CN110438463A - 一种解决镀膜产品横向均匀性的方法及其镀膜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜制备技术领域，尤其涉及一种解决镀膜产品横向均匀性的方法及其镀膜装置，使所述靶材电源的放电功率随着所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离随时间的变化而发生变化，且所述靶材电源的放电功率随所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离以补偿方式产生调整，从而控制所述镀膜工件的待镀膜表面的镀膜横向均匀性。本发明的优点是：可对面形不规则工件实现良好的镀膜厚度均匀性，提高镀膜质量和良率；结构简单，易于实现，调整灵活，适于推广。

Description

一种解决镀膜产品横向均匀性的方法及其镀膜装置
技术领域
本发明涉及薄膜制备技术领域，尤其涉及一种解决镀膜产品横向均匀性的方法及其镀膜装置。
背景技术
近年，真空镀膜技术在光学仪器设备、智能手机、平板电脑、车载部件等领域的应用日益深入。在现有真空镀膜过程中，为实现薄膜在工件表面的厚度一致性，往往采取工件架旋转的方式。通过边旋转边镀膜，工件架上工件的每一待镀膜区域可依次经过蒸发源，并可能形成在旋转方向上镀膜厚度的均匀性。与上述相反，采取工件架固定、蒸发源绕工件架旋转的镀膜配置也可能实现工件在旋转方向上镀膜厚度的均匀性。
在采用圆筒鼓型工件架的磁控溅射镀膜设备中，旋转式工件架安装在真空镀膜室中心区域，当镀膜工件竖直贴放在圆筒形工件架的侧壁外侧时，溅射靶材一般设置在真空镀膜室的侧壁上。对于上述竖直方式放置的镀膜腔室，在俯视情况下，镀膜工件绕镀膜腔室中心轴上的对应中心点旋转时的运动轨迹为以镀膜腔室中心轴上的对应中心点为圆心的圆形；溅射靶材则位于距离上述圆形一定距离处。在工件旋转方向上，镀膜工件形状与上述圆形往往不能完全吻合；此时，在工件旋转方向上的工件的每一点的轨迹则不能保证在同一圆周上，这样就导致工件在工件旋转方向上的各点到靶材的距离不是固定的。因为，上述工件到靶材之间的距离是影响镀膜厚度的重要因素之一，所以，在上述情况下，工件在其旋转方向上的薄膜厚度一致性往往无法实现。工件在其旋转方向上的某点的旋转轨迹圆距离靶材越小，该点的薄膜厚度越大；反之较小。
目前，随着近几年的镀膜领域应用越来越广，镀膜工件的尺寸和形状差异越来越大，因镀膜工件形状而引起镀膜厚度均匀性变差而影响良品率的情形越来越普遍，尤其是在一些关键或高端应用中。在前述采用圆筒鼓型旋转工件架的磁控溅射镀膜设备中，可采用将基板承载板划分为若干承载面来分别承载基板，使溅射靶材到平面基板上的尽可能距离相等，以寻求更佳的膜厚均匀性（例如申请号为201821563855.5的一种通用多面体溅射镀膜装置）。但是，上述方法仍限于近平面型工件，对于在工件旋转方向上形状明显不规则的工件无法实现理想的膜厚均匀性。采用膜厚修正板也是常见的膜厚修正方法，但是，在实际镀膜中，对工件旋转方向进行膜厚修正的实际效果往往欠佳。另外，在采用圆筒鼓型旋转工件架的磁控溅射镀膜设备中，往往已在靶材附近设置了对工件旋转方向的垂直方向进行膜厚修正的修正板。因此，如果继续增加膜厚修正板，将可能影响靶材溅射的空间分布，从而影响其他膜厚修正板的修正效果，使得膜厚修正复杂化，并在一定程度上影响镀膜效率。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种解决镀膜产品横向均匀性的方法及其镀膜装置，通过计算溅射靶材与镀膜工件待镀膜表面之间的相对距离变化并将其对靶材电源进行补偿，使靶材电源针对不同的相对距离输出不同的放电功率来轰击溅射靶材，从而解决镀膜产品横向均匀性的问题。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，用于实现镀膜工件均匀膜厚镀膜，所述镀膜工件置于一真空镀膜室内，所述真空镀膜室内设置有可旋转工件架，所述镀膜工件通过承载板放置在所述可旋转工件架上，所述承载板设置在所述可旋转工件架的外侧并沿其径向放置，在所述可旋转工件架的一侧布置有溅射靶材，所述溅射靶材的径向方向与所述可旋转工件架的旋转轴的指向相平行，通过一靶材电源放电对所述溅射靶材进行轰击实现对所述镀膜工件表面的溅射镀膜，所述镀膜工件在溅射镀膜时随所述可旋转工件架旋转，其特征在于：使所述靶材电源的放电功率随着所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离随时间的变化而发生变化，且所述靶材电源的放电功率随所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离以补偿方式产生调整，从而控制所述镀膜工件的待镀膜表面的镀膜横向均匀性。
