CN102181841B - 一种金属真空溅射装置及溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金属真空溅射装置及溅射方法，该装置包括有棒状金属靶、晶片工装，棒状金属靶的中间位置设置有平衡线圈，平衡线圈与电源连接，在通电情况下，平衡线圈产生附加电磁场，通过附加电磁场影响金属真空溅射系统中的总电磁场，从而减少到达在平衡线圈附近的晶片表面的离子量，最后提高这些晶片的厚度切变谐振频率，使整个晶片工装上的晶片溅射厚度一致，从而保证溅射的金属电极膜的晶片的频率一致性较好。

Description

一种金属真空溅射装置及溅射方法

技术领域

本发明涉及一种金属真空溅射系统及控制方法。更具体一点，本发明涉及电磁场方向和强度控制的设计。

背景技术

石英晶体谐振器和振荡器由于其频率的准确性及稳定性、出色的可靠性、小体积以及低成本等特点，在现代电子行业如通讯、电脑、娱乐设备、工业控制及其它我们所涉及的领域中都是一种不可缺少的非常重要的电子元器件。

金属真空溅射系统可有效的应用于石英晶体谐振器和振荡器这类频率控制元器件的生产中。在石英晶体谐振器和振荡器用的石英晶片电极的形成过程中，需要在真空状态下给晶片的两面各镀上一层金属膜形成电极以便导电。金属真空溅射系统则是在真空状态下同时给大量晶片的两面各镀上一层金属电极膜的极佳系统，此系统非常适合用于大规模生产。

通常情况下，金属真空溅射系统是在抽真空后将一定浓度的氩气充满整个工作室，启动棒状金属靶和晶片金属工装之间的高直流DC电压（棒状金属靶带负电压并且内部有永久性磁铁产生主磁场，此主磁场和高电压产生的电场正交。晶片金属工装带正电压。电压一般在350~450V之间）。在高电压下的正负极之间产生辉光放电，极间的氩气分子被离子化而产生带电荷离子，分解成正离子和负电子。氩气正离子在棒状金属靶负电压的作用下定向高速撞击带负电压的金属靶（如银靶、铜靶或铬靶），从而从棒状金属靶的表面溅射出高速金属分子流。这些高速金属分子流又高速撞击附近带正电压的晶片（排列有晶片的金属工装带正电压），并依附在这些晶片的表面，增加这些晶片的有效厚度，降低这些晶片的厚度切变谐振频率。被离子化而分解出来的负电子在高电压产生的电场的作用下高速冲向带正电压的晶片金属工装，在此过程中，电子又碰撞氩气产生更多的氩气离子和电子。带负电荷的电子在电场和磁场的同时作用下运动，不断地碰撞氩气产生大量的氩气离子。所有这些氩气离子都在棒状金属靶负电压的作用下定向高速撞击带负电压的棒状金属靶（如银靶、铜靶或铬靶），从而从棒状金属靶的表面溅射出更多高速金属分子流，然后这些金属分子流冲向并附在对面的大量石英晶片的表面，同一时间在大量的晶片表面上形成金属电极膜。

由于同时对大量晶片进行溅射镀膜，结果是离棒状金属靶中间部位近的石英晶片要比离棒状金属靶中间部位远的石英晶片获得更多的金属分子，从而增加了这些获得更多金属分子的晶片的有效厚度。由于在石英晶片的厚度切变振荡模式中，晶片的振荡频率和晶片的有效厚度成反比，所以这些离棒状金属靶中间部位近并且获得更多金属分子的晶片的频率要比离棒状金属靶中间部位远并且获得较少金属分子的晶片的频率低。这样就使得大量在同时溅射电极膜晶片于晶片之间的频率相差较大，变差较大，频率特性的一致性较差，成为大批量生产石英晶体谐振器和振荡器的一个重大不利因素。

在此情况下，迫切需要解决上述诸多问题，提供一种简单易行的技术，以便使同时大量通过金属真空溅射系统镀上金属电极膜的晶片的频率一致性较好。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了对金属真空溅射系统的一种新型控制方法，该方法能够有效地减少通过金属真空溅射系统镀上金属电极膜的晶片的频率变差并且能大批量同时生产一致性好的晶片。

