CN102677011B - 非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔（1）和控制柜（3），真空腔（1）下方设有真空控制柜（2），控制柜（3）上设有手动操作界面（4）和全自动操作界面（5），真空腔（1）上设有侧开式炉门（18），真空控制柜（2）后方设有氩气瓶（8）和氮气瓶（9），真空控制柜（2）后面设有气体压力表（10），还内设有气体流量反馈***（16）与气体压力表（10）相连。本发明设有气体流量反馈***，通过辉光放电的光谱信号来确定反应气体浓度，分析、判断出气体流量速率的调整范围，精确的对气体流量控制器进行调整，使通入气体压力保持最佳状态，保证薄膜的致密度和附着性。
Description
技术领域
本发明涉及一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，属于非平衡磁控溅射沉积技术领域。
背景技术
现在很多材料在使用前都需要进行镀膜处理。现在几乎任何材料都可以通过真空镀膜技术涂覆到其他材料表面上，为真空镀膜技术在各种工业领域中的应用开辟了更加广阔的前景。在材料表面上，镀上一层薄膜，就能使该种材料具有许多新的物理和化学性能。真空下制备薄膜，环境清洁，膜不易受污染，可获得致密性好、纯度高、膜厚均匀的涂层。磁控溅射真空镀膜溅射出来的粒子能量为几十电子伏特，粒子能量大，因而薄膜与基体结合较好，薄膜致密度较高；溅射后沉积速率高，基体温升小；可以沉积高熔点金属、合金及化合物材料，溅射范围广；能实现大面积靶材的溅射沉积，且沉积面积大、均匀性好；操作简单，工艺重复性好，易于实现工艺控制自动化。这些更为磁控溅射提供了非常客观的发展前景。
薄膜沉积技术主要包括化学气相沉积和物理气相沉积，化学气相沉积由于沉积温度高，使其应用受到了一定的限制，物理气相沉积由于沉积温度低，可应用的基材范围广，薄膜质量也相对易于控制；物理气相沉积主要包括真空镀膜和溅射沉积，溅射方式有射频溅射、三极溅射和磁控溅射，磁控溅射相对于其它两种溅射方式有较高的镀膜速率，磁控溅射从最初的常见磁控、平衡磁控发展到分平衡磁控，目前非平衡磁控与多源闭合磁场结合，使真空室的离子体密度得到提高，离子轰击效果增强，可获得更佳的镀膜质量。
但是在实际工作中对氩气和氮气的气体流量不易掌控，而气分压大小是影响薄膜质量和附着速率的重要因素。溅射压力较小时，溅射出来的原子和气体分子的碰撞次数减少，损失能量较小，可以提高沉积原子与基本的扩散能力，从而提高薄膜的致密度和附着性；如果溅射气体压力过小，导致溅射靶材原子数目过少，薄膜沉积速率降低，起辉不足；如果溅射气压过高，靶材原子与气体碰撞次数增加，损失能量过多，造成沉积基体的靶材原子能量过低，影响膜层的致密性和附着力。以往通常是经过实验分析后，手动调节气体流量控制器，并不能完全精确的调节出气体通入后压力在一个最佳状态。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，它设有气体流量反馈***，通过辉光放电的光谱信号来确定反应气体浓度，分析、判断出气体流量速率的调整范围，精确的对气体流量控制器进行调整，使通入气体压力保持在最佳状态，保证薄膜的致密度和附着性。
本发明的技术方案：一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔和控制柜，真空腔下方设有真空控制柜，控制柜上设有手动操作界面和全自动操作界面，真空腔上设有侧开式炉门，真空控制柜后方设有氩气瓶和氮气瓶，真空控制柜后面设有气体压力表，还内设有气体流量反馈***与气体压力表相连。由于设有气体流量反馈***，可以通过辉光放电的光谱信号来确定气体浓度，分析、判断出气体流量速率的调整范围，精确的对气体流量控制器进行调整，使通入气体压力在一个合适的范围内，保证薄膜的致密度和附着性。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，真空控制柜上设有惰性气体流量计和单色仪，真空腔上方设有真空计。由于设有单色仪可以监控真空室内溅射出的金属，给出信号控制反应气体的流量；由于设有真空计可以将真空室的真空信号传递给真空仪。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，手动操作界面上设有真空仪、气体流量控制器、反映气体控制器、手动与自动切换开关和偏压检测器。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，气体流量反馈***包括光谱仪、分光计和光谱监视器，光谱仪设于真空腔内，光谱仪与分光计相连，分光计与光谱监视器相连，光谱监视器与气体流量控制器相连。