CN108315704A - 一种磁控溅射光学镀膜设备及镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控溅射光学镀膜设备和镀膜方法，该设备包含真空镀膜室、磁控溅射靶组件、立式旋转鼓，真空镀膜室为立式圆筒形结构，立式旋转鼓位于真空镀膜室内，绕垂直轴线旋转，立式旋转鼓中心设置有旋转密封箱，旋转密封箱内设置有膜厚测量仪表，旋转密封箱的上部连接有旋转轴，旋转密封箱内的气氛与真空镀膜室隔离。多组磁控溅射靶组件设置在立式旋转鼓外围的真空镀膜室的侧壁上。镀膜方法包括将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面，对镀膜设备抽真空；转动立式旋转鼓达到设定的转速；启动射频离子源；交替启动第一种材料的磁控靶靶和第二种材料的磁控靶，按工艺要求镀制膜层。

Description

一种磁控溅射光学镀膜设备及镀膜方法
技术领域
本发明属于真空设备领域，特别是涉及一种磁控溅射光学镀膜设备及应用于光学及电子器件领域的磁控溅射光学镀膜方法。
背景技术
当前，光学等对膜层厚度精度要求高的镀膜主设备主要是真空蒸发镀膜，随着手机等电子设备的发展，既要求膜系的控制精度高，又要求产能大、成本低。市场上也出现磁控溅射光学镀膜设备及磁控溅射光学镀膜方法，基本采用的都是应用于装饰或工模具的镀膜设备和镀膜方法，或应用于太阳能或显示器件功能性磁控溅射膜，所有的这些薄膜都不需要精确控制膜厚，并且镀层少；由于应用于光学及电子器件领域的磁控溅射光学镀膜，是在高速旋转下精确控制镀多层膜，最高需要镀数百层膜，通过控制不同波长的光的通过或反射，达到光学目的；尽管有技术提出可以镀制光学薄膜，但都存在两大问题，第一是无法监测和控制镀膜厚度，只能通过控制时间，间接控制膜厚；第二只能采用氧化物靶材，直接镀金属氧化物，这样的靶材镀膜效率极低，不适应大规模生产；因此需要开发适合手机等电子设备应用的磁控溅射光学镀膜设备及应用于光学领域的真空磁控溅射镀膜方法。
发明内容
本发明通过以下技术方案实现：
一种磁控溅射光学镀膜设备，包含真空镀膜室、磁控溅射靶组件、立式旋转鼓；真空镀膜室为立式圆筒形结构，上下两端设置有上盖板和下盖板，侧面有侧开门；立式旋转鼓位于真空镀膜室内，绕垂直轴线旋转，立式旋转鼓中心设置有旋转密封箱，旋转密封箱的上部连接有旋转轴，旋转轴通过轴承支撑在真空镀膜室的上盖板上；旋转轴中心有孔，孔内通有冷却水管；旋转密封箱内的气氛与真空镀膜室隔离，在旋转密封箱内设置有膜厚测量仪表；磁控溅射靶组件设置在立式旋转鼓外围的真空镀膜室的侧壁上，所述的磁控溅射靶组件为2组以上。
所述的磁控溅射靶组件包含2个圆柱磁控溅射旋转靶；圆柱磁控溅射旋转靶为立式结构，2个圆柱磁控溅射旋转靶中心轴线的距离在150-280mm。
在所述的立式旋转鼓上设置有膜厚测量传感器组件；传感器组件包含晶振片、晶振片基座、冷却管；晶振片安装在晶振片基座上，晶振片基座安装在立式旋转鼓上，冷却管的一端与晶振片基座相连，另一端引入立式旋转鼓的旋转密封箱内；信号导线的一端与晶振片基座相连，另一端引入立式旋转鼓的旋转密闭箱体内与膜厚测量仪表相连。
在所述的立式旋转鼓上设置有膜厚测量传感器组件；传感器组件包含法兰组件、冷却管、小旋转轴、晶振片基座、旋转盘；冷却管的一端与晶振片基座相连，另一端穿过法兰组件引进到旋转密封箱内；旋转盘安装在晶振片基座上与小旋转轴相连。
在真空镀膜室的上盖板和下盖板上都分别设置有2台以上的真空分子泵。
所述的真空镀膜室的侧开门上还设置有射频离子源；射频离子源包含射频感应铜管线圈、石英玻璃板、密封法兰；石英玻璃板安装在密封法兰上隔离真空，射频感应铜管线圈设置在石英玻璃板的外部。
所述的真空镀膜室的立式筒体上还设置有真空隔离阀门；在真空隔离阀门的两侧都设置有磁控溅射靶。
所述的磁控溅射靶组件还设置有旋转磁铁装置，圆柱磁控溅射旋转靶中的旋转磁铁装置沿轴线旋转角度在0-120°范围。
所述的真空镀膜室内还设置有固定密封箱，固定密封箱支撑在立式旋转鼓下方的真空镀膜室的下盖板上，固定密封箱内的气氛与真空镀膜室内气氛隔离。
所述的磁控溅射靶组件包含2个中频圆柱磁控溅射旋转靶；中频圆柱磁控溅射旋转靶的旋转装置设置在真空镀膜室外部。