本发明的另一个目的是提供一种易于实现的金属真空溅射自动控制系统，提高谐振器及振荡器的生产效率和质量。

为实现上述目地，本发明是这样实现的。

一种金属真空溅射装置，该装置包括有棒状金属靶、晶片工装，其特征在于棒状金属靶的中间位置设置有平衡线圈，平衡线圈与电源连接，在通电情况下，平衡线圈产生附加电磁场，通过附加电磁场影响金属真空溅射系统中的总电磁场，从而减少到达在平衡线圈附近的晶片表面的金属分子量，使棒状金属靶所产生的金属分子能够均衡的溅射到晶片上，达到提高这些晶片的厚度切变谐振频率的效果。

因此，本发明的主要思路是设计一个能产生电磁场的平衡线圈。平衡线圈是由至少一个导线绕制而成，最好是由单数或者复数个导线按照一定的直径排列绕制而成，改变此平衡线圈的直径、导线的直径和匝数以及通过导线的电流后，平衡线圈产生的电磁场可以使周围电磁场在方向和强度方面产生变化。平衡线圈的直径、导线的直径和圈数以及通过导线的电流由设计要求来决定。提供给导线的电压可为交流AC电压也可为直流DC电压。

所述棒状金属靶也可为长条状结构，在棒状金属靶的中间部位应用平衡线圈。平衡线圈由至少一条导线绕制而成，在应用时要注意平衡线圈的导线方向要和原来氩气离子流的方向相同或者180度相反，或者和原来氩气离子流的方向形成其它任何经过调试后的实际夹角,实际夹角通常是不包括90度或者270度的任何夹角。如果是90度或者270度，则其产生的磁力线和原来氩离子流的方向平行，起不到影响氩离子流方向的作用。或者使线圈构成的平面的法线可和棒状金属靶的中轴形成一定夹角，只要此法线不和棒状金属靶的中轴平行就可，以便由这个导电平衡线圈产生的附加电磁场和原来的强电磁场在主要方向上成成正交或形成一定的夹角，线圈平面法线的偏移也可使电子流在切割线圈产生的磁力线时而产生的力较容易地将电子流推向棒状金属靶两端所对应的空间。这样，附加的电磁场就会在棒状金属靶中间部位和原来强电磁场一起在电磁场方向和强度方面产生新的综合矢量分布，从而影响棒状金属靶中间部位的电子流的运动方向、速度和密度，继而影响电离出的氩气离子的密度，也就影响在棒状金属靶中间部位附近的金属分子流的密度，也就影响在棒状金属靶中间部位附近的晶片获得金属分子的密度，最终影响这些晶片的有效厚度和频率。当在选用适当的平衡线圈直径、所用导线直径和匝数以及通过导线的电流后，可改变在棒状金属靶中间部位附近的电子流的运动方向、速度和降低密度，继而降低其电离出的氩气离子的密度，从而降低由氩离子从棒状金属靶表面碰撞出的金属分子的密度以及附近的晶片获得金属分子的密度，从而升高这个部位晶片的频率，使得这个部位晶片的频率和边缘部位的晶片的频率趋于一致，减少了晶片于晶片之间的频率变差。

所述金属真空溅射装置还包括频率检测仪和电源控制器，频率检测仪连接到晶片金属工装，电源控制器则连接到平衡线圈。为了自动控制和调整平衡线圈所产生的电磁场，本发明使用频率检测仪实时监视和测量不同位置晶片的频率，并将这些数据实时返馈给电源控制器，电源控制器根据这些返馈的数据实时调整供给平衡线圈的电压，以便实时调整由平衡线圈产生的附加电磁场，从而调整电子流的运动方向、速度和降低密度，继而降低电离出的氩气离子的密度，从而降低由氩离子从棒状金属靶表面碰撞出的金属分子的密度，从而能够调整在棒状金属靶中间部位附近的晶片获得金属分子的密度，更好地起到实时调整这些晶片的频率，使得这个部位晶片的频率和边缘部位的晶片的频率趋于一致，达到了减少晶片于晶片之间的频率变差的目的。

因此实现本发明的方法为一种金属真空溅射的控制方法，其特征在于该方法在棒状金属靶的中部设置平衡线圈，在溅射时，平衡线圈产生附加电磁场，附加电磁场叠加在棒状金属靶所产生的主电磁场上，附加电磁场来改变电子运动的方向，从而减少棒状金属靶中部附近氩气离子的密度，以减少棒状金属靶中部附近的晶片获得金属分子的厚度，使整个晶片工装上的晶片溅射厚度一致，从而保证溅射的金属电极膜的晶片的频率一致性较好。