由于设有光谱仪，可以对靶材上的辉光放电产生的光信号进行捕捉；由于设有分光计，可以对光谱进行过滤，保存特征光谱；由于设有光谱监视器，可以将特征光谱的分析结果显示出来，更加清楚的反映调整范围。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，真空腔内真空度为10-1Pa～10-2Pa。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，侧开式炉门外设有圆盘把手。由于侧开式炉门上设有圆盘把手，可以使炉门更加方便开启。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，圆盘把手上上设有锁紧把，圆盘把上还设有观察窗。由于设有观察窗，更加便于真空腔内溅射过程的观察。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，真空腔内设有支撑平台，支撑平台上方设有工作架，支撑平台下方设有滑动轨道台，滑动导轨台下方设有加热管。由于设有轨道，方便了对工作架的取放。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，真空腔四周设有磁靶，靶材上设有销钉、靶材把手和冷却水管。由于设有靶材把手方便了靶材的取放，由于设有冷却水管，使靶材工作中可以得到循环冷却。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，真空控制柜包括扩散泵、罗茨泵和机械泵。为了满足真空室高真空要求，设为三级抽气装置。
前述的非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备中，溅射炉体内额定电压为100V～500V，额定功率为50KW。
与现有技术相比，本发明由于设有气体流量反馈***，可以通过辉光放电的光谱信号来确定气体浓度，分析、判断出气体流量速率的调整范围，精确的对气体流量控制器进行调整，使通入气体压力在一个合适的范围内，保证薄膜的致密度和附着性；由于设有单色仪可以监控真空室内溅射出的金属，给出信号控制反应气体的流量；由于设有真空计可以将真空室的真空信号传递给真空仪；由于设有光谱仪，可以对靶材上的辉光放电产生的光信号进行捕捉；由于设有分光计，可以对光谱进行过滤，保存特征光谱；由于设有光谱监视器，可以将特征光谱的分析结果显示出来，更加清楚的反映调整范围；由于侧开式炉门上设有圆盘把手，可以使炉门更加方便开启；由于设有观察窗，更加便于溅射过程的观察；由于设有轨道，方便了对工作架的取放；由于设有靶材把手方便了靶材的取放，由于设有冷却水管，使靶材工作中可以得到循环冷却；为了满足真空室高真空要求，设为三级抽气装置。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的后视图；
图3是本发明控制柜的结构示意图；
图4是本发明气体反馈***图；
图5是本发明真空腔上侧开式炉门的结构示意图；
图6是本发明的侧门把手的结构示意图；
图7是本发明的真空腔内部结构示意图；
图8是本发明靶材结构示意图。
附图中的标记为：1-真空腔，2-真空控制柜，3-控制柜，4-手动操作界面，5-全自动操作界面，6-单色仪，7-真空计，8-氩气瓶，9-氮气瓶，10-气体压力表，11-惰性气体流量计，12-真空仪，13-气体流量控制器，14-反映气体控制器，15-手动与自动切换开关，16-偏压检测器，17-气体流量反馈***，18-光谱仪，19-分光计，20-光谱监视器，21-侧开式炉门，22-圆盘把手，23-锁紧把，24-观察窗，25-滑动轨道台，26-加热管，27-支撑平台，28-工作架，29-销钉，30-靶材把手，31-冷却水管，32-靶材。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例1：如图1、图2所示，一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔1和控制柜3，真空腔1下方设有真空控制柜2，控制柜3上设有手动操作界面4和全自动操作界面5，真空腔1上设有侧开式炉门23，真空控制柜2后方设有氩气瓶8和氮气瓶9，真空控制柜2后面设有气体压力表10，还内设有气体流量反馈***17与气体压力表10相连。真空控制柜2包括扩散泵、罗茨泵和机械泵；真空控制柜2上设有惰性气体流量计11和单色仪6；真空腔1上方设有真空计7。真空腔1内真空度为10-1Pa。
