CN113584442A - 包括控制***的反应溅射设备及反应溅射方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种包括控制***的反应溅射设备及反应溅射方法，通过采集溅射电压或功率的方式来建立闭环控制反馈机制，通过控制器改变溅射功率来准确地来调控反应氧化的阶段及靶材的氧化程度，使氧化钒的反应稳定地处于过渡模式。本申请采用调整功率控制电流稳定的方案，成膜的均匀性好，有助于规模化生产，反应对调控功率的响应速度快，无调控反应气流技术方案中滞后效应。
Description
技术领域
本申请涉及反应溅射设备领域，尤其涉及一种包括控制***的反应溅射设备及反应溅射方法。
背景技术
反应溅射是指在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材会与反应气体反应形成化合物(如氮化物或氧化物)。氧化钒薄膜是一种优良的电子功能材料，具有良好的热敏特性，在红外探测和热成像领域有广阔的应用。不仅要具有高的电阻温度系数，还要具有合适的方块电阻，致密的微观相结构，钒呈现多种稳定的化学价态，其氧化物在自然界中有多达 13 种不同的相结构，满足一定电阻温度系数的氧化钒薄膜变得非常的困难。
以溅射氧化钒薄膜为例，如图1所示，在电源功率给定给的前提下，起始初期靶材处于金属模式，氧化程度较小，随着时间的推移，靶材氧化程度在逐步加重，溅射电流逐步减小，到某一点出现快速下降，进入过渡模式，并稳定在一个电流值上，此时反应由过渡模式转向反应模式。
常见的控制方案是通过采集溅射电压或电流的方式来建立闭环控制反馈机制。通过对腔体电压或者电流值与期望值进行比较，比较结果控制氧气流量，从而控制溅射的反应模式及状态，使反应处在我们期望的状态。但该控制方案存在滞后效应，减小氧气流量，溅射速率不会由低位立刻回升到高位,而呈现缓慢回升的状态，而且微小变化的氧气对氧化程度影响严重，因此对成膜的均匀性有影响。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种包括控制***的反应溅射设备及反应溅射方法。
为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：
本申请第一方面，提供了一种包括控制***的反应溅射设备，设备包括：
成膜装置，用于反应溅射成膜；
采集装置，设置为连接成膜装置和控制器，用于采集成膜装置的第一功率和电压，输出至控制器；
控制器，设置为连接采集装置和供电电源，用于根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源；
供电电源，设置为连接成膜装置和控制器，用于根据第二功率向成膜装置供电，调整溅射功率。
优选地，所述控制器包括获取模块，用于获取采集装置输出的第一功率和电压。
优选地，所述控制器包括补偿模块，用于对第一功率和电压进行补偿，得到实际第一功率和实际电压。
优选地，所述控制器包括计算模块，用于根据实际第一功率和实际电压，确定实际电流，根据实际电流、设定电流和实际电压，确定调整功率，根据实际第一功率和调整功率，确定并输出第二功率。
优选地，所述控制器为PLC控制器。
优选地，所述控制器包括触摸屏。
本申请第二方面，提供了一种反应溅射方法，方法包括：
开始反应溅射；
采集成膜装置的第一功率和电压，输出至控制器；
根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源；
根据第二功率向成膜装置供电，调整溅射功率。
优选地，所述根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源，包括：
获取采集装置输出的第一功率和电压；
对第一功率和电压进行补偿，得到实际第一功率和实际电压；
根据实际第一功率和实际电压，确定实际电流，根据实际电流、设定电流和实际电压，确定调整功率，根据实际第一功率和调整功率，确定并输出第二功率。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
基于以上技术方案可知，本申请提供的一种包括控制***的反应溅射设备及反应溅射方法，通过采集溅射电压或功率的方式来建立闭环控制反馈机制，通过控制器改变溅射功率来准确地来调控反应氧化的阶段及靶材的氧化程度，使氧化钒的反应稳定地处于过渡模式。本申请采用调整功率控制电流稳定的方案，成膜的均匀性好，有助于规模化生产，反应对调控功率的响应速度快，无调控反应气流技术方案中滞后效应。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是溅射氧化钒过程中电流和电压随时间变化曲线图。
图2是本申请实施例提供的包括控制***的反应溅射设备框图。
图3是本申请实施例提供的一种溅射电流随时间变化图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“ 包括”、“ 包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如背景技术中所介绍，若功率恒定，随着时间推移，电流会在某一时刻减小直至稳定，电流下降的过程称之为过渡模式，此时钒已经由金属状态进入了氧化状态，但是氧化程度不高。
电流值能反映导体到半导体（氧化物）的过程，当电流稳定，其氧化过程就稳定在某一种状态，反应气体与靶材作用生成的化合物覆盖在靶材表面，积累大量的正电荷无法中和，在靶材表面建立越来越高的正电位，阴极位降区的电位随之降低，最终阴极位降区电位降减小到零，放电熄灭，溅射停止，这种现象称为“靶中毒”。靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流流过击穿点，形成弧光放电,导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度，发生喷射，出现“打弧”现象。靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命。
