CN102787299B

CN102787299B - 一种真空镀膜装置、真空镀膜控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN102787299B
Application number: CN201210164106.6A
Authority: CN
Inventors: 刘黎明; 陈军; 关永卿; 洪婧; 陈虹飞; 田俊杰; 汪文忠; 邓凤林; 郑栋; 将卫金; 赵山泉
Original assignee: Hangzhou Dahe Thermo Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Dahe Thermo Magnetics Co Ltd
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: CN102787299A

Abstract

本发明公开了一种真空镀膜装置、真空镀膜控制系统及控制方法，真空镀膜装置包括真空腔体、真空泵和低温泵，真空腔体的顶部设有伞架，伞架上放置待镀膜的基片，真空腔体内设有e型电子枪，e型电子枪上设有排列成圈并可沿圆心转动的坩埚，坩埚内放有镀膜材料，在坩埚加热位的上方设有挡板，低温泵与真空腔体的连接管上设有插板阀，本发明在电子枪的电子束流轨迹控制中采用分区控制原理，在各区间分别控制X轴扫描线圈和Y轴扫描线圈的电流频率，继而控制电子束流在镀膜材料表面各区块的扫描时间，解决了氧化物材料蒸发不均匀产生的深坑现象，有效防止坩埚损坏或基片报废。

Description

一种真空镀膜装置、真空镀膜控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及到一种真空镀膜装置，尤其涉及到一种能改善加入气体精度和均匀性及减少热幅射的影响、镀膜材料加热均匀不会产生深坑现象的真空镀膜装置、控制系统及控制方法。

背景技术

目前在光学元件及半导体集成电路中广泛使用真空镀膜处理技术。在真空腔内，将镀膜材料放置在坩埚内形成蒸发源，镀膜基片放置在机架上；采用热蒸发、电子束蒸发、溅射、分子束延展等方法将蒸发源以金属离子、电子和中性粒子的形式生成镀膜蒸汽；镀膜蒸汽沉积在基片上形成薄膜。如果同时在真空腔体中通入适量氮气、氧气或其它碳氢化合物，与镀膜蒸汽发生化学反应，可以生成所需的化合物镀膜膜层。在蒸发源加热中，电子束蒸发技术，因其控制精度高、加热均匀、反应快、没有污染等优点而在半导体等对镀膜膜层要求特别苛刻的行业得到广泛使用。在目前的半导体行业的真空镀膜中，往往需要进行多层次多种材料的镀膜处理，包括金属材料及氧化物材料。在一般的金属材料镀膜时，要求电子束均匀加热蒸发源即可；在进行氧化物材料镀膜时，由于氧化物材料在冷态时导热性能差，并呈颗粒状，其边界状态各不相同，造成即使电子束均匀扫描，也会有氧化物颗粒有不同的温度分布，致使坩埚内的氧化物材料因局部大量蒸发而形成深坑，严重时甚至会使电子束直接发射在坩埚上，此时若继续工作则造成坩埚损坏，若停止工作则造成基片报废。在一般的真空镀膜系统中，都是尽量均匀布置氧化物颗粒，而电子束则均匀发射在氧化物颗粒上，然而由于氧化物颗粒局部边缘条件的不一致性，仍无法解决上述存在的问题。

其次在进行氧化物镀膜时，还需要加入适量的反应气体，加入气体精确程度及均匀程度都直接影响到镀膜的质量，由于真空腔体与低温泵相连，加入的气体容易被低温泵吸收，在越靠近低温泵的地方气体吸收得越多，使加入气体的精度及均匀度均受到影响。

第三，在镀膜时，有时需加热基片，而真空腔体内的高温热量会辐射到低温泵内，造成低温泵的冷端温度升高而失效，影响镀膜质量及工作效率。

发明内容

本发明主要解决加入气体容易被低温泵吸收影响均匀性、加热基片的高温热量辐射到低温泵内引起低温泵失效的技术问题，同时解决氧化物材料蒸发温度不均匀易产生深坑现象导致坩埚损坏或基片报废的技术问题；提供了一种能改善加入气体精度和均匀性、减少高温热量辐射对低温泵影响和适合氧化物材料蒸发的真空镀膜装置及控制系统。

