CN112680709A - 一种高精度膜厚测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高精度膜厚测量系统及方法，本发明的膜厚仪、振荡包、编码器、滑环安装于真空腔体外工件架的旋转轴顶部，晶片探头、石英晶体和温度传感器安装于真空腔体内工件架表面，晶片探头、温度传感器信号通过真空馈入法兰引出，工件架的旋转轴带动上述部件水平旋转；所述膜厚仪根据编码器数据选择石英晶体的最佳测试位置，所述膜厚仪根据温度传感器数据对石英晶体频率进行温度校准，所述膜厚仪利用校准后频率准确计算真实膜厚，通过滑环实现膜厚仪与腔体外静态工控机的数据传输。实现旋转镀膜时膜厚的准确测量，有效消除温度影响，确保运动与非运动部件之间的数据可靠传输。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，尤其涉及采用石英晶体检测薄膜厚度的真空镀膜领域。
背景技术
在真空材料表面处理或真空镀膜的时候，通常需要实时监测每一层薄膜的厚度，如镀制光学薄膜产品时，薄膜厚度的精确控制对保障光学薄膜的性能尤为重要。目前真空镀膜过程中，薄膜厚度的控制手段主要分三种。第一种是镀膜时长控制法，即通过事先计算一定条件下的沉积速率，然后控制薄膜沉积时间，采用时间乘以沉积速率得到薄膜的厚度。第二种是石英晶体膜厚检测法，即通过监测镀膜过程中，石英晶体振荡频率的变化来计算相应的沉积上的薄膜质量，采用材料厚度等于该材料质量除以该材料密度，再除以本石英晶体的面积的方式计算出薄膜厚度。第三种是光学干涉控制法，利用光学干涉法特性，发射一束光至薄膜表面，利用光入射不同界面发生反射和透射而产生干涉条纹的原理，测量薄膜的厚度。
石英晶体膜厚检测法具有控制精度高（0.1nm），易于实现自动控制，可直接监控成膜速度，便于工艺稳定重复，可控制任意膜层厚度等优点，被广泛应用于各种真空镀膜设备，如蒸发镀膜设备、磁控溅射镀膜设备、分子束外延镀膜设备等。
石英晶体膜厚检测系统主要包括：石英晶体、晶片探头、振荡包、膜厚仪、冷却部件、真空法兰馈入部件等。石英晶体安装在晶片探头内，晶片探头安装在真空腔体内，振荡包及膜厚仪放置于真空腔体外。对于传统的真空蒸发镀膜设备，晶片探头、冷却部件通过真空法兰馈入部件安装在真空腔体内，振荡包、膜厚仪都静止不动，如图1所示。晶片探头一般安装在腔体顶端馈入的中心轴底面，不旋转，伞状工件架安装在腔体顶端馈入的中心轴上，由轴带动其360o旋转，蒸发源材料安装在腔体底端。蒸发沉积时，蒸发源材料连续不断沉积在石英晶体与工件上。随着石英晶体表面沉积厚度增加，其晶片固有频率会相应的减小。晶片的频率变化与膜厚变化近似为线性关系，通过测量频率的变化，计算出镀膜厚度的变化，实现对膜厚的测量。
对于水平溅射式真空磁控溅射镀膜设备，溅射源（靶材）垂直安装在真空腔体一侧或两侧，工件只有在旋转到正对溅射源位置时，才能接收到沉积材料。为了保证工件膜厚的均匀性，工件架一般需要360o旋转。如果需要准确获取基片沉积厚度，需要将石英晶体像工件一样紧贴工件架安装，随工件架360o旋转，即安装石英晶体的晶片探头需要随工件架同步旋转。晶片探头旋转带来以下几个问题：1）晶片探头原来的水冷部件不太适合旋转工作，导致石英晶体频率受温度影响较大。在镀膜加工过程中，随着溅射源的热量释放，真空腔体的温度逐步升高，腔体温度的升高将导致石英晶体的振荡频率升高，将直接影响膜厚测量准确性。2）运动中膜厚仪与真空腔体外静止的工控机数据传输存在问题。已有方案（CN104131261B）使用铜环-碳刷机构实现电源引入，用WIFI实现膜厚数据传输，但WIFI传输在干扰环境可靠性差，信号中断会引起几秒内主机无法获取膜厚数据，如果发生在膜层加工快结束时，会导致不能及时停止沉积，膜厚多沉积几纳米，严重影响产品光学特性。