因此，为了获得均匀性较好的氧化钒膜，既不能让反应溅射处于金属模式，也不能处于氧化模式，需让溅射处在两者之间的过渡模式下。
在本申请中，功率为动态变化的，通过反馈控制***调整功率，以使电流保持在一较小的区间变化，该区间足够小可近似认为电流值恒定，该值设置为过渡模式中电流值的一点，使氧化速度与溅射速率达到一个稳定的点，随着氧化过程的深入，通过适当加大功率，从而使反应处于一个稳定态，而通过观察电流就可以了解是否处于稳定态。
参考图2，图2为本申请实施例提供的包括控制***的反应溅射设备框图，该设备除了成膜装置，还具有一个反馈控制***，反馈控制***由反馈装置、控制器和供电电源组成。
反馈控制***的主要作用是使溅射过程中氧化钒的反应处于过度模式，即既不是金属模式也不是反应模式。通过实验得知钒腔的电流及电压能够较为准确的反应氧化的阶段及钯材的氧化程度，因此可以通过采集溅射电压或电流的方式来建立闭环控制反馈机制。
采集装置被设置为连接成膜装置和控制器，用于采集成膜装置的第一功率和电压，将第一功率和电压输出至控制器。
采集装置可以是靶电流电压反馈电路，将成膜装置开启后工作时的溅射电压和功率输出至控制器。
控制器被设置为连接采集装置和供电电源，用于根据第一功率、电压和设定电流，将第二功率输出至供电电源。
控制器包括获取模块、补偿模块和计算模块。
获取模块用于获取采集装置输出的第一功率和电压。
补偿模块用于对第一功率和电压进行补偿，得到实际第一功率和实际电压。补偿模块对采集得到的第一功率和电压进行补偿的原因是机台和设备存在误差，需要对采集值进行校正，使其近似实际工作的参数值。
计算模块，用于根据实际第一功率和实际电压，通过电流电压和功率的关系公式，可以得到实际电流。为了使反应溅射稳定地处于过渡模式上的一点，需使电流稳定在一个较小的区间，区间小到可将电流近似为一恒定值，预先将工作电流的区间中值设定为设定电流，用实际电流和设定电流作差再乘实际电压可以得到调整功率的值，将当前实际第一功率加上该调整功率，得到第二功率，并将其输出到供电电源。
在一些实施例中，控制器为PLC控制器。
在一些实施例中，控制器还包括触摸屏。
供电电源被设置为连接成膜装置和控制器，用于根据第二功率向成膜装置供电，调整溅射功率。
参考图3，图3为本申请提供的一种溅射电流随时间变化图。在P1阶段结束时，电流下降到该区间的下边界，距离设定电流（区间中值）偏离已较大，电流下降意味着成膜装置内靶材表面钒的氧化程度加重；此时通过反馈控制***，可以得到一调整功率，在当前功率的基础上加上该调整功率，得到一比当前功率较大的功率值，供电电源用该功率值作用于成膜装置上，由于功率的增大，此时成膜装置内的溅射速率变大，单位时间内靶材表面更多的氧化钒被轰击下来，使得靶材表面的氧化程度下降，则电流会逐渐变大，对应图中P2阶段；在电流接近区间上边界时，反之原理类似，将调整后的功率作用于成膜装置后，溅射速度下降，靶材表面氧化程度加重，则电流会逐渐减小，对应图中P3阶段，完成了反应溅射的自动控制。随着时间推移，电流始终处于一个小的区间内增大或减小，可近似为恒定电流，这使氧化钒的反应稳定处于过渡模式。
本申请提供的实施例中电流易控制，成膜的均匀性好，有助于规模化生产，反应对调控功率的响应速度快，无调控反应气流技术方案中滞后效应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种包括控制***的反应溅射设备，其特征在于，所述设备包括：
成膜装置，用于反应溅射成膜；
采集装置，设置为连接成膜装置和控制器，用于采集成膜装置的第一功率和电压，输出至控制器；
控制器，设置为连接采集装置和供电电源，用于根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源；
供电电源，设置为连接成膜装置和控制器，用于根据第二功率向成膜装置供电，调整溅射功率。
2.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述控制器包括获取模块，用于获取采集装置输出的第一功率和电压。
3.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述控制器包括补偿模块，用于对第一功率和电压进行补偿，得到实际第一功率和实际电压。
4.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述控制器包括计算模块，用于根据实际第一功率和实际电压，确定实际电流，根据实际电流、设定电流和实际电压，确定调整功率，根据实际第一功率和调整功率，确定并输出第二功率。
5.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。
6.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述控制器包括触摸屏。
7.一种反应溅射方法，其特征在于，所述方法包括：
开始反应溅射；
采集成膜装置的第一功率和电压，输出至控制器；
根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源；
根据第二功率向成膜装置供电，调整溅射功率。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述根据第一功率、电压和设定电流，输出第二功率至供电电源，包括：
获取采集装置输出的第一功率和电压；
对第一功率和电压进行补偿，得到实际第一功率和实际电压；
根据实际第一功率和实际电压，确定实际电流，根据实际电流、设定电流和实际电压，确定调整功率，根据实际第一功率和调整功率，确定并输出第二功率。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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