为了解决上述存在的技术问题，本发明主要是采用下述技术方案：

本发明的一种真空镀膜装置，包括真空腔体、与真空腔体连接的真空泵和低温泵，所述真空腔体的顶部设有伞架，所述伞架上放置待镀膜的基片，在真空腔体的下部设有e型电子枪，在电子枪内设有坩埚，所述坩埚内放有镀膜材料，真空腔体上设有观察窗，所述e型电子枪内设有排列成一圆圈并可沿圆心转动的坩埚位，所述坩埚设在坩埚位上，所述坩埚位包括一个加热位和若干个存放位，所述坩埚加热位的上方设有挡板，所述挡板为活动式，所述低温泵与真空腔体的连接管上设有插板阀，多个坩埚可放置不同的镀膜材料，可一次完成多层次的镀膜作业，节约能源，提高效率，挡板可提高镀膜过程的准确性和镀层质量，而可控开口度的插板阀可精确控制真空腔体内的真空度和气体分布，防止低温泵的冷端因吸入过多的气体而提前饱和失效，同时，在利用红外线辐射加热基片时，也可减少高温热量辐射对低温泵的影响，提高镀膜层的质量及工作效率，延长低温泵的使用寿命。

作为优选，所述真空腔体的中部设有修正板，所述修正板设在所述坩埚加热位的正上方，修正板可将镀膜材料的蒸发气体均匀扩散，提高基片膜层的均匀度和膜层质量。

作为优选，所述真空腔体的e型电子枪两侧设有红外线加热灯，所述红外线加热灯朝上并对准伞架，通过红外线的热量辐射来加热伞架上的基片，使加热过程均匀直接，加热指向性好。

作为优选，所述真空腔体顶部设有伞架驱动机构，所述伞架驱动机构与所述伞架连接，伞架可沿轴向旋转，放置在伞架上的基片也跟着旋转，基片与镀膜材料蒸气充分接触，镀膜过程均匀，气体析出充分，膜层质量较高。

一种真空镀膜控制系统，包括主机单元和电子枪控制单元，主机单元包括工控机和I/O单元、放大单元，所述I/O单元外接真空规、温度检测仪、插板阀、红外线加热灯、伞架驱动机构和膜厚测量仪，所述放大单元外接电子枪控制单元，所述电子枪控制单元包括X轴线圈驱动装置和Y轴线圈驱动装置。

作为优选，所述工控机内设有高速板卡，所述高速板卡与所述放大单元连接。

一种真空镀膜控制方法，其步骤如下：

A. 预先将低温泵的冷端温度置于20K以下并关闭插板阀；

B. 将所需的蒸发材料放置在相应的坩埚内，待镀基片放置在伞架上，关闭真空腔体后开启真空泵抽真空，真空腔体内的真空度预抽到2×10^-2Torr以下时，关闭真空泵；

C. 将放置有待镀材料的坩埚旋转至坩埚加热位；

D. 将插板阀置于完全打开状态，低温泵抽除真空腔体内的剩余气体，使真空腔体内的真空度继续提升，打开e型电子枪，根据不同的镀膜材料控制电子束流扫描加热蒸发材料；

E. 观察加热位坩埚内镀膜材料的表面温度分布状态，进行不同的电子束流扫描控制方法加热，使坩埚内的镀膜材料表面温度均匀一致；

F. 打开红外线加热灯辐射加热伞架上的基片，当基片温度达到150～200℃时，将插板阀置于40%～60%的开口度；

G. 当镀膜材料表面温度上升到该材料的蒸发温度时，打开气体流量控制装置，通入反应气体，并通过真空规测量真空腔体内的真空度，控制插板阀的开启位置，保持真空度在2×10^-4～4×10^-4Torr之间，同时转动伞架，移开挡板，使蒸发气化的镀膜材料上升并通过修正板均匀扩散，在基片的表面与通入的气体进行反应，在基片表面形成均匀致密的膜层；

H. 通过膜厚检测仪检测膜厚，当基片表面的膜厚达到要求时，电子枪关闭，挡板重新转回置于遮挡位置；

I. 根据加工要求判断是否需进行下一层的镀膜，如有下一层的镀膜要求，则重复进行C-H加工步骤，完成第二层材料的镀膜，依次类推，完成其他层的镀膜，如无要求，则真空腔体充气后完成整个镀膜过程，关闭插板阀，伞架停止转动。

作为优选，步骤（G）所述的气体流量控制器为气体质量流量控制器，以

质量为流量控制参数，使加入的反应气体更加精确。

作为优选，步骤（E）所述的电子束流扫描控制方法是一种按区块分别设置扫描时间的方式，将电子枪扫描线圈上的控制电流在一个周期内等分形成至少8个以上的若干小区间，对应的电子束流在蒸发材料表面形成相应的若干扫描区块，若干个扫描区块组成蒸发材料表面的整个加热区域，通过设置并修正各小区间内的电流频率参数来调整电子束流在每个扫描区块内的相对扫描速度，相应地控制电子束流对该区块的加热时间，达到镀膜材料表面的加热均匀性，各小区间总的电流变化周期与设定的扫描线圈的电流变化周期是相同的。

