监控装置，各气体多歧管与气流计控制器连接；所述分压监控装置分别与相应的平衡设定点通道连接，平衡设定点通道与气流计控制器连接，组成闭环控制系统。
2.如权利要求1所述的分压控制大面积磁控溅射镀膜系统，其特征是，所述分压监控装置为平行光管。
3.一种采用权利要求1所述分压控制大面积磁控溅射镀膜系统的方法，其特征是，它通过分压控制方式，即采用多个气体多歧管给大尺寸基体均勻提供反应气体，并在每一个多歧管区域安置分压监控装置，通过对溅射腔室中的反应气体分压进行监控，用实时测量特定等离子体组元光学发射谱的方法来确定反应气体分压的相对大小，与设定点相比较后，通过反馈电路给气流计控制器发出指令，调节反映气体进气量以控制反应溅射在设定成分下进行，在气体气流、分压参数空间的任意一点进行连续的反应溅射。
全文摘要
本发明涉及一种分压控制大面积磁控溅射镀膜系统及其方法，它通过分压感应器和闭合回路控制系统监控反应气体分压，在其发生变化时通过调节气流量使其回到设定值(图3)。这种方法能够有效消除气流控制中的“失稳”问题，使得反应溅射过程能够在设定的化学配比下连续稳定地进行，有效解决大面积镀膜产品的厚度和性能的均匀性问题。它包括溅射腔室，在溅射腔室内设有多个磁控靶，在磁控靶相应位置设有多个气体多歧管，每个气体多歧管对应一个多歧管区域，在该区域设有分压监控装置，各气体多歧管与气流计控制器连接；所述分压监控装置分别与相应的平衡设定点通道连接，平衡设定点通道与气流计控制器连接，组成闭环控制系统。
文档编号C23C14/35GK102220563SQ20111012520
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者于洪文, 何晓倩, 安利娟, 张艳丽, 李宝山, 李春江, 陈志鹏, 马兵 申请人:山东桑乐光热设备有限公司