对所述靶材电源的放电功率进行线性调整，所述线性调整指的是，以所述靶材电源的基础放电功率为基础，结合计算所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化所得到的补偿值与所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离数值呈线性关系。
在真空镀膜室中还安装有光电传感器，该传感器对伺服进行绝对原点位置检测；每次镀膜前，对伺服进行一次绝对原点位置检测，以消除伺服长时间旋转累计的角度误差。
所述镀膜产品的待镀膜表面具有起伏，所述待镀膜表面的起伏值计入所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化的计算之中。
所述靶材电源的输出可为直流形式或脉冲形式。
所述镀膜工件以所述可旋转工件架的所述旋转轴为中心均匀布置，所述靶材电源的放电功率随所述可旋转工件架的旋转呈周期性调整。
一种涉及上述的解决镀膜产品横向均匀性的方法的镀膜装置，所述镀膜装置包括真空镀膜室，所述真空镀膜室内设置有可旋转工件架，所述镀膜工件通过承载板放置在所述可旋转工件架上，所述承载板设置在所述可旋转工件架的外侧并沿其径向放置，在所述可旋转工件架的一侧布置有溅射靶材，所述溅射靶材的径向方向与所述可旋转工件架的旋转轴的指向相平行，通过一靶材电源放电对所述溅射靶材进行轰击实现对所述镀膜工件表面的溅射镀膜，所述镀膜工件在溅射镀膜时随所述可旋转工件架旋转，其特征在于：所述镀膜装置还包括可编程序控制器和DA模块，所述可编程序控制器通过所述DA模块并根据所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化为补偿连接控制所述靶材电源的放电功率。
所述可旋转工件架的顶部设置有传感器，所述传感器用于检测所述镀膜工件的旋转到位情况并将信息传输至所述可编程序控制器。
本发明的优点是：可对面形不规则工件实现良好的镀膜厚度均匀性，提高镀膜质量和良率；结构简单，易于实现，调整灵活，适于推广。
附图说明
图1为本发明的中镀膜装置的俯视图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明中不规则待镀膜面的工件在承载板上的放置图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3所示，图中标记1-3分别表示为：承载板1、镀膜工件2、溅射靶材3。
实施例：本实施例中解决镀膜产品横向均匀性的方法应用在如图1所示的镀膜装置之中，以下结合方法及装置对本实施例进行详细说明。
如图1所示，本实施例中的主体装置包括真空镀膜室，真空镀膜室的内部为真空的镀膜空间，镀膜工件2在真空镀膜室的内部完成镀膜。
真空镀膜室中设置有可旋转工件架，可旋转工件架中心设置旋转轴，可旋转工件架可在其中心旋转轴的驱动下在真空镀膜室内旋转。可旋转工件架的旋转轴的投影在O点，即可旋转工件架的旋转中心为O点。可旋转工件架的外侧放置有用于承载工件的平板形承载板1，该平板形承载板1用于承载镀膜工件2。在图1的俯视图中，可旋转工件架2的外侧与平板形的承载板1重合在一起。
此时，可旋转工件架布满承载板1，在可旋转工件架的旋转方向上设置有六块承载板1，即，该可旋转工件架的分割数N=6，使可旋转工件架在截面上呈六面体结构。在一些实施例中，可旋转工件架的分割数可根据镀膜工件2的尺寸选择对应的承载板1从而设计可旋转工件架的多面体结构。
如图1所示，溅射靶材3设置在真空镀膜室的侧壁，具体地，溅射靶材3在T点。溅射靶材3的径向方向与可旋转工件架的旋转轴指向平行。溅射靶材3由靶材电源驱动，靶材电源由可编程序控制器（PLC）通过DA模块进行控制，即靶材电源的放电功率由PLC通过DA模块进行控制。在靶材电源对溅射靶材3的轰击下，溅射靶材3的材料被溅射至镀膜工件2的待镀膜表面上，从而实现镀膜工件2的溅射镀膜。
本实施例中的方法包括如下步骤：
如图1所示，每个承载板1的结构相同，以图1中下方的承载板1为例，该平板形承载板1在可旋转工件架旋转方向上的两个端点设为A和B。
在可旋转工件架的旋转方向上，每个承载板1上放置3个相同的镀膜工件2。镀膜工件2的待镀膜表面与溅射靶材3（T点）之间存在着一定间距。
结合图1和图2所示，可旋转工件架的旋转轴的投影O点与溅射靶材位置T点之间的连线与承载板上AB两端点之间连线的交点为L；与镀膜工件2的待镀膜表面在旋转方向上投影的交点为S；与以O点为圆心，OA为半径的圆的交点为Q。O点相对于承载板上AB两端点之间连线的垂线的垂足为G；镀膜工件2上S点相对于承载板上AB两端点之间连线的垂线的垂足为H。