　步骤（E）所述的电子束流扫描控制方法如下：

A. 将X轴扫描线圈的电流在一个变化周期内等分为至少8个小区间，各小区间总的电流变化周期就是设定的X轴扫描线圈的电流变化周期；

B. 设置X轴扫描线圈电流在每个小区间内停留时间的参数，设置方式为按所占百分比的形式进行；

C. 根据各区块的停留时间参数，计算并设定对应该区块的X轴扫描线圈的电流频率值；

D. 将Y轴扫描线圈的电流在一个变化周期内等分为与所述X轴数量相同的若干小区间，各小区间总的电流变化周期就是设定的Y轴扫描线圈的电流变化周期；

E. 设置Y轴线圈电流在每个小区间内的停留时间的参数，设置方式为按所占百分比的形式进行；

F. 根据各区块的停留时间参数，计算并设定对应该区块的Y轴扫描线圈的电流频率值；

G. X轴区块与对应Y轴区块的电流所占时间参数的调整同步进行，并按各自的算术平均值计算，调整后各自所占扫描时间相同；

H. 根据对蒸发材料表面温度的观察，如某区块的温度偏高，则降低该区块的X轴扫描线圈或/和Y轴扫描线圈的电流所占时间参数，使电子束流在该区块内的扫描速度加快，电子束流在该区块内的停留时间缩短，相应加热时间也缩短，使温度降低；

I. 如某区块的温度偏低，则提高该区块的X轴扫描线圈或/和Y轴扫描线圈的电流所占时间参数，使电子束流在该区块内的扫描速度变慢，电子束流在该区块内的停留时间延长，相应加热时间也延长，使温度升高；

本发明的有益效果是：采用多个坩埚分别放置不同的镀膜材料，一次完成多层次的镀膜作业，节约能源，提高效率，挡板可提高镀膜过程的准确性和膜层质量，而可控开度的插板阀可精确控制真空腔体内的真空度和气体分布，防止低温泵的冷端因吸入过多的气体而提前饱和失效，在利用红外线的热量辐射加热基片时，也可减少高温热量辐射对低温泵的影响，提高镀膜层的质量及工作效率，延长低温泵的使用寿命，同时，在电子束流轨迹控制中采用分区间控制原理，在各区间分别控制X轴扫描线圈和Y轴扫描线圈的电流频率，继而控制电子束流在各区间的加热时间，则解决了氧化物材料蒸发不均匀产生的深坑现象，防止坩埚损坏或基片报废。

