CN106756865A - 一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***及其使用方法 - Google Patents

一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***及其使用方法，由磁控溅射装置和反馈控制装置组成，磁控溅射装置包括反应气体存储装置和真空室，反应气体存储装置通过导气管和真空室连通，真空室内设有磁电管，磁电管上设有放电等离子体；反馈控制装置由光探头、光谱仪、控制器和电磁阀组成，光探头位于所述真空室内，光谱仪通过光纤和光探头相连，控制器和光谱仪电连接，控制器和电磁阀电连接。本发明通过对等离子体区中反应成分的控制，能够控制所制备薄膜的成分、厚度以及均匀性等参数，提高镀膜产品质量。能够使反应溅射化合物薄膜的工艺维持在一个相对稳定的工作点上，工艺稳定性得到了大大改善，沉积速率也得到了提高。

Description

一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***及其使用方法
技术领域
本发明涉及反应磁控溅射镀膜领域，特别是涉及一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***及其使用方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，化合物薄膜的应用领域越来越广泛，薄膜的质量要求也愈加严苛。相对于化学气相沉积法(CVD)制备化合物薄膜工艺，反应磁控溅射法因具备可操控性好、镀膜温度低、镀膜质量稳定可靠等优点，已被广泛应用于各类镀膜领域。而反应磁控溅射中出现的迟滞效应(提高反应气体流量，溅射速率大幅下降，原因是由于靶面形成了化合物层，即靶中毒)是该技术工艺运行不稳定的主要现象。所以，如何使靶面处于接近金属模式的溅射状态，从而保持高的溅射率，而在基片上又能够获得所要求化学配比的化合物薄膜并有较高沉积速率是反应磁控溅射技术需要解决的关键问题。由于反应溅射过程滞后效应的滞后区域非常窄，且易随靶材和真空炉腔壁的表面状态的变化而变化，因此，实际的最佳反应磁控溅射镀膜工艺的确定及稳定仍非易事。多年来研究人员在这方面做了大量研究与尝试，目前比较切实可行的解决方法主要有以下四种：1)阻塞反应气体到达靶面；2)反应气体的脉冲进气；3)改变供电模式抑制靶中毒；4)反应溅射过程的闭环控制。以上前三种方法都有一定的局限性，而采用反应溅射过程的闭环控制相对更可靠和实用，因为当靶的工作状态由金属模式变为反应模式时，有许多工艺参数都将发生明显的变化，因此，原则上许多工艺过程参数都可以用做反馈信号，例如靶电压、靶电流、反应气体分压、溅射气体总压力、沉积速率、沉积膜的特性以及放电空间的等离子体发射光谱等，因为这些参数在迟滞曲线的拐点都会有明显的变化。但实际上并不是上述所有参数都可以用来实现过程的精确控制，目前用的比较广泛的是靶电压反馈控制法和检测反应气体分压的质谱法，采用放电空间特定的等离子体发射光谱强弱变化来对反应气体进行控制的方法，即光发射监控法(optical emission monitor，OEM)，国内仅个别研究机构做过相关基础研究，远不具备生产应用条件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，通过对等离子体区中反应成分的控制，能够控制所制备薄膜的成分、厚度以及均匀性等参数，从而提高镀膜产品质量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，由磁控溅射装置和反馈控制装置组成，磁控溅射装置包括反应气体存储装置和真空室，反应气体存储装置通过导气管和真空室连通，真空室内设有磁电管，磁电管上设有放电等离子体；反馈控制装置由光探头、光谱仪、控制器和电磁阀组成，光探头位于所述真空室内，光谱仪通过光纤和光探头相连，控制器和光谱仪电连接，控制器和电磁阀电连接。
前述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***中，光谱仪包括单色仪和光电倍增器，光探头和单色仪通过光纤相连，单色仪和光电倍增器通过光纤相连，光电倍增器和所述控制器电连接。具体的，所述电磁阀的型号为：ZCK。
作为其中一种较佳的实施方式，所述色谱仪具有显示屏，通过显示屏显示所述采集到的光线的光强信号设定值、实际值、光电倍增器高压输出电压值以及设定值与实际值的偏差，操作人员可以更加直观的观察到采集到的光线的相关参数、数据。
前述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***中，所述控制器上具备串口RS232/485的通讯接口，以便于与计算机相连，通过计算机对控制器进行编程、控制等。
本发明还公开了前述一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***的使用方法，用于控制反应磁控溅射法镀膜时反应气体的喷射速率，包括下述方法：通过光探头采集真空室内溅射过程中发出的光线，光探头将采集到的光线导向单色仪，单色仪将采集到的光线过滤成单色光；通过光电倍增器将单色光转换放大为电信号，然后将所述电信号发送给控制器；控制器根据收到的电信号控制电磁阀开启、关闭、增大开度或减小开度。