一种磁控溅射光学镀膜方法，包含：（1）将需要镀膜的工件装卡到光学镀膜设备的立式旋转鼓的侧面，对镀膜设备抽真空；（2）转动立式旋转鼓达到设定的转速；（3）启动射频离子源；（4）启动第一种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，进行第一种材料溅射镀膜；（5）关闭已启动的第一种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，启动第二种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶进行第二种材料溅射镀膜；（6）按工艺要求交替镀制第一种材料和第二种材料；（7）关闭中频圆柱磁控溅射旋转靶电源，之后关闭射频离子源；（8）停止抽真空后，对镀膜设备充气。
在将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面之前，要先打开真空隔离阀门，再采用镀膜设备外面安装的机械手将工件装卡到立式旋转鼓的侧面。
在将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面之前，要先打开真空镀膜室的侧开门，再将工件装卡到立式旋转鼓的侧面。
在启动射频离子源时，调整氩气以及氧气或氮气的流量达到第一设定值，对工件表面清洗，之后调整氩气以及氧气或氮气的流量至第二设定值，使镀层完全氧化或氮化。
所述的第一种材料和第二种材料分别选自硅、钛和铌中的一种。单层膜的厚度在5-50nm,总厚度在100-300nm，合计3-60层。
在本发明的一种优选的实施方式中，在立式旋转鼓的侧面上还安装有测量镀膜厚度的晶振片；镀膜时，晶振片和工件随立式旋转鼓同步转动，依据晶振片提供的镀膜厚度参数控制镀膜厚度。
在本发明的另一种优选的实施方式中，镀膜时，根据镀膜时间控制镀膜厚度。
在安装有镀膜工件的立式旋转鼓的侧面上还安装有测量镀膜厚度的晶振片和晶振片基座；镀膜时，晶振片和工件随立式旋转鼓同步转动，依据晶振片提供的镀膜厚度控制镀膜厚度。
安装在立式旋转鼓的侧面的工件和晶振片在中频圆柱磁控溅射旋转靶附近被溅射镀膜，旋转到射频离子源附近与氧离子或氮离子反应生成氧化物或氮化物膜层。
本发明的有益效果：
1.特殊设计的膜厚测量装置实现精确的镀膜厚度在线测量和控制。
2.通过设置射频离子源，解决了金属氧化物的反应溅射技术，高效镀制多层金属氧化物薄膜，实现各种波长的光学干涉薄膜。
附图说明
图1是本发明设备的主视图。
图2是本发明设备的俯视图。
图3 是本发明设备的A-B-C向视图。
具体实施方式
结合附图，说明本发明中涉及的几种磁控溅射光学镀膜设备及磁控溅射光学镀膜方法。
如图1至3所示，一种磁控溅射光学镀膜设备，包含真空镀膜室3、磁控溅射靶组件19、立式旋转鼓1；真空镀膜室3为立式圆筒形结构，上下两端设置有上盖板24和下盖板26，侧面有侧开门22；立式旋转鼓1位于真空镀膜室3内，绕垂直轴线旋转，立式旋转鼓1的外周安装有用来挂装需要镀膜的工件的基板30，立式旋转鼓1的中心设置有旋转密封箱10，旋转密封箱10的上部连接有旋转轴5，旋转轴5通过轴承4支撑在真空镀膜室3的上盖板24上；旋转轴5的中心有孔，孔内通有冷却水管8；旋转密封箱10内的气氛与真空镀膜室3隔离，在旋转密封箱10内设置有膜厚测量仪表9；磁控溅射靶组件19设置在立式旋转鼓1外围，安装在真空镀膜室3的侧壁上，磁控溅射靶组件有2组以上，本图所示为4组，分布在真空隔离阀门2的两侧，左侧两组为硅靶，右侧两组为金属铌靶，也可以换成金属钛靶。
每个磁控溅射靶组件都包含两个圆柱磁控溅射旋转靶；圆柱磁控溅射旋转靶为立式结构，两个圆柱磁控溅射旋转靶中心轴线的距离在150-280mm。
膜厚测量传感器组件11设置在立式旋转鼓1上。
在本发明的一种实施方式中，膜厚测量传感器组件11包含晶振片、晶振片基座13、冷却管；晶振片安装在晶振片基座13上，晶振片基座13安装在立式旋转鼓1的外缘上，冷却管的一端与晶振片基座13相连，另一端引入立式旋转鼓1的旋转密封箱10内，冷却管内通有流动的冷却介质，用于冷却晶振片基座13，以提高测量精度；膜厚测量传感器组件11还包含信号导线，信号导线的一端与晶振片基座13相连，另一端引入立式旋转鼓1的旋转密闭箱体10内与膜厚测量仪表9相连。
