CN103866248A

CN103866248A - 一种反应溅射等离子体控制系统及方法

Info

Publication number: CN103866248A
Application number: CN201410131649.7A
Authority: CN
Inventors: 王小辉; 卫红; 曹一鸣; 刘志宇; 陈霞; 莫�忠
Original assignee: GUANGZHOU MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: GUANGZHOU MECHANICAL AND ELECTRICAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明公开了一种反应溅射等离子体控制系统及方法，所述控制系统包括控制器、电源、气体流量压电阀、镀膜室和多路传感反馈；所述控制器，通过控制信号控制溅射电源输出电流电压和工作气体、反应气体流量压电阀；多路传感反馈，包括等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路。本发明通过监控等离子反应溅射光谱、控制工作气体和反应气体精确含量、靶电流电压等来实现溅射过程的快速反馈实时控制，实现溅射沉积速率的稳定和保证溅射薄膜成分的稳定。不仅适用于较小基片、单一溅射材料，对大面积基片、复合掺杂溅射材料都有较好效果。

Description

一种反应溅射等离子体控制系统及方法

技术领域

本发明涉及真空反应溅射镀膜技术，尤其涉及一种反应磁控溅射过程中多路反馈控制的等离子体控制系统及方法。

背景技术

众所周知，真空镀膜技术已广泛应用于许多产业，并在平板显示、太阳能光伏、新型电子信息、节能玻璃等产业中称为核心关键技术。未来市场对真空镀膜工艺技术的挑战在于高品质精密光薄膜和电学薄膜等的大规模生产。目前，随着磁控溅射技术设备的进步及溅射工艺监控技术的技术突破，正逐步应用于高质量光学薄膜的制备。

反应溅射法是用于生成化合物薄膜的技术，传统方法的反应溅射是在一开始设定反应气体的流量使溅射处于适当的氧化模式，属于开环控制。当工艺参数发生改变，由于不能自动调整气体流量和靶电流电压，造成反应不充分及溅射速率改变而使镀膜不均。特别是对钛、镍、铌等一些金属靶材，其反应溅射迟滞曲线很窄，工作过程不易稳定控制，存在溅射速率低下、沉积的薄膜层质量不理想、对金属化合物成分控制重复性不稳定、打弧、靶材中毒等缺点。

改进措施一般采用闭环控制系统，以气体传感器探测反应溅射中反应气体的反压，用质量流量计调节反应气体流量，来实现对化合物成分的控制。对于较小的基片，这种单一监控通道的闭环控制可以达到一定的效果。到那时对于较大面积基片并且对膜层均匀性有较高要求时，仅适用气体传感器单一输入控制很难实现高速、精确、稳定的控制，这就给制备高性能高质量的化合物薄膜带来了困难。

发明内容

为解决上述反应溅射等离子控制系统模型和方法的问题与缺陷，本发明的目的是提供一种反应溅射等离子体控制系统及方法，该系统和方法通过监控等离子体发射光谱、工作气体和反应气体的精确含量、靶电流电压等来实现溅射过程的快速反馈实时控制，实现溅射沉积速率的稳定和保证溅射薄膜成分的稳定。不仅适用用较小的基片、单一溅射材料，对大面积基片、复合掺杂溅射材料都有较好的效果。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种反应溅射等离子体控制系统，该系统包括：

控制器、电源、气体流量压电阀、镀膜室和多路传感反馈；所述

控制器，通过控制信号控制溅射电源输出电流电压和工作气体、反应气体流量压电阀；

多路传感反馈，包括等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路。

一种反应溅射等离子体控制方法，该方法包括：

抽取镀膜室内的部分真空，使达到一定的真空度；

向镀膜室内通入工作气体和反应气体；

预置靶电流电压，使工作气体和反应气体辉光放电形成等离子体区，靶材反应溅射，在基片表面形成薄膜；

通过多路传感反馈电路判断反应溅射状态变化，根据反应溅射状态变化实时调整工作气体流量和反应气体流量，并保持溅射电流电压的稳定。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

1、采用多路传感反馈，分别获取等离子体光谱信息、气体分压信息、靶电流电压信息通过PDF算法来进行综合控制。以光谱反馈为主，兼顾气体反馈和电流电压反馈，达到更快速、精确、稳定的控制。

2、由于光学探头安装位置直接决定光谱特征信号获取效果，本发明在反应溅射区两端设置有光纤探头，实时监控溅射全区域的反应状况，光谱传感器反馈的信号更加准确，可提高镀膜的均匀性。

3、等离子体反应光谱和反应气体分压监控相结合，可以实现金属化合物成分的精密控制。

4、通过工作气体分压和真空室总压比值的电位信号，靶电流电压反馈电路等来实现溅射过程的快速反馈实时控制，实现溅射沉积速率的稳定。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是反应溅射等离子体控制系统的表示方法示意图；

图2是反应溅射等离子体控制系统结构示意图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是反应溅射等离子体控制系统的表示方法示意图，所述控制系统包括：控制器、电源、气体流量压电阀、镀膜室和多路传感反馈；所述控制器，通过控制信号控制溅射电源输出电流电压和工作气体、反应气体流量压电阀；多路传感反馈，包括等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路。