前述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***的使用方法中，通过光谱仪的显示屏显示所述采集到的光线的光强信号设定值、实际值、光电倍增器高压输出电压值以及设定值与实际值的偏差。
与现有技术相比，本发明通过对等离子体区中反应成分的控制，能够控制所制备薄膜的成分、厚度以及均匀性等参数，提高镀膜产品质量。能够使反应溅射化合物薄膜的工艺维持在一个相对稳定的工作点上，工艺稳定性得到了大大改善，沉积速率也得到了提高。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
图2是控制器的前面板示意图；
图3是控制器的后面板示意图；
图4是显示屏的示意图。
附图标记：1-反应气体存储装置，2-电磁阀，3-放电等离子体，4-真空室，5-光纤，6-单色仪，7-光电倍增器，8-磁电管，9-控制器，10-光谱仪，11-光探头。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：如图1所示，一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，由磁控溅射装置和反馈控制装置组成，磁控溅射装置包括反应气体存储装置1和真空室4，反应气体存储装置1通过导气管和真空室4连通，真空室4内设有磁电管8，磁电管8上设有放电等离子体3；反馈控制装置由光探头11、光谱仪10、控制器9和电磁阀2组成，光探头11位于所述真空室4内，光谱仪10通过光纤5和光探头11相连，控制器9和光谱仪10电连接，控制器9和电磁阀2电连接。
光谱仪10包括单色仪6和光电倍增器7，光探头11和单色仪6通过光纤5相连，单色仪6和光电倍增器7通过光纤5相连，光电倍增器7和所述控制器9电连接。
控制反应磁控溅射法镀膜时反应气体的喷射速率要求时间先对准确，如果延时过长则不会达到预期的效果，本实施例中，所述电磁阀2的型号为：ZCK。型号为ZCK的电磁阀反应时间够快，所以产生的效果也相对较好。
如图4所示，所述光谱仪10具有显示屏，通过显示屏显示所述采集到的光线的光强信号设定值、实际值、光电倍增器高压输出电压值以及设定值与实际值的偏差，操作人员可以更加直观的观察到采集到的光线的相关参数、数据。
显示屏的显示面板：SP为目标设定光强值；AP为实测光强值；高压HV可通过HV旋钮调节PMT增益；PV为OEM输出到压电阀的电压值；RM代表计算机远程控制；AUTO代表控制模式为自动控制；OEM装置的Gain值用右下角“86”位置的数字表示，Reset值用右下角“133”位置的数字标示，不同OEM装置的Gain和Reset值可能不同。液晶面板下方的图形可显示光强实际值与设定值的偏差方向。
所述控制器9上具备串口RS232/485的通讯接口，以便于与计算机相连，通过计算机对控制器进行编程、控制等。如图2所示Power旋钮：为该OEM控制器电源开关。Auto旋钮：为控制模式选择开关，Auto模式下正常工作，进入闭环调节。Local/Remote旋钮：为本地/远程模式开关，用于选择本地手动控制还是计算机远程控制，两者只能选择其中，选择后另一种控制方式失效。SP旋钮：本地模式下，用于手动设置光强值。HV旋钮：用于调节光电倍增管PMT增益使得PMT输出值，用于初始设定；Gain旋钮：比例调节旋钮，用于调节OEM装置的***偏差，一般设定好后，使用过程不可随意调节。Reset旋钮：积分调节旋钮，用于改善OEM装置的响应时间，一般设定好后，使用过程不可随意调节。PIEZO按钮：压电阀发生粘滞而不能正常开启时，可借助该按钮产生脉冲信号，帮助粘滞压电阀顺利开启。
如图3所示，AC220V为带保险丝的电源插座；RS232/485为DB9远程通信插座，用于与计算机串口进行通信，用于OEM内部程序修改和升级；EP200为DB9光谱仪插座，用于连接光谱仪；PIZEO为TNC插座，用于连接压电阀；Remote为DB9插座，用于与PLC控制接口连接，实现计算机远程控制。
设计本发明的基本思路是将反应溅射作为负反馈控制回路中的一环，探测某个能够反映溅射状态的物理量Y，与设定为工作点的量相比较，得到的差分信号经PID电路处理后输入控制单元，控制单元调节可以影响溅射状态的物理量，起到控制溅射状态的功能。
本发明还公开了一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***的使用方法，用于控制反应磁控溅射法镀膜时反应气体的喷射速率，包括下述方法：通过光探头11采集真空室4内溅射过程中发出的光线，光探头11将采集到的光线导向单色仪6，单色仪6将采集到的光线过滤成单色光；通过光电倍增器7将单色光转换放大为电信号，然后将所述电信号发送给控制器9；控制器9根据收到的电信号控制电磁阀2开启、关闭、增大开度或减小开度。通过光谱仪10的显示屏显示所述采集到的光线的光强信号设定值、实际值、光电倍增器7高压输出电压值以及设定值与实际值的偏差。