附图说明

图1是本发明的真空镀膜装置结构示意图。

图2是本发明的电子枪结构示意图。

图3是本发明的控制系统示意图。

图4是本发明的X轴电流频率调节变化图。

图5是本发明的Y轴电流频率调节变化图。

图6是本发明电子枪初始扫描轨迹图。

图7是本发明电子枪调整后扫描轨迹图。

图中 1.真空腔体，2.真空泵，3.低温泵，4.伞架，5.基片， 6. e型电子枪，7.坩埚，8.观察窗，9.加热位，10.存放位，11.挡板，12.插板阀，13.修正板，14.红外线加热灯，15.伞架驱动机构。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种真空镀膜装置，如图1和图2所示，包括真空腔体1、与真空腔体连接的真空泵2和低温泵3，低温泵与真空腔体的连接管上设计有插板阀12，真空腔体的顶部设计有伞架驱动机构15和伞架4，伞架驱动机构与伞架连接，伞架上放置待镀膜的基片5，在真空腔体的下部设计有e型电子枪6，在电子枪内设计有排列成一圆圈并可沿圆心转动的坩埚位，坩埚位上放置有坩埚7，坩埚位包括一个加热位9和若干个存放位10，坩埚内放置有镀膜材料，真空腔体上设计有观察窗8，在坩埚加热位的上方安装有挡板11，挡板为活动式，加热时打开，坩埚加热位的正上方还设计有修正板13，修正板处于挡板与伞架之间，真空腔体的电子枪两侧还安装有红外线加热灯14，红外线加热灯朝上并正对伞架；本实施例的控制系统如图3所示，包括主机单元和电子枪控制单元，主机单元包括工控机和I/O单元、放大单元， I/O单元外接真空规、温度检测仪、插板阀、红外线加热灯、伞架驱动机构、气体流量控制器和膜厚测量仪，放大单元外接电子枪控制单元，电子枪控制单元包括X轴扫描线圈驱动装置和Y轴扫描线圈驱动装置，工控机内设计有高速板卡，高速板卡与放大单元连接；工作时，预先将低温泵的冷端温度置于20K以下并关闭插板阀，将所需的镀膜材料分别放置在相应的坩埚内，待镀基片放置在伞架上；关闭真空腔体后开启真空泵抽真空，真空腔体内的真空度预抽到2×10^-2Torr以下时，关闭真空泵；将放置有待镀材料的坩埚旋转至坩埚加热位，将插板阀置于完全打开状态，用低温泵抽除真空腔体内的剩余气体，使真空腔体内的真空度继续提升，打开e型电子枪，根据不同的镀膜材料，控制电子束流扫描加热位上的坩埚内镀膜材料，观察坩埚内镀膜材料的表面温度分布状态，调整电流参数进行电子束流扫描，使坩埚内的镀膜材料表面温度均匀一致，打开红外线加热灯辐射加热伞架上的基片；当基片温度达到150℃时，将插板阀置于40%的开口度，当镀膜材料表面温度上升到该材料的蒸发温度时，打开气体质量流量控制器，通入反应气体，并通过真空规测量真空腔体内的真空度，调整插板阀的开启度，使真空度保持在2×10^-4Torr之间，同时转动伞架，移开挡板，使蒸发气化的镀膜材料蒸汽上升并通过修正板后均匀扩散，在基片表面与通入的反应气体发生化学反应，形成均匀致密的膜层。通过膜厚检测仪检测膜厚，当基片表面的膜厚达到要求时，关闭电子枪，挡板重新转回置于遮挡位置，根据加工要求判断是否需进行下一层的镀膜。如有下一层的镀膜要求，则重复进行以上步骤，完成第二层材料的镀膜，依次类推，完成其他层的镀膜，如无要求，则真空腔体充气后完成整个镀膜过程，关闭插板阀，伞架停止转动；

坩埚加热过程中的电子束流扫描控制方法是一种按区块分别设置扫描时间的方式，将电子枪扫描线圈上的控制电流在一个周期内等分形成至少8个以上的若干小区间，对应的电子束流在蒸发材料表面形成相应的若干扫描区块，若干个扫描区块组成蒸发材料表面的整个加热区域，设置并修正各小区间内的电流频率参数，来调整电子束流在每个扫描区块内的相对扫描速度，相应控制电子束流对该区块的加热时间，达到镀膜材料表面的加热均匀性，各小区间总的电流变化周期与设定的扫描线圈的电流变化周期是相同的。

初始工作时，

设定：X轴电流频率为1Hz的正弦波，峰值为1；

Y轴电流频率为1Hz的正弦波，相位比X电流滞后90度，峰值也为1；

X轴电流频率及Y轴电流频率各均分为8个区域，如图4和图5中的曲线1，在默认情况下，各区域的设置值都是一样的，各区域所占用的时间是一样的，各为1/8T, 即1/8S。电子枪的电子束流扫描轨迹为一个圆，如图6所示，电子束流的扫描速度是均匀的，电子束流在坩埚内镀膜材料的表面加热时间也是均匀，即在8个区块内的加热时间均相同，

当由于氧化物材料表面加热温度不均匀时，例如在Ⅰ和Ⅱ的两个区块的加热温度偏低，则需要调整电子束流在该区域的扫描速度，可在相应的区域进行参数调整；操作人员对参数作如下调整：

X轴扫描电流调节：

X区域	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8
									设置值	200	200	100	100	100	100	100	100

Y轴扫描电流调节：

Y区域	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7	Y8
									设置值	100	100	100	100	100	100	100	100

则此时：

1.计算X轴电流各区域的频率值：200+200+100+100+100+100+100+100=1000

X1及X2区域的占用比例为：200/1000=1/5=0.2

X3～X8区域的占用比例为：100/1000=1/10=0.1

由于Y电流各区域的数值没有调整，各区域的占用比例仍为1/8=0.125

因此：

Ⅰ区域的占用比例为（0.2+0.125）/2=0.162

Ⅱ区域的占用比例也为（0.2+0.125）/2=0.162

Ⅲ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

Ⅳ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

Ⅴ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

Ⅵ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

Ⅶ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

Ⅷ区域的占用比例为（0.1+0.125）/2=0.1125

据此可知：

Ⅰ区域的电流频率为0.125/0.162×1=0.771Hz

Ⅱ区域的电流频率为0.125/0.162×1=0.771Hz

Ⅲ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

Ⅳ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

Ⅴ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

Ⅵ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

Ⅶ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

Ⅷ区域的电流频率为0.125/ 0.1125×1=1.111Hz

可知在Ⅰ和Ⅱ区域的电子束流扫描频率变慢，如图4和图5中的曲线2所示，即电子束流在1/8T和1/4T的时间内所扫描的区域减少，如图7所示，相同时间内扫描距离缩短，加热量增加，而其他时间的扫描区域相应增加，温度下降，使各区域的加热趋向一致。