上述线段中AB、OA、OG、OL、TQ的大小均可实测获得。具体而言，AB指的是承载板1的宽度；OA指的是可旋转工件架的旋转轴的投影至承载板1一侧端部之间的距离；OG指的是可旋转工件架的旋转轴的投影至承载板1的垂直距离；OL指的是可旋转工件的旋转轴的投影至其与溅射靶材位置T点之间的连线与承载板1接触点之间的间距；TQ为可旋转工件架的旋转范围轮廓线与溅射靶材3之间的垂直距离。
如图3，镀膜工件2的待镀膜表面在可旋转工件架的旋转方向上相对于平板形的承载板1的起伏情况可以由实测获得，记为f(x)。该实测可以通过对镀膜工件的设计图测算、或对镀膜工件进行表面扫描等方式实现。
以可旋转工件架沿逆时针旋转为例。
在上述配置下，某时刻，溅射靶材3的放电功率大小的计算步骤如下：
1）确定旋转初始点
在此，以OA与OT重合时作为计时的起算点。
2）确定某一时刻t时的旋转角度α
在匀速旋转情况下，假设可旋转工件架的旋转的角速度为ω，则可以求得此时的旋转角度满足α=t×ω。
3）确定某一时刻t时的等效旋转角度α’
等效旋转角度α’是折合到每一个承载板1内部，用于计算OT连线在承载板1和可旋转工件架内部的长度，即OL的长度。
在上述N分割情况，每个承载板1对应的圆心角为αN，则αN=2π/N。INT函数可实现取整运算。
等效旋转角度α’满足如下关系式：
α’=π/N-（α-αN*INT（α/αN））
4）确定OT连线在承载板和工件架内部的长度，即OL的长度。
利用几何运算知识，可得到：
OL=OG/cosα’
5）确定镀膜工件2的待镀膜面在可旋转工件架旋转方向上相对于平板形承载板1的起伏情况f(x)。f(x)可以由实测获得。
6）当可旋转工件架的旋转轴的投影O点与溅射靶材位置T点之间的连线OT扫描到镀膜工件2的待镀膜面在工件架旋转方向上任一点S时，镀膜工件2在OT上的投影长度SL。
如图所示，根据第5）步获得的工件待镀膜面在工件架旋转方向上相对于平板形承载板的起伏情况f(x)，得到SH=f(S)，则，
SL=SH/cosα’
7）确定镀膜工件2的待镀膜表面在工件架旋转方向上任一点S到溅射靶材3所在位置T点的距离，即ST。
利用几何知识，可得到ST=OT-OL-SL，从而计算出溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间随着可旋转工件架的旋转所产生的相对距离变化。
8）将溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间随着可旋转工件架的旋转所产生的相对距离变化作为补偿值求得预期的溅射靶材3输出功率P。
利用公式P=K*ST^x+D可以获得预期靶材输出功率P。
式中，K为比例系数，其可以为一确定正值或其他高阶函数。实际中，可预设K为某一初始正值，并按此初始数值确定靶材输出功率；其后，根据在此靶材输出功率下的镀膜厚度均匀性实测数据对K的初始数值进行调整，直至获得预期的镀膜均匀性效果；ST即为步骤7）计算得到的镀膜工件2的待镀膜表面在工件架旋转方向上任一点S到溅射靶材所在位置T点的距离；D为偏移功率，其一般为靶材输出功率的常量部分。
式中，默认x=1，当通过调整比例系数K和偏移功率D无法实现预期膜厚分布时，可以通过调整X来优化预期靶材电源的输出功率P，以实现预期镀膜厚度均匀性。此时，通过调整ST的指数使靶材电源的预期输出功率P与溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间相对距离产生新的线性关系。
从式中可以看出，靶材电源的预期输出功率P与溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间相对距离呈线性关系，即镀膜工件2的待镀膜表面与溅射靶材3之间的距离越大，靶材电源的预期输出功率P越大。
以上各步中涉及到的运算由镀膜控制系统实现。
9）将求得预期的溅射靶材输出功率P转化为靶材实际输出功率
将求得预期靶材输出功率P反馈给溅射靶材的控制部分（比如上述的PLC和DA模块），并作用于靶材电源，以实现靶材按照预期功率实现输出。
此时，由于镀膜工件2在承载板1上是均匀布置，而承载板1于可旋转工件架上又是对称布置，因此，靶材电源的实际输出的放电功率呈周期性调整。
10）旋转误差修正
在真空镀膜室中还安装有光电传感器，该光电传感器对可旋转工件架的伺服进行绝对原点位置检测。每次镀膜前，对伺服进行一次上述的绝对原点位置检测，以消除伺服长时间旋转累计的角度误差，从而保证对靶材电源放电功率的调整可准确地作用到对镀膜工件2的溅射镀膜工艺中去，即保证溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间相对距离随时间的变化的趋势与通过上述步骤1）-7）所计算得到的趋势相同。