上述等离子体光谱反馈电路采用光纤探头检测真空室中等离子体反应溅射发射光谱中特定光谱的强度，经过滤波、放大和预置工作点信号进行差值运算后调节反应气体流量压电阀。所述光纤探头设置多个，分别安装在等离子体反应溅射区两端及中间位置。

上述气体分压反馈电路既将气体传感器安装在真空室中来探测工作气体和反应气体分压，并将分压值与真空室总压值的比值转换为电位信号，再经过信号放大反馈到控制器中。

上述靶电流电压反馈电路是用一个高增益运算放大器作为输出值和给定值的误差放大，如果输出值偏离给定值，那么放大器输出误差就会反馈到控制器,根据工作气体分压和真空室总压比值的电位信号，控制器调节电源的脉冲宽度使输出电压值稳定在给定电压值。

如图2所示，为反应溅射等离子体控制系统结构，包括真空镀膜室1、基片2、气体通入口3、光纤探头4、气体传感器5、遮挡板6、靶7、电源8、控制器9、反应气体流量压电阀10、工作气体流量压电阀11。在真空镀膜室1内对立安装有基片2和靶7，靶为孪生靶，在溅射反应过程中，在基片2和孪生靶7内会产生等离子体区，在等离子体区左右两端分别对称设置气体通入口3、光纤探头4、氧传感器5、遮挡板6。所述孪生靶7通过导线连接电源8的两个输出端，电源8的输出端电流电压反馈到控制器9，所述电源8的控制端连接到控制器9。除了电源8的输出端反馈到控制器9之外，上述光纤探头4和氧传感器5的输出信号也反馈到控制器9，然后控制器9与反应气体流量压电阀10及工作气体流量压电阀11相连，控制气体分压和流量。

本实施例还提供了一种反应溅射等离子体控制方法，该方法包括：

抽取镀膜室内的部分真空，使达到一定的真空度；根据具体的工艺要求，事先设定控制器工艺参数信息。

向镀膜室内通入预置的工作气体和反应气体。

调整电源使气体产生辉光放电，上述工作气体和反应气体是在基片和孪生靶之间形成的等离子体区。

上述反应溅射过程，由控制器自动控制整个溅射过程。

在真空镀膜室中形成的等离子体区按图2位置设置的光纤探头4可以获取等离子体中发射光谱信息，通过带通滤波片获得特定光的波长，从而监控材料和气体的反应程度，反馈到控制器，控制器通过算法调整靶电流电压和工作气体、反应气体分压。

在真空镀膜室中形成的等离子体区按图2位置设置的气体传感器5可以获取真空中气体分压，直接反馈到控制器9中，控制器9通过算法调整反应气体流量压电阀10来控制通入反应气体，通过工作气体流量压电阀11来控制工作气体的流量。

上述电源8两个输出端和一个控制端与控制器9端相连，如果反馈的输出端电压值偏离电压给定值，那么控制器9就会纠正电源8的脉冲宽度，从而使输出电压值稳定在电压给定值。

上述整个反应溅射等离子体控制系统以等离子体光谱反馈为主，兼顾气体反馈和靶电流电压反馈的多路传感反馈，通过控制器9控制电源8和气体流量压电阀10来更好的控制反应溅射整个过程。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器、电源、气体流量压电阀、镀膜室和多路传感反馈；所述

2.根据权利要求1所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述

等离子体光谱反馈电路，通过光纤探头检测真空室中等离子体反应溅射发射光谱中光谱的强度，并经过滤波、放大和预置工作点信号进行差值运算；

气体分压反馈电路，通过气体传感器探测真空室中工作气体和反应气体分压，并将分压值与真空室总压值的比值转换为电位信号，放大电位信号反馈到控制器中；

靶电流电压反馈电路，通过高增益运算放大器将输出电压值和给定电压值的误差放大，将输出电压值偏离给定电压值的误差反馈于控制器，根据工作气体分压和真空室总压比值的电位信号，控制器调节电源的脉冲宽度使输出电压值稳定在给定电压值。

3.根据权利要求1所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述镀膜室内安装有基片和靶，所述靶为孪生靶，并在基片和孪生靶内产生等离子体区；在所述等离子体区左右两端分别对称设置有气体通入口、光纤探头、氧传感器、气体传感器和遮挡板。

4.根据权利要求2所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，根据反应溅射发射光谱中光谱的强度的差值运算调节反应气体流量压电阀。

5.根据权利要求3所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述光纤探头设置有多个，分别安装在等离子体反应溅射区两端及中间位置。

6.根据权利要求3所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述孪生靶通过导线连接电源的两个输出端，所述电源的两个输出端电流电压反馈到控制器。

7.根据权利要求3所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述光纤探头和氧传感器的输出信号反馈到控制器。

8.根据权利要求1所述的反应溅射等离子体控制系统，其特征在于，所述控制器为等离子体反应监控器，且控制器与反应气体流量压电阀和工作气体流量压电阀相连，控制气体的分压和流量。

9.一种反应溅射等离子体控制方法，其特征在于，所述方法包括：

抽取镀膜室内的部分真空，使达到一定的真空度；

向镀膜室内通入工作气体和反应气体；

10.根据权利要求9所述的反应溅射等离子体控制方法，其特征在于，所述多路传感反馈电路包括：等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路。