CN113278945B - 一种膜厚监控装置、镀膜设备及膜厚监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膜厚监控装置、镀膜设备及膜厚监控方法,通过设置多个晶振传感器,利用每个晶振传感器单独检测同一种膜材的实时厚度,使得晶振传感器不会受到不同膜材交替界面导致的不确定性影响,保证了晶振法膜厚监控精度。

Description

一种膜厚监控装置、镀膜设备及膜厚监控方法
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域,具体涉及一种膜厚监控装置、镀膜设备及膜厚监控方法。
背景技术
对于光学薄膜来说,厚度是除折射率之外最重要的参数,因此在真空镀膜过程中,准确控制薄膜的厚度成为制备薄膜的关键。石英晶体振荡法(晶振法)监控膜厚,主要是利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应,通过测量其固有谐振频率或与固有谐振频率有关的参量变化来监控沉积薄膜的厚度,其最大的优点是便于自动控制并且可以监控任意膜厚。
对于同种膜材,膜层厚度变化与晶振传感器谐振频率呈线性关系,但现有的晶振法监控技术,采用1个晶振传感器对基材表面交替镀多种不同膜材(例如介质膜和金属膜)时,由于不同膜材的密度不同,不同膜材交替叠加使晶振传感器的谐振频率与膜层整体厚度产生非线性变化干扰,从而导致膜厚监控精度下降。
发明内容
因此,本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种能够在基材表面交替镀多种不同膜材时避免因不同膜材的密度不同导致的晶振传感器的谐振频率与膜层整体厚度产生非线性变化干扰,提高膜厚监控精度的膜厚监控装置、镀膜设备及膜厚监控方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的,一种膜厚监控装置,用于在基材表面交替镀多种膜材,包括:晶振监测单元,其配置在镀膜室内,用于检测所述多种膜材在基材表面的实时厚度;控制单元,其配置为与所述晶振监测单元电连接,用于接收从所述晶振监测单元传送的所述实时厚度,以及配置为与镀膜装置电连接,用于控制所述镀膜装置在基材表面交替镀多种膜材;所述晶振监测单元包括多个晶振传感器,所述晶振监测单元控制每个所述晶振传感器单独检测同种膜材的实时厚度,所述控制单元在所述镀膜装置向所述基材表面镀交替镀多种膜材期间,根据每种膜材对应的实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
本发明通过设置多个晶振传感器,利用每个晶振传感器单独监控同一种膜材的厚度,使得晶振传感器不会受到不同膜材交替叠加导致的非线性变化干扰,保证了晶振法膜厚监控精度。
进一步地,本发明的膜厚监控装置,所述晶振监测单元包括晶振传感器A和晶振传感器B,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器A单独检测第一膜材的第一实时厚度,以及控制所述晶振传感器B单独检测不同于所述第一膜材的第二膜材的第二实时厚度;所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第一膜材期间,根据所述第一实时厚度控制所述镀膜装置的工作状态;以及所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀第二膜材期间,根据所述第二实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
进一步地,本发明的膜厚监控装置,所述晶振监测单元还包括晶振传感器C,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器C单独检测不同于所述第一膜材和第二膜材的第三膜材的第三实时厚度;所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第三膜材期间,根据所述第三实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
进一步地,本发明的膜厚监控装置,所述晶振监测单元还包括晶振传感器D,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器D单独检测不同于所述第一膜材、第二膜材和第三膜材的第四膜材的第四实时厚度;所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第四膜材期间,根据所述第四实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