基于上述方法，本实施例所提供的镀膜装置，通过可编程序控制器（PLC）和DA模块来对溅射电源的放电功率进行控制，并以溅射靶材3与镀膜工件2的待镀膜表面之间的相对距离变化为补偿对所述靶材电源的放电功率的调整，从而提高镀膜产品横向均匀性。同时，通过设置传感器来对控制进行修正，进一步保证对靶材电源放电功率的控制精度。
本实施例在具体实施时：靶材电源的输出可为直流形式或脉冲形式。在现有电源技术中，靶材电源本身的周期性变化不会影响使用本实施例对于靶材电源功率的调整效果。
本实施例通过计算溅射靶材与镀膜工件待镀膜表面之间的相对距离变化并将其对靶材电源进行补偿，使靶材电源针对不同的相对距离输出不同的放电功率来轰击溅射靶材，从而解决镀膜产品横向均匀性的问题。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换故在此不一一赘述。

Claims (8)

1.一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，用于实现镀膜工件均匀膜厚镀膜，所述镀膜工件置于一真空镀膜室内，所述真空镀膜室内设置有可旋转工件架，所述镀膜工件通过承载板放置在所述可旋转工件架上，所述承载板设置在所述可旋转工件架的外侧并沿其径向放置，在所述可旋转工件架的一侧布置有溅射靶材，所述溅射靶材的径向方向与所述可旋转工件架的旋转轴的指向相平行，通过一靶材电源放电对所述溅射靶材进行轰击实现对所述镀膜工件表面的溅射镀膜，所述镀膜工件在溅射镀膜时随所述可旋转工件架旋转，其特征在于：使所述靶材电源的放电功率随着所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离随时间的变化而发生变化，且所述靶材电源的放电功率随所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离以补偿方式产生调整，从而控制所述镀膜工件的待镀膜表面的镀膜横向均匀性。
2.根据权利要求1所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，其特征在于：对所述靶材电源的放电功率进行线性调整，所述线性调整指的是，以所述靶材电源的基础放电功率为基础，结合计算所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化所得到的补偿值与所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离数值呈线性关系。
3.根据权利要求2所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，其特征在于：在真空镀膜室中还安装有光电传感器，该传感器对驱动可旋转工件架的伺服进行绝对原点位置检测；每次镀膜前，对所述伺服进行一次绝对原点位置检测，以消除所述伺服长时间旋转累计的角度误差。
4.根据权利要求2所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，其特征在于：所述镀膜产品的待镀膜表面具有起伏，所述待镀膜表面的起伏值计入所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化的计算之中。
5.根据权利要求2所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，其特征在于：所述靶材电源的输出可为直流形式或脉冲形式。
6.根据权利要求1所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的方法，其特征在于：所述镀膜工件以所述可旋转工件架的所述旋转轴为中心均匀布置，所述靶材电源的放电功率随所述可旋转工件架的旋转呈周期性调整。
7.一种涉及权利要求1-6所述的解决镀膜产品横向均匀性的方法的镀膜装置，所述镀膜装置包括真空镀膜室，所述真空镀膜室内设置有可旋转工件架，所述镀膜工件通过承载板放置在所述可旋转工件架上，所述承载板设置在所述可旋转工件架的外侧并沿其径向放置，在所述可旋转工件架的一侧布置有溅射靶材，所述溅射靶材的径向方向与所述可旋转工件架的旋转轴的指向相平行，通过一靶材电源放电对所述溅射靶材进行轰击实现对所述镀膜工件表面的溅射镀膜，所述镀膜工件在溅射镀膜时随所述可旋转工件架旋转，其特征在于：所述镀膜装置还包括可编程序控制器和DA模块，所述可编程序控制器通过所述DA模块并根据所述溅射靶材与所述镀膜工件的待镀膜表面之间的相对距离变化为补偿连接控制所述靶材电源的放电功率。
8.根据权利要求7所述的一种解决镀膜产品横向均匀性的镀膜装置，其特征在于：所述可旋转工件架的顶部设置有传感器，所述传感器用于检测所述镀膜工件的旋转到位情况并将信息传输至所述可编程序控制器。
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