所述的附加电磁场，其原来的主电磁场在主要方向上成垂直，从而调整电子流的运动方向、速度和降低密度，降低电离出的氩气离子的密度，降低由氩离子从棒状金属靶表面碰撞出的金属分子的密度，从而能够调整在棒状金属靶中间部位附近的晶片获得金属分子的密度。

具体地说，该方法主要的实现步骤如下：

A．抽真空：将安装在不同晶片工装位置的晶片的溅射系统工作室抽真空；

B. 启动离子源和主电磁场：将氩气充满整个工作室，启动金属靶和晶片金属工装之间的高电压，产生带电荷氩离子，在棒状金属靶负电压的作用下定向高速撞击带负电压的棒状金属靶，从而从棒状金属靶的表面溅射出高速金属分子；

C. 附加电磁场：启动平衡线圈产生附加电磁场，影响主电磁场和附加电磁场形成的整个电磁场的综合方向和强度；

D. 溅射金属电极：将大量的金属分子均匀地溅射到位于不同晶片工装位置的晶片表面上，形成金属电极。

进一步，为了更好地进行控制及满足不同晶片的溅射要求，所述方法在步骤C后，还包括如下步骤。

C1.监控频率：对晶片金属工装的各个安装晶片部位进行监控，实时自动监控棒状金属靶对面的各个部位的晶片的频率。

C2. 反馈频率：将上述步骤监测到的频率数据反馈给平衡线圈的电源控制器。

C3.调整电源：平衡线圈的电源控制器根据反馈结果和控制要求自动调整供平衡线圈使用的电压。

在供给平衡线圈使用的电压发生变化后，附加电磁场的强度会发生调整，调整附加电磁场的强度后，也会调整和控制由主电磁场和附加电磁场形成的整个电磁场的综合方向和强度。这样，在整个电磁场的综合方向和强度实时受到自动调整时，电子流的方向和密度以及由电子流电离出的氩离子流密度会实时受到自动调整，从而被氩离子流碰撞出的金属分子流的密度也实时自动受到调整和控制。

平衡线圈所用的电源是由一个自动电源控制器来控制：当平衡线圈附近的晶片的厚度切变谐振频率比其它位置晶片的厚度切变谐振频率较低时，表明此时在平衡线圈附近的晶片表面获得的金属分子流量比其它位置晶片所获得的金属分子流量较多，使得平衡线圈附近的晶片的有效厚度较厚，因为晶片的厚度切变谐振频率和晶片的厚度成反比。而自动电源控制器接收到平衡线圈附近的晶片较低的谐振频率后，会自动提升电压来加强平衡线圈所产生的附加电磁场。加强后的平衡线圈电磁场会使附近的电子流更大地偏离原来的方向，使得附近电离出的氩离子密度减少，从而使由氩离子碰撞而溅射出来的金属分子流减少，从而减少流向在平衡线圈附近晶片的金属分子流量，从而降低这些晶片频率的下降速率，使这些晶片的厚度切变谐振频率的下降速率和其它位置的晶片的厚度切变谐振频率的下降速率趋于一致，从而减少在不同位置的晶片之间的频率变差。当平衡线圈附近的晶片的厚度切变谐振频率比其它位置晶片的厚度切变谐振频率较高时，表明此时在平衡线圈附近的晶片表面获得的金属分子流量比其它位置晶片所获得的金属分子流量较少。自动电源控制器接收到平衡线圈附近的晶片较高的谐振频率后，会自动降低电压来减弱平衡线圈所产生的附加电磁场。减弱后的平衡线圈电磁场会使附近的电子流较小地偏离原来的方向，使得附近电离出的氩离子密度增加，从而使由氩离子碰撞而溅射出来的金属分子流增加，从而增加流向在平衡线圈附近晶片的金属分子流量，从而提高这些晶片频率的下降速率，使这些晶片的厚度切变谐振频率的下降速率和其它位置的晶片的厚度切变谐振频率的下降速率趋于一致，从而减少在不同位置的晶片之间的频率变差。通常情况下，通过自动电源控制器控制电压的提高或降低来微调一下平衡线圈所用的电压就可达到减少位于不同位置的晶片之间频率变差的目的。