进一步地,本发明的膜厚监控装置,所述晶振监测单元包括遮挡部,用于在所述镀膜装置向基材表面镀一种膜材期间,露出单独检测该膜材的晶振传感器,同时遮挡其他所述晶振传感器。
本发明的另一目的是通过如下技术方案来完成的,一种镀膜设备,用于在基材表面交替镀多种膜材,其特征在于:包括镀膜室、夹持机构、镀膜装置和前述的膜厚监控装置。
本发明的另一目的是通过如下技术方案来完成的,一种膜厚监控方法,包括如下步骤:S1,镀膜装置向基材表面交替镀多种膜材;S2,期间使用多个晶振传感器分别单独检测每种所述膜材的实时厚度并发送给控制单元;S3,控制单元判断所述实时厚度达到预设厚度时,控制镀膜装置停止镀所述每种膜材,直至完成在基材表面交替镀多种膜材。
进一步地,本发明的膜厚监控方法,所述多种膜材包括第一膜材和不同于所述第一膜材的第二膜材,所述晶振传感器包括用于分别单独检测所述第一膜材和第二膜材的晶振传感器A和晶振传感器B。
进一步地,本发明的膜厚监控方法,所述多种膜材还包括不同于所述第一膜材和第二膜材的第三膜材,所述晶振传感器还包括用于单独检测所述第三膜材的晶振传感器C。
进一步地,本发明的膜厚监控方法,所述多种膜材还包括不同于所述第一膜材、第二膜材和第三膜材的第四膜材,所述晶振传感器还包括用于单独检测所述第四膜材的晶振传感器D。
本发明通过上述技术方案,可以实现如下效果:
通过设置多个晶振传感器,在基材表面交替镀多种膜材时避免因不同膜材的密度不同导致的晶振传感器的谐振频率与膜层整体厚度产生非线性变化干扰,提高膜厚监控精度。
附图说明
图1为本发明第一实施方式的真空镀膜设备示意图;
图2为本发明第一实施方式的镀膜层结构示意图;
图3为本发明第一实施方式的膜厚监控方法流程图;
图4为本发明第二实施方式的镀膜层结构示意图;
图5为本发明第二实施方式的膜厚监控方法流程图。
图中附图标记表示为:
1-晶振传感器A,2-晶振传感器B,3-工件架,4-镀膜室,5-镀膜装置,6-第一介质膜,7-第二介质膜,8-控制单元,9-金属膜。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解,给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明,而并非以任何方式限制本发明的范围。
需要注意,虽然本发明中使用“第一”、“第二”等表述来描述本发明的实施方式的不同部件,但是“第一”、“第二”等表述仅是为了在不同的部件之间进行区分,而并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上,“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。
镀膜工艺过程中,经常需要在基材表面交替镀多种不同的膜材,例如在白玻璃基片上相互交替地镀一层高折射率和一层低折射率的介质膜,以获得色纯度较高的膜面颜色。现有的镀膜设备,在镀膜室内设置有镀膜装置、工件架和一个晶振传感器。当晶振传感器检测到第一层高折射率介质膜厚度达到预设厚度时,停止镀高折射率介质膜,开始镀第一层低折射率介质膜;当晶振传感器检测到第一层低折射率介质膜厚度达到预设厚度时,停止镀低折射率介质膜,开始镀第二层高折射率介质膜,如此往复直至镀完高、低折射率介质膜的交替段膜层结构。但由于两种不同材料在交替反复叠加,因不同膜材的密度不同导致的晶振传感器的谐振频率与膜层整体厚度产生非线性变化干扰,从而导致膜厚监控精度下降。光学监控方法可以避免上述技术缺陷,但由于光学监控方法的设备成本高,不适用于全部厂商。
为克服此缺陷,本发明提出一种采用多个晶振传感器分别单独检测不同种膜材的膜厚监控方法。具体的,在第一实施方式中,如图1所示,镀膜设备包括镀膜4、工件架3、镀膜装置5、晶振传感器A1和晶振传感器B2和控制单元8。其中,工件架3用于固定待镀膜的基材,镀膜装置5用于为膜材提供动力从而镀至基材表面。镀膜装置5可以为选用任意常规类型,例如蒸发源、离子源等。
本发明第一实施方式中,需要镀两种介质膜交替反复叠加的膜层结构时,如图2所示的膜层结构由第一介质膜6和第二介质膜7交替反复叠加,其中第一介质膜6可以为高折射率介质膜,例如TiO2,第二介质膜7可以为低折射率介质膜,例如SiO2。晶振传感器A1用于单独检测第一介质膜6的膜厚,晶振传感器B2用于单独检测第二介质膜7的膜厚。
控制单元8配置为与所述晶振传感器A1和晶振传感器B2电连接,用于接收从晶振传感器A1传送的第一介质膜6的第一实时厚度,以及从晶振传感器B2传送的第二介质膜7的第二实时厚度。此外,控制单元8还配置为与镀膜装置5电连接,用于控制镀膜装置的工作状态。具体的,控制单元8可以控制镀膜装置5开始/停止镀第一介质膜6、开始/停止镀第二介质膜7。
如图3所示,本发明第一实施方式的膜厚监控方法,包括如下步骤:
S1,镀膜装置5向基材表面镀第一介质膜6,期间盖板露出晶振传感器A1,遮蔽晶振传感器B2,使用晶振传感器A1单独检测第一介质膜6的第一实时厚度并发送给控制单元8;
镀膜装置5开始向基材表面镀第一介质膜6时,启动晶振传感器A1单独检测第一介质膜6的第一实时厚度,此期间晶振传感器B2处于关闭状态,控制单元8例如可以控制盖板使晶振传感器B2处于与介质膜之间隔绝状态,同时控制盖板使晶振传感器A1处于暴露于介质膜的状态。晶振传感器A1能够监测第一介质膜6在基材表面的实时厚度,并将实时厚度发送给控制单元8。
S2,控制单元判断第一实时厚度达到预设厚度时,控制镀膜装置停止镀第一介质膜;
控制单元8根据第一介质膜6的晶振频率-膜厚固有特性判断第一实时厚度是否以达到第一介质膜6的预设厚度,若尚未达到,继续镀第一介质膜6并持续监测第一实时厚度,当第一实时厚度达到预设厚度时,控制单元8控制镀膜装置5停止镀第一介质膜6,此时第一层第一介质膜6的实时厚度满足第一介质膜设计的光学特性的理论厚度。
S3,开启镀膜装置向第一介质膜表面镀第二介质膜,期间盖板露出晶振传感器B,遮蔽晶振传感器A,使用晶振传感器B单独检测第二介质膜的第二实时厚度并发送给控制单元;
镀膜装置5开始向第一介质膜6表面镀第二介质膜7时,控制盖板使晶振传感器A1处于与介质膜之间隔绝状态,同时使晶振传感器B2处于暴露于介质膜的状态,并控制镀膜装置5开始在第一介质膜6表面镀第二介质膜7;晶振传感器B2能够检测第二介质膜7在第一介质膜6表面的第二实时厚度,并将第二实时厚度发送给控制单元8;
S4,控制单元判断第二实时厚度达到预设厚度时,控制镀膜装置停止镀第二介质膜;
控制单元8根据第二介质膜的晶振频率-膜厚固有特性判断第二实时厚度是否以达到第二介质膜的预设厚度,若尚未达到,继续镀第二介质膜7并持续监测第二实时膜厚,当第二实时厚度达到预设厚度时,控制单元8控制镀膜装置5停止镀第二介质膜7,此时第一层第二介质膜7的实时厚度满足第二介质膜7设计的光学特性的理论厚度。
S5,再次重复S1,直至第一介质膜6和第二介质膜7交替完成镀膜。
依照上述步骤,反复交替镀第一介质膜6和第二介质膜7,保证在镀第一介质膜6期间,控制盖板使晶振传感器A1处于暴露于介质膜的状态,同时使晶振传感器B2处于与介质膜之间隔绝状态,而在镀第二介质膜7期间,控制盖板使晶振传感器B2处于暴露于介质膜的状态,同时使晶振传感器A1处于与介质膜之间隔绝状态,直至第一介质膜6和第二介质膜7交替完成镀膜。
根据本发明的第一实施方式的膜厚监控方法,由于晶振传感器A1始终仅用于检测第一介质膜6,晶振传感器B2始终仅用于检测第二介质膜7,避免了同一晶振传感器检测不同膜材导致的干扰缺陷,提高了膜厚监控精度。
本发明第二实施方式中,需要镀三种膜材交替叠加的膜层结构时,如图4所示的膜层结构首先由第一介质膜6和第二介质膜7交替反复叠加,随后再由金属膜9和第二介质膜7交替反复叠加。其中,第一介质膜6和第二介质膜7交替叠加段可以与第一实施方式相同,金属膜可以是例如钴、铬、铟。晶振传感器A1用于单独检测第一介质膜6的膜厚,晶振传感器B2用于单独检测第二介质膜7的膜厚,晶振传感器C3用于单独检测金属膜9的膜厚。
如图5所示,本发明第二实施方式的膜厚监控方法,续接第一实施方式,包括如下步骤:
S6,镀膜装置5向第二介质膜7表面镀金属膜9,期间盖板露出晶振传感器C,遮蔽晶振传感器A1和晶振传感器B2,使用晶振传感器C单独检测金属膜9的第三实时厚度并发送给控制单元8;
镀膜装置5开始向第二介质膜7表面镀金属膜9时,启动晶振传感器C单独检测金属膜9的第三实时厚度,此期间晶振传感器A1和晶振传感器B2均处于关闭状态,控制单元8例如可以控制盖板使晶振传感器A1和晶振传感器B2均处于与介质膜之间隔绝状态,同时控制盖板使晶振传感器C处于暴露于膜料的状态。晶振传感器C能够监测金属膜9在第二介质膜7表面的第三实时厚度,并将实时厚度发送给控制单元8。
S7,控制单元8判断第三实时厚度达到预设厚度时,控制镀膜装置5停止镀金属膜9;
控制单元5根据金属膜9的晶振频率-膜厚固有特性判断第三实时厚度是否已达到金属膜9的预设厚度,若尚未达到,继续镀金属膜9并持续监测第三实时厚度,当第三实时厚度达到预设厚度时,控制单元8控制镀膜装置5停止镀金属膜9,此时第一层金属膜9的实时厚度满足金属膜9设计的光学特性的理论厚度。
S8,开启镀膜装置5向金属膜9表面镀第二介质膜7,期间盖板露出晶振传感器B2,遮蔽晶振传感器A1和晶振传感器C,使用晶振传感器B2单独检测第二介质膜7的第二实时厚度并发送给控制单元8;
镀膜装置5开始向金属膜9表面镀第二介质膜7时,控制盖板使晶振传感器A1和晶振传感器C均处于与膜料之间隔绝状态,同时使晶振传感器B2处于暴露于膜料的状态,并控制镀膜装置5开始在金属膜9表面镀第二介质膜7;晶振传感器B2能够