经过研究分析，由于晶片探头安装在工件架上，当晶片探头随工件架旋转时，只能断续接收到沉积物质，当探头旋转接近溅射源，瞬时溅射源热冲击将引起石英晶体频率升高，导致膜厚仪错误测量为膜厚降低。当处于溅射源正面位置接收沉积时，沉积物将导致晶控片厚度增加，频率降低，膜厚仪测量为正常的膜厚增加。当探头处于非溅射位时，晶控片不受热冲击影响，频率基本不变，此时测量的膜厚最可靠。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明公开了一种高精度膜厚测量系统及方法，主要适用于晶片探头随工件架旋转的薄膜厚度实时测量系统。
所述高精度膜厚测量系统主要包括：石英晶体、晶片探头、振荡包、膜厚仪、膜厚仪安装支架、温度传感器、编码器、滑环、超级电容以及真空馈入法兰。
进一步地，所述石英晶体安装在晶片探头内，所述晶片探头安装在旋转工件架上，随工件架旋转。
进一步地，所述晶片探头通过所述真空馈入法兰与所述振荡包相连，连接线为射频同轴电缆，其长度小于5米；所述振荡包与所述膜厚仪通过同轴电缆相连，同轴电缆长度小于0.3米。
进一步地，所述振荡包与所述膜厚仪安装在真空腔体外的膜厚仪安装支架里，所述膜厚仪安装支架设置在工件架旋转轴上端，随工件架旋转，与晶片探头保持相对静止。
进一步地，所述膜厚仪集成超级电容储能，避免电源瞬间供电不良导致的膜厚仪断电。
进一步地，所述膜厚仪与工控机之间的通讯采用应答重传机制，确保每次膜厚数据的可靠传输。
进一步地，所述滑环设置于真空腔体外工件架旋转轴上，所述滑环线束大于10，用以实现厚膜仪的电源及数据连接。所述电源线及数据线均采用多线冗余连接，某根导线的接触不良并不影响正常工作。
进一步地，所述温度传感器设置在晶片探头背面，随晶片探头旋转，实时监测晶片探头温度。所述膜厚仪根据温度对石英晶体频率校准，最终以校准后频率计算真实膜厚。
进一步地，所述编码器设置于真空腔体外工件架旋转轴上，实时记录晶片探头在真空腔体圆周的位置。所述膜厚仪通过所述编码器确认晶片探头的位置，选取晶片探头在非溅射位时进行石英晶体的频率采集以及膜厚计算，该膜厚为石英晶体最稳定准确的数据。
所述高精度膜厚测量方法，其步骤主要包括。
S1: 开始镀膜时，工控机向膜厚仪发出各种命令：
S11工控机向膜厚仪发出膜厚清零命令以及沉积材料的膜厚计算参数（材料密度和Z因子）;S12工控机将膜厚采集位置参数发送给膜厚仪;S13工控机启动工件架电机旋转，电机带动工件架和旋转轴旋转。石英晶体、晶片探头、温度传感器将跟随工件架旋转。S14:工控机启动溅射靶电源，开始溅射沉积薄膜。
S2: 检测编码器信号，当位置为设定位置时，判断为石英晶体的频率稳定时刻。
S3: 石英晶体的频率为稳定时刻，启动采集石英晶体的频率数据，启动采集温度传感器的温度数据；所述采集时间小于0.01秒。
S4：根据温度传感器的温度数据对石英晶体的频率进行温度校准。
S5: 膜厚仪利用校准后的频率值计算膜厚，将膜厚数据发送工控机。
S6: 继续沉积直至目标膜厚，然后停止溅射靶电源，结束当前膜层镀膜。
S7: 判断是否最后膜层：不是，则返回S1, 开始新的膜层；是，则结束镀膜。
所述高精度膜厚测量系统及方法的有益效果如下：
本系统选用滑环实现厚膜仪的电源及数据连接，滑环的线束较多，电源及数据均采用多线冗余连接，某根导线的接触不良并不影响正常工作。同时，膜厚仪集成超级电容储能，避免电源瞬间供电不良导致的膜厚仪断电。膜厚仪与工控机之间的通讯采用应答重传机制，确保每次膜厚数据的可靠传输。
石英晶体对于温度比较敏感，温度的升高将导致石英晶体频率的增加。在镀膜加工过程中，随着溅射源的热量释放，真空腔体的温度逐步升高，温度对石英晶体频率的影响将导致膜厚测量不准确，为了消除温度的影响，晶片探头安装温度传感器，实时测试晶片探头温度，膜厚仪根据温度对石英晶体频率校准，最终以校准后频率计算真实膜厚。
本系统增加编码器，编码器安装于夹具旋转轴上部，膜厚仪通过编码器可以确认晶片探头的位置，选取探头在非溅射位时进行石英晶体的频率采集以及膜厚计算，该膜厚为石英晶体最稳定准确的数据。
附图说明
图1为蒸发机膜厚控制系统示意图；