如图3所示，手动操作界面4上设有真空仪12、气体流量控制开关13、反映气体控制器14、手动与自动切换开关15和偏压检测器16。
如图4所示，气体流量反馈***17包括光谱仪18、分光计19和光谱监视器20，光谱仪18设于真空腔1内，光谱仪18与分光计19相连，分光计19与光谱监视器20相连，光谱监视器20与气体压力表10相连。
如图5所示，侧开式炉门21外设有圆盘把手22。
如图6所示，圆盘把手上22上设有锁紧把23和观察窗24。
如图7所示，真空腔1内设有支撑平台27，支撑平台上方设有工作架28，支撑平台27下方设有滑动轨道台25，滑动导轨台25下方设有加热管26。
如图8所示，侧开式炉门23处设有靶材32，靶材32上设有销钉29、靶材把手30和冷却水管31。
本发明的实施例2：如图1、图2所示，一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔1和控制柜3，真空腔1下方设有真空控制柜2，控制柜3上设有手动操作界面4和全自动操作界面5，真空腔1上设有侧开式炉门23，真空控制柜2后方设有氩气瓶8和氮气瓶9，真空控制柜2后面设有气体压力表10，还内设有气体流量反馈***17与气体压力表10相连。真空控制柜2包括扩散泵、罗茨泵和机械泵；真空控制柜2上设有惰性气体流量计11和单色仪6；真空腔1上方设有真空计7。真空腔1内真空度为10-1Pa。
如图3所示，手动操作界面4上设有真空仪12、气体流量控制开关13、反映气体控制器14、手动与自动切换开关15和偏压检测器16。
如图4所示，气体流量反馈***17包括光谱仪18、分光计19和光谱监视器20，光谱仪18设于真空腔1内，光谱仪18与分光计19相连，分光计19与光谱监视器20相连，光谱监视器20与气体压力表10相连。
如图5所示，侧开式炉门21外设有圆盘把手22。
如图6所示，圆盘把手上22上设有锁紧把23和观察窗24。
如图7所示，真空腔1内设有支撑平台27，支撑平台上方设有工作架28，支撑平台27下方设有滑动轨道台25，滑动导轨台25下方设有加热管26。
如图8所示，侧开式炉门23处设有靶材32，靶材32上设有销钉29、靶材把手30和冷却水管31。
本发明的实施例3：如图1、图2所示，一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔1和控制柜3，真空腔1下方设有真空控制柜2，控制柜3上设有手动操作界面4和全自动操作界面5，真空腔1上设有侧开式炉门23，真空控制柜2后方设有氩气瓶8和氮气瓶9，真空控制柜2后面设有气体压力表10，还内设有气体流量反馈***17与气体压力表10相连。真空控制柜2包括扩散泵、罗茨泵和机械泵；真空控制柜2上设有惰性气体流量计11和单色仪6；真空腔1上方设有真空计7。真空腔1内真空度为10-2Pa。
如图3所示，手动操作界面4上设有真空仪12、气体流量控制开关13、反映气体控制器14、手动与自动切换开关15和偏压检测器16。
如图4所示，气体流量反馈***17包括光谱仪18、分光计19和光谱监视器20，光谱仪18设于真空腔1内，光谱仪18与分光计19相连，分光计19与光谱监视器20相连，光谱监视器20与气体压力表10相连。
如图5所示，侧开式炉门21外设有圆盘把手22。
如图6所示，圆盘把手上22上设有锁紧把23和观察窗24。
如图7所示，真空腔1内设有支撑平台27，支撑平台上方设有工作架28，支撑平台27下方设有滑动轨道台25，滑动导轨台25下方设有加热管26。
如图8所示，侧开式炉门23处设有靶材32，靶材32上设有销钉29、靶材把手30和冷却水管31。
外形尺寸（长×宽×高）：4.0×4.0×2.6m；主机：1.5×1.4×2.4m；控制柜：2.0×0.8×2.2m；制冷机：1.0×0.7×2.0m；额定功率：50KW；额定电压：400V（±10％）；炉体实际尺寸（直径×高）：Φ700×1000mm；炉腔有效尺寸：Φ500×700mm；炉门开启方式：侧开；炉体冷却方式：水冷；炉体设计允许最大载荷：500Kg；公转台直径：450mm；自转装卡台设计允许最大载荷：100Kg；自转装卡台数量：6；靶位数：4；靶材尺寸（长×宽）：725×175mm；高精度测温热电偶数量：2；炉体观察窗数量：3；6KW Advanced Energy PNCL 靶电源（精度±0.01A）：4台；10KW Advanced Energy PNCL 偏压电源（精度±1V）：1台；机械泵（BOC Edwrds原装泵）：E2M40；罗茨泵（BOC Edwrds原装泵）：EH500；扩散泵（BOC Edwrds原装泵）：B35032978；高真空计：WRG-S；前级真空计：APGX-M-NW16；真空连接锁：IS16K；设计镀膜其实真空度：4.0×10-3Pa；极限真空度：1.4×10-4Pa；冷态漏气率：2.0×10-1Pa/h；抽真空时间（达到镀膜起始真空度）：<30min；多通道气体流量控制器（BOC Edwrds原装泵）：4通道；气体质量流量控制器（美国MKS原装，0.1SCCM）：3个； PLC（德国Vipa原装，军品级）；工业控制计算机（Dell，军品级，DVD刻录）；操作***（中文版Windows Xp Pro）；远程控制（附带PC Anyway软件级随机Modem）；USP不间断电源（1500W·H）；实时控制/数据采集功能。