在本发明的另一种实施方式中，膜厚测量传感器组件11包含法兰组件、冷却管、小旋转轴12、晶振片基座13、旋转盘14；冷却管的一端与晶振片基座13相连，另一端穿过法兰组件引进到旋转密封箱10内；旋转盘14安装在晶振片基座13上与小旋转轴12相连。
在上盖板24和下盖板26上都分别设置有真空分子泵23、27；真空镀膜室3的侧开门22上还设置有射频离子源16；射频离子源16包含射频感应铜管线圈15、石英玻璃板17、密封法兰18；石英玻璃板17安装在密封法兰18上隔离真空，射频感应铜管线圈15设置在石英玻璃板17的外部，射频感应铜管线圈15与射频电源相连。
在真空镀膜室3的立式筒体上还设置有真空隔离阀门2；在真空隔离阀门2的两侧都设置有磁控溅射靶组件19；磁控溅射靶组件19还设置有旋转磁铁装置21，磁控溅射旋转靶中的旋转磁铁装置21沿轴线旋转角度在0-120°范围，或在0-45°范围内旋转。
在真空镀膜室3内还设置有固定密封箱29，固定密封箱29通过固定密封箱支架28支撑在立式旋转鼓1下方的下盖板26上，固定密封箱29内的气氛与真空镀膜室3内气氛隔离，还有管道穿过下盖板26。
每个磁控溅射靶组件都包含2台中频圆柱磁控溅射旋转靶；中频圆柱磁控溅射旋转靶的旋转装置设置在真空镀膜室外部。
在磁控溅射光学镀膜方法的一种实施方式中，（1）首先打开真空镀膜室3的侧开门，将需要镀膜的工件装卡到光学镀膜设备的立式旋转鼓1的侧面，对镀膜设备抽真空至8×10-2 Pa；（2）转动立式旋转鼓1，转速达到85rpm；（3）启动射频离子源16，打开氩气充气阀，调节功率至0.8KW，之后再打开氧气充气阀，调节功率至2KW；（4）启动金属钛材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶进行溅射镀膜，测量厚度至20nm停止；（5）启动硅材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，进行金属硅材料溅射镀膜；测量厚度至12nm停止；（6）按工艺要求交替镀制以上这两种材料；（7）关闭中频圆柱磁控溅射旋转靶电源，之后关闭射频离子源；（8）停止抽真空后，对镀膜设备充气。
在磁控溅射光学镀膜方法的另一种实施方式中，（1）首先打开真空镀膜室3的真空隔离阀门2，通过设置在真空镀膜室外的机械手将需要镀膜的工件装卡到光学镀膜设备的立式旋转鼓1的侧面，之后关闭真空隔离阀门3，对镀膜设备抽真空至8×10-2 Pa；（2）转动立式旋转鼓1，转速达到95rpm；（3）启动射频离子源，打开氩气充气阀，调节两个射频离子源的功率都是0.5KW，之后再打开氧气充气阀，调节功率至2KW；（4）启动金属铌材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶进行溅射镀膜，测量厚度至30nm停止；（5）启动硅材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，进行金属硅材料溅射镀膜；测量厚度至25nm停止；（6）按工艺要求交替镀制以上这两种材料，总厚度达到185nm ；（7）关闭中频圆柱磁控溅射旋转靶电源后关闭射频离子源；（8）停止抽真空后，对镀膜设备充气，打开真空隔离阀门，通过机械手将工件放到机械手附近的基板架上。

Claims (14)

1.一种磁控溅射光学镀膜设备，包含真空镀膜室、磁控溅射靶组件、立式旋转鼓，其特征在于：真空镀膜室为立式圆筒形结构，上下两端设置有上盖板和下盖板，侧面有侧开门；立式旋转鼓位于真空镀膜室内，绕垂直轴线旋转，立式旋转鼓中心设置有旋转密封箱，旋转密封箱的上部连接有旋转轴，旋转轴通过轴承支撑在真空镀膜室的上盖板上；旋转轴中心有孔，孔内通有冷却水管；旋转密封箱内的气氛与真空镀膜室隔离，在旋转密封箱内设置有膜厚测量仪表；磁控溅射靶组件设置在立式旋转鼓外围的真空镀膜室的侧壁上，所述的磁控溅射靶组件为2组以上。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：磁控溅射靶组件包含2个圆柱磁控溅射旋转靶；圆柱磁控溅射旋转靶为立式结构，2个圆柱磁控溅射旋转靶中心轴线的距离在150-280mm。