本发明通过控制电子流和由电子流电离出的氩离子流，能够控制好真空金属溅射系统内被氩离子流碰撞出的金属分子流，使金属分子均匀地溅射到所加工晶片上，可大批量低成本地生产具有金属电极的晶片，满足生产的需求。

而且本发明实现简单、成本低廉。

附图说明

    图1为本发明实施的控制系统示意图。

图2为本发明实施前后的溅射频率对比示意图。

具体实施方式

    下面结合附图所示，对本发明的实施作更进一步地说明。

图1所示，实现本发明的装置包括棒状金属靶1、平衡线圈2、晶片金属工装3、频率检测仪4，棒状金属靶1为任何金属（如：银、铜或铬等），晶片金属工装3位于棒状的金属离子源的两侧，晶片工装3的内侧安装有晶片5，棒状金属靶在获得强电磁场能量的氩气离子的高速撞击下，所产生的金属分子溅射到晶片5上，形成电极。

棒状金属靶1的中部安装有平衡线圈2，平衡线圈2采用一条金属导线按照一定的直径排列绕制而成（在其它的实施方式中，平衡线圈也可以采用复数个金属导线连接绕制而成），导线的直径、匝数可以依据实际要溅射的晶片5进行设置，也可以实现预置好。

平衡线圈2的导线方向最好要和驱动氩离子流溅射的方向相同或者180°相反，以便由这个导电平衡线圈产生的附加电磁场和原来的强电磁场在主要方向上成垂直。平滑线圈2所产生的附加电磁场就会在棒状金属靶中间部位和原来强电磁场一起在电磁场方向和强度方面产生新的综合矢量分布，影响电子流的方向和密度，这样可降低在棒状金属靶中间部位附近电离的氩离子密度，从而降低由氩离子碰撞而溅射出来的金属分子流的密度以及附近的晶片获得金属分子的密度，从而升高这个部位晶片的频率，使得这个部位晶片的频率和边缘部位的晶片的频率趋于一致，减少晶片于晶片之间的频率变差。

考虑到不同晶片对金属离子溅射的具体应用效果不一致，为了保证多种规格晶片都能够适用，以及溅射过程中其它因素带来的不良影响，晶片工装3都连接到一个频率检测仪4上，频率检测仪4又与电源控制器6连接，电源控制器6单独给平衡线圈2供电，使用频率检测仪4实时监视和测量不同位置晶片的频率，并将这些数据实时返馈给电源控制器6，电源控制器6根据这些返馈的数据实时调整供给平衡线圈2的电压，以便实时调整由平衡线圈2产生的附加电磁场，从而实时调整在棒状金属靶1中间部位附近的电子流，继而实时调整电子流电离的氩离子密度，然后实时调整晶片获得氩气离子溅射出来的金属分子的密度，更好地起到实时调整这些晶片的频率。

具体来讲，本发明的主要控制流程如下。

1．抽真空：按照要求将安装在不同位子的晶片的溅射系统工作室抽真空。

2．启动离子源和主电磁场：将一定浓度的氩气充满整个工作室，启动棒状金属靶和晶片金属工装之间的高电压，产生带电荷氩气离子，在棒状金属靶负电压的作用下定向高速撞击带负电压的金属靶，从而从棒状金属靶的表面溅射出高速金属分子流。这些高速金属分子流又高速撞击附近带正电压的晶片并依附在这些晶片的表面，增加这些晶片的有效厚度，降低这些晶片的厚度切变谐振频率。

3．启动附加电磁场：启动平衡线圈产生附加电磁场，影响主电磁场和附加电磁场形成的整个电磁场的综合方向和强度。

4．自动监控频率：实时自动监控金属离子源对面的各个部位的晶片的频率。

5．自动返馈频率：实时返馈监测到的频率数据给平衡线圈的电源控制器。

6．自动调整电源：电源控制器根据频率数据调整供平衡线圈使用的电压源。

7．自动调整电磁场：自动调整附加电磁场的强度后，也会调整和控制由主电磁场和附加电磁场形成的整个电磁场的综合方向和强度。

8．自动调整金属分子流：在整个电磁场的综合方向和强度实时受到自动调整时，电子流的方向和密度实时自动受到调整和控制，从而使由电子电离出来的氩气离子流的密度实时自动受到调整和控制，从而又使由氩气离子流碰撞而溅射出来的金属分子流的密度也实时自动受到调整和控制。