本发明的工作原理：真空腔1抽至高真空后，打开流量控制器13，通入氩气和氮气，气体压力表10显示真空腔1内气体压力，通过气体流量反馈***17对真空腔1内的氩气量进行检测，控制氩气流量控制器13，保证真空度在10-1～10-3Pa，溅射靶材施加50～500V的负电压，产生辉光放电，氩离子轰击溅射靶材表面，使溅射靶材原子从靶表面溅射下来，向基片迁移。迁移过程中部分被电离，并在基片负偏压的作用下沉积于基片，形成膜层。镀膜过程中可以通过观察窗进行观察。
Claims (2)
1.一种非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，包括真空腔（1）和控制柜（3），其特征在于：真空腔（1）下方设有真空控制柜（2），控制柜（3）上设有手动操作界面（4）和全自动操作界面（5），真空腔（1）上设有侧开式炉门（23），真空控制柜（2）后方设有氩气瓶（8）和氮气瓶（9），真空控制柜（2）后面设有气体压力表（10），还内设有气体流量反馈***（17）与气体压力表（10）相连；真空控制柜（2）上设有惰性气体流量计（11）和单色仪（6），真空腔（1）上方设有真空计（7）；手动操作界面（4）上设有真空仪（12）、气体流量控制器（13）、反映气体控制器（14）、手动与自动切换开关（15）和偏压检测器（16）；气体流量反馈***（17）包括光谱仪（18）、分光计（19）和光谱监视器（20），光谱仪（18）设于真空腔（1）内，光谱仪（18）与分光计（19）相连，分光计（19）与光谱监视器（20）相连，光谱监视器（20）与气体流量控制器（13）相连；侧开式炉门（21）外设有圆盘把手（22）；圆盘把手上（22）上设有锁紧把（23）和观察窗（24）；真空腔（1）内设有支撑平台（27），支撑平台上方设有工作架（28），支撑平台（27）下方设有滑动轨道台（25），滑动导轨台（25）下方设有加热管（26）；侧开式炉门（23）处设有靶材（32），靶材（32）上设有销钉（29）、靶材把手（30）和冷却水管（31）；真空控制柜（2）包括扩散泵、罗茨泵和机械泵；
通过气体流量反馈***（17）的辉光放电的光谱信号来确定反应气体浓度，分析、判断出气体流量速率的调整范围，精确的对气体流量控制器进行调整，使通入气体压力保持在最佳状态，保证薄膜的致密度和附着性。
2.根据权利要求1所述非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备，其特征在于：真空腔（1）内真空度为10-1Pa～10-2Pa。
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| CN202643827U (zh) * | 2012-05-23 | 2013-01-02 | 文晓斌 | 非平衡闭合场磁控溅射离子镀设备 |
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| ZL101A铝合金表面磁控溅射镀TiN薄膜的研究;吴义志;《中国优秀硕士论文》;20110831;第15-17，24-30页 * |
| 吴义志.ZL101A铝合金表面磁控溅射镀TiN薄膜的研究.《中国优秀硕士论文》.2011,第15-17，24-30页. |
| 基于工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜设备控制***设计;杨晓东 等;《科技情报开发与经济》;20091130;第19卷(第31期);第117-120页 * |
| 杨晓东 等.基于工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜设备控制***设计.《科技情报开发与经济》.2009,第19卷(第31期),第117-120页. |
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