3.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：在立式旋转鼓上设置有膜厚测量传感器组件；传感器组件包含晶振片、晶振片基座、冷却管；晶振片安装在晶振片基座上，晶振片基座安装在立式旋转鼓上，冷却管的一端与晶振片基座相连，另一端引入立式旋转鼓的旋转密封箱内；信号导线的一端与晶振片基座相连，另一端引入立式旋转鼓的旋转密闭箱内与膜厚测量仪表相连。
4.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：在立式旋转鼓上设置有膜厚测量传感器组件；传感器组件包含法兰组件、冷却管、小旋转轴、晶振片基座、旋转盘；冷却管的一端与晶振片基座相连，另一端穿过法兰组件引进到旋转密封箱内；旋转盘安装在晶振片基座上与小旋转轴相连。
5.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：真空镀膜室的侧开门上还设置有射频离子源；射频离子源包含射频感应铜管线圈、石英玻璃板、密封法兰；石英玻璃板安装在密封法兰上隔离真空，射频感应铜管线圈设置在石英玻璃板的外部。
6.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：真空镀膜室的立式筒体上还设置有真空隔离阀门；在真空隔离阀门的两侧都设置有磁控溅射靶。
7.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：磁控溅射靶组件还设置有旋转磁铁装置，圆柱磁控溅射旋转靶中的旋转磁铁装置沿轴线旋转角度在0-120°范围。
8.根据权利要求1所述的磁控溅射光学镀膜设备，其特征在于：真空镀膜室内还设置有固定密封箱，固定密封箱支撑在立式旋转鼓下方的真空镀膜室的下盖板上，固定密封箱内的气氛与真空镀膜室内气氛隔离。
9.一种磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：磁控溅射光学镀膜方法包含：（1）将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面，对镀膜设备抽真空；（2）转动立式旋转鼓达到设定的转速；（3）启动射频离子源；（4）启动第一种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，进行第一种材料溅射镀膜；（5）关闭已启动的第一种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶，启动第二种材料的中频圆柱磁控溅射旋转靶进行第二种材料溅射镀膜；（6）按工艺要求交替镀制第一种材料和第二种材料的膜层；（7）关闭中频圆柱磁控溅射旋转靶电源，之后关闭射频离子源；（8）停止抽真空后，对镀膜设备充气。
10.根据权利要求9所述的磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：在将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面之前，要先打开真空隔离阀门，再采用镀膜设备外面安装的机械手将工件装卡到立式旋转鼓的侧面。
11.根据权利要求9所述的磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：在将需要镀膜的工件装卡到镀膜设备的立式旋转鼓的侧面之前，要先打开真空镀膜室的侧开门，再将工件装卡到立式旋转鼓的侧面。
12.根据权利要求9所述的磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：在启动射频离子源时，调整氩气以及氧气或氮气的流量达到第一设定值，对工件表面清洗，之后调整氩气以及氧气或氮气的流量至第二设定值，使镀层完全氧化或氮化。
13.根据权利要求9所述的磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：在立式旋转鼓的侧面上还安装有测量镀膜厚度的晶振片；镀膜时，晶振片和工件随立式旋转鼓同步转动，依据晶振片提供的镀膜厚度参数控制镀膜厚度。
14.根据权利要求9所述的磁控溅射光学镀膜方法，其特征在于：镀膜时，根据镀膜时间控制镀膜厚度。
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