9．溅射金属电极：将大量的金属分子流均匀地溅射到位于不同位置的晶片表面上，形成金属电极。

通过这种方法，能够通过控制电子流方向和密度的方法控制好真空金属溅射系统内的金属分子流，可大批量低成本地生产具有金属电极的晶片，满足国内产家的需求。而且本发明所提及的控制方法，实现简单、成本低廉。图2显示本发明实施前和实施后的晶片频率分布示意图，图中A为实施本发明的频率曲线，B为未实施本发明的频率曲线，从A和B两条曲线对比，明显看到，A曲线的频率相对一致性要远远好于B曲线。

以上所述，仅仅是对本发明实施的具体描述，并不代表本发明所实施的所有方式。在本发明目的及技术方案的基础上所做的等同变化及修饰，均在发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种金属真空溅射装置，该装置包括有棒状金属靶、晶片工装，其特征在于棒状金属靶的中间位置设置有平衡线圈，并与电源连接，在通电情况下，平衡线圈产生附加电磁场，通过附加电磁场影响金属真空溅射系统中的总电磁场，所述棒状金属靶为长条状结构，在棒状金属靶的中间部位设置平衡线圈，且平衡线圈由至少一条导线绕制而成，平衡线圈的导线方向要和原来氩气离子流的方向形成非90度或者270度的夹角。

2.如权利要求1所述的金属真空溅射装置，其特征在于该装置还包括频率检测仪和电源控制器，频率检测仪连接到晶片金属工装，电源控制器则连接到平衡线圈。

3.一种金属真空溅射的溅射方法，该方法通过高压电场电离氩气来产生氩气离子和电子流电离氩气来产生氩气离子，又通过氩气离子撞击棒状金属靶产生金属分子，再将金属分子溅射到晶片上，其特征在于该方法在棒状金属靶的中部设置平衡线圈，在溅射时，平衡线圈产生附加电磁场来改变电子运动的方向，从而减少棒状金属靶中部附近氩气离子的密度，进一步减少棒状金属靶中部附近的晶片获得的金属分子的厚度，使整个晶片工装上的晶片溅射的金属分子厚度趋于一致。

4.如权利要求3所述的金属真空溅射的溅射方法，其特征在于该方法主要的实现步骤如下：

A．抽真空：将安装在不同晶片金属工装位置的晶片的溅射系统工作室抽真空；

B. 启动离子源和主电磁场：将氩气充满整个工作室，启动金属靶和晶片金属工装之间的高电压，产生带电荷氩气离子，在棒状金属靶负电压的作用下定向高速撞击带负电压的棒状金属靶，从而从棒状金属靶的表面溅射出高速金属分子；

C. 附加电磁场：启动平衡线圈产生附加电磁场，影响主电磁场和附加电磁场形成的整个电磁场的综合方向和强度；

D. 将大量的金属分子均匀地溅射到位于不同晶片工装位置的晶片表面上，形成金属电极。

5.如权利要求4所述的金属真空溅射的溅射方法，其特征在于所述方法在步骤C后，还包括如下步骤：

C1.监控频率：对晶片金属工装的各个安装晶片部位进行监控，实时自动监控棒状金属靶对面的各个部位的晶片的频率；；

C2. 反馈频率：将上述步骤监测到的频率数据反馈给平衡线圈的电源控制器；

C3.调整电源：平衡线圈的电源控制器根据反馈结果和控制要求自动调整供平衡线圈使用的电压。

6.如权利要求4所述的金属真空溅射的溅射方法，其特征在于平衡线圈所用的电源是由一个自动电源控制器来控制，当平衡线圈附近的晶片的厚度切变谐振频率比其它位置晶片的厚度切变谐振频率较低时，自动电源控制器接收到平衡线圈附近的晶片较低的谐振频率后，会自动提升电压来加强平衡线圈所产生的附加电磁场；当平衡线圈附近的晶片的厚度切变谐振频率比其它位置晶片的厚度切变谐振频率较高时，自动电源控制器接收到平衡线圈附近的晶片较高的谐振频率后，会自动降低电压来减弱平衡线圈所产生的附加电磁场。

Images