以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种真空镀膜装置，包括真空腔体（1）、与真空腔体连接的真空泵（2）和低温泵（3），所述真空腔体的顶部设有伞架（4），所述伞架上放置待镀膜的基片（5），在真空腔体的下部设有e型电子枪（6），在电子枪内设有坩埚（7），所述坩埚内放有镀膜材料，真空腔体上设有观察窗（8），其特征在于：所述e型电子枪内设有排列成一圆圈并可沿圆心转动的坩埚位，所述坩埚设在坩埚位上，所述坩埚位包括一个加热位（9）和若干个存放位（10），所述坩埚加热位的上方设有挡板（11），所述挡板为活动式，所述低温泵与真空腔体的连接管上设有插板阀（12），在真空腔体的中部设有修正板（13），修正板设在所述坩埚加热位的正上方并处于所述挡板与所述伞架之间。

2.根据权利要求1所述的一种真空镀膜装置，其特征在于：所述真空腔体的e型电子枪（6）两侧设有红外线加热灯（14），所述红外线加热灯朝上并对准伞架（4）。

3.根据权利要求1或2所述的一种真空镀膜装置，其特征在于：所述真空腔体（1）顶部设有伞架驱动机构（15），所述伞架驱动机构与所述伞架（4）连接。

4.基于权利要求1所述的一种真空镀膜装置的真空镀膜控制系统，包括主机单元和电子枪控制单元，主机单元包括工控机和I/O单元、放大单元，所述I/O单元外接真空规、温度检测仪、插板阀、红外线加热灯、伞架驱动机构、气体流量控制器和膜厚测量仪，所述放大单元外接电子枪控制单元，所述电子枪控制单元包括X轴扫描线圈驱动装置和Y轴扫描线圈驱动装置。

5.根据权利要求4所述的真空镀膜控制系统，其特征在于：所述工控机内设有高速板卡，所述高速板卡与所述放大单元连接。

6.基于权利要求4所述的真空镀膜控制系统的真空镀膜控制方法，其步骤如下：

A. 预先将低温泵的冷端温度置于20K以下并关闭插板阀；

B. 将所需的镀膜材料放置在相应的坩埚内，待镀基片放置在伞架上，关闭真空腔体后开启真空泵抽真空，真空腔体内的真空度预抽到2×10^-2Torr以下时，关闭真空泵；

C. 将放置有待镀材料的坩埚旋转至加热位；

E. 观察加热位坩埚内镀膜材料的表面温度分布状态，进行不同的电子束流扫描控制方法加热，使坩埚内的镀膜材料表面温度均匀一致，其中的电子束流扫描控制方法是一种按区块分别设置扫描时间的方式，将电子枪扫描线圈上的控制电流在一个周期内等分形成至少8个以上的若干小区间，对应的电子束流在蒸发材料表面形成相应的若干扫描区块，若干个扫描区块组成蒸发材料表面的整个加热区域，设置并修正各小区间内的电流频率参数，来调整电子束流在每个扫描区块内的相对扫描速度，相应控制电子束流对该区块的加热时间，达到镀膜材料表面的加热均匀性，各小区间总的电流变化周期与设定的扫描线圈的电流变化周期是相同的；

G. 当镀膜材料表面温度上升到该材料的蒸发温度时，打开气体流量控制器，通入反应气体，并通过真空规测量真空腔体内的真空度，控制插板阀的开启位置，使真空度保持在2×10^-4～4×10^-4Torr之间，同时转动伞架，移开挡板，使蒸发气化的镀膜材料上升并通过修正板均匀扩散，在基片的表面与通入的反应气体发生化学反应，在基片表面形成均匀致密的膜层；

7.根据权利要求6所述的真空镀膜控制方法，其特征在于：步骤（G）所述的气体流量控制器为气体质量流量控制器。

8.根据权利要求6所述的真空镀膜控制方法，其特征在于：步骤（E）所述的电子束流扫描控制方法，其方法如下：

i. 如某区块的温度偏低，则提高该区块的X轴扫描线圈或/和Y轴扫描线圈的电流所占时间参数，使电子束流在该区块内的扫描速度变慢，电子束流在该区块内的停留时间延长，相应加热时间也延长，使温度升高。