图中：1、真空室；2、伞状工件架；3：晶片探头；4：中心轴；5：振荡包；6：膜厚仪；7：电控柜；8：蒸发源。
图2为一种高精度膜厚测量系统的结构示意图（水平溅射）。
图3为一种高精度膜厚测量系统的局部示意图。
图4为一种高精度膜厚测量系统的结构示意图（垂直溅射）；
图中：10、真空室；11、石英晶体；12、晶片探头13、温度传感器；14、多组溅射靶；15、旋转工件架；16、旋转轴；17、滑环；18、编码器；19、振荡包；20、膜厚仪安装支架；21、膜厚仪；22、真空法兰；23、工控机；24、电控柜；25、旋转电机； 26、工件；27、膜厚仪数据线；28、膜厚仪电源线。
图5一种高精度膜厚测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例一（水平溅射）：
如图2所示为立式旋转磁控溅射真空设备，包括真空室10、石英晶体11、晶片探头12、温度传感器13、多组溅射靶14、旋转工件架15、旋转轴16、滑环17、编码器18、振荡包19、膜厚仪安装支架20、膜厚仪21、真空馈入法兰22、工控机23、电控柜24、旋转电机25、工件26。
膜厚测量系统包括：石英晶体11、晶片探头12、振荡包19、膜厚仪21、膜厚仪安装支架20、温度传感器13、编码器18、滑环17、超级电容以及真空馈入法兰22。
石英晶体11安装在晶片探头12内，安装在工件架15垂直面，随工件架15旋转。腔体10底部安装有转架电机25，驱动工件架15的水平旋转。晶片探头12的同轴电缆通过真空馈入法兰22与振荡包19相连，振荡包19再通过同轴电缆与膜厚仪21相连。振荡包19与膜厚仪21安装在真空腔体外的膜厚仪安装支架20里，膜厚仪安装支架20设置在工件架旋转轴16上端，随工件架15旋转， 与晶片探头12保持相对静止。
多组溅射靶14垂直于真空室10底部安装，在垂直方向与工件架15保持一定距离的平行。多组溅射靶14的溅射只能对工件架15的某个条形面有效。
膜厚仪20集成超级电容储能，避免电源瞬间供电不良导致的膜厚仪断电。膜厚仪20与主控电脑23之间的通讯采用应答重传机制，确保每次膜厚数据的可靠传输。
滑环17安装在真空腔体10外工件架旋转轴16上，实现厚膜仪21的电源及数据连接。电源线28及数据线27均采用多线冗余连接，某根导线的接触不良并不影响正常工作。温度传感器13安装在晶片探头12背面，随晶片探头12旋转，实时监测晶片温度。膜厚仪21根据温度对石英晶体11频率校准，最终以校准后频率计算真实膜厚。
编码器18安装在真空腔体10外工件架旋转轴16上，膜厚仪21通过编码器18确认晶片探头12的位置，选取晶片探头12在非溅射位时进行石英晶体11的频率采集以及膜厚计算。
膜厚测量方法步骤如下：
开始镀膜时，工控机23向膜厚仪21发出如下命令：膜厚清零命令、沉积材料的膜厚计算参数（材料密度和Z因子）;膜厚采集对应的编码器位置参数。
工控机23启动工件架电机25旋转，电机25带动工件架15和旋转轴16旋转。晶片探头12、温度传感器13将跟随工件架15旋转。
工控机23启动溅射靶电源14，开始溅射沉积薄膜，膜厚仪21检测编码器18信号，当位置为设定位置时，判断为石英晶体11的频率稳定时刻；启动采集石英晶体11的频率数据，启动采集温度传感器13的温度数据。膜厚仪21根据温度数据对石英晶体11的频率进行温度校准，利用校准后的频率值计算膜厚，并将膜厚数据发送回工控机23。
工控机23根据膜厚判断是否达到目标膜厚，然后停止溅射靶电源，完成当前膜层镀膜。如果还有后续膜层，则按照上述步骤继续进行沉积，如果所有膜层镀膜结束, 则结束镀膜。
实施例二：
请参见图4，为本发明的另一个实施例的一种垂直溅射结构示意图，石英晶体11安装在晶片探头12内，安装在工件架15水平面，随工件架15旋转。晶片探头12的同轴电缆通过真空馈入法兰22与振荡包19相连，振荡包19再通过同轴电缆与膜厚仪21相连。振荡包19与膜厚仪21安装在真空腔体外的膜厚仪安装支架20里，膜厚仪安装支架20设置在工件架旋转轴16上端，随工件架15旋转，与晶片探头12保持相对静止。腔体10顶部安装旋转电机25，带动工件架15做水平旋转。
多组溅射靶14平行于真空室10底部、靠近安装，其上方对映工件架15的一个扇面。多组溅射靶14的溅射只能对工件架15的某个扇面有效。
滑环17安装在真空腔体10外工件架旋转轴16上，实现厚膜仪21的电源及数据连接。温度传感器13安装在晶片探头12背面，随晶片探头12旋转，实时监测晶片温度。膜厚仪21根据温度对石英晶体11频率校准，最终以校准后频率计算真实膜厚。
编码器18安装在真空腔体10外工件架旋转轴16上，膜厚仪21通过编码器18确认晶片探头12的位置，选取晶片探头12在非溅射位时进行石英晶体11的频率采集以及膜厚计算。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种高精度膜厚测量系统，该系统包括：石英晶体、晶片探头、振荡包、膜厚仪、膜厚仪安装支架、温度传感器、编码器、滑环、超级电容以及真空馈入法兰，其特征在于：利用编码器实时检测晶片探头旋转位置、选取最佳测量位置读取石英晶体频率；利用温度传感器实时测量晶片探头温度，对上述石英晶体频率进行温度补偿、膜厚仪根据补偿后频率计算真实膜厚，通过滑环实现膜厚仪的双向数据传输及电源引入。
2.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：石英晶体安装在晶片探头内，所述晶片探头安装在旋转工件架上，随工件架旋转。
3.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：晶片探头通过所述真空馈入法兰与所述振荡包相连，所述振荡包与所述膜厚仪相连。
4.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：所述膜厚仪集成超级电容储能，避免电源瞬间供电不良导致的膜厚仪断电。
5.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：所述膜厚仪与工控机之间的通讯采用应答重传机制，确保每次膜厚数据的可靠传输。
6.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：所述滑环设置于真空腔体外工件架旋转轴上，用以实现厚膜仪的电源及数据连接，所述电源线及数据线均采用多线冗余连接，某根导线的接触不良并不影响正常工作。
7.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：所述温度传感器设置在晶片探头背面，随晶片探头旋转，实时监测晶片探头温度。
8.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：所述膜厚仪根据温度对石英晶体频率校准，以校准后频率计算真实膜厚。
9.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：编码器设置于真空腔体外工件架旋转轴上，实时测量晶片探头在真空腔体圆周的位置。
10.根据权利要求1所述的一种高精度膜厚测量系统，其特征在于：膜厚仪通过所述编码器确认晶片探头的位置，选取晶片探头在非溅射位时进行石英晶体的频率采集以及膜厚计算。
11.一种高精度膜厚测量方法，其步骤包含：S1：工控机向膜厚仪输出膜厚清零命令、沉积材料的膜厚计算参数以及膜厚采集位置参数；S2：检测编码器信号，当位置为设定位置时，判断为石英晶体的频率稳定时刻；S3：启动采集石英晶体的频率数据，启动采集温度传感器的温度数据；S4：根据温度传感器的温度数据对石英晶体的频率进行温度校准；S5：膜厚仪利用校准后的频率值计算膜厚，将膜厚数据发送到工控机；S6: 继续沉积直至目标膜厚，然后停止溅射靶电源，结束当前膜层镀膜。
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