Claims (7)

1.一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，其特征在于，由磁控溅射装置和反馈控制装置组成，磁控溅射装置包括反应气体存储装置(1)和真空室(4)，反应气体存储装置(1)通过导气管和真空室(4)连通，真空室(4)内设有磁电管(8)，磁电管(8)上设有放电等离子体(3)；反馈控制装置由光探头(11)、光谱仪(10)、控制器(9)和电磁阀(2)组成，光探头(11)位于所述真空室(4)内，光谱仪(10)通过光纤(5)和光探头(11)相连，控制器(9)和光谱仪(10)电连接，控制器(9)和电磁阀(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，其特征在于，光谱仪(10)包括单色仪(6)和光电倍增器(7)，光探头(11)和单色仪(6)通过光纤(5)相连，单色仪(6)和光电倍增器(7)通过光纤(5)相连，光电倍增器(7)和所述控制器(9)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，其特征在于，所述电磁阀(2)的型号为：ZCK。
4.根据权利要求3所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，其特征在于，所述光谱仪(10)具有显示屏。
5.根据权利要求3所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***，其特征在于，所述控制器(9)上具备串口RS232/485的通讯接口。
6.权利要求2至5任一项所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***的使用方法，其特征在于，用于控制反应磁控溅射法镀膜时反应气体的喷射速率，包括下述方法：通过光探头(11)采集真空室(4)内溅射过程中发出的光线，光探头(11)将采集到的光线导向单色仪(6)，单色仪(6)将采集到的光线过滤成单色光；通过光电倍增器(7)将单色光转换放大为电信号，然后将所述电信号发送给控制器(9)；控制器(9)根据收到的电信号控制电磁阀(2)开启、关闭、增大开度或减小开度。
7.根据权利要求6所述的一种磁控溅射反应气氛自反馈控制***的使用方法，其特征在于，通过光谱仪(10)的显示屏显示所述采集到的光线的光强信号设定值、实际值、光电倍增器(7)高压输出电压值以及设定值与实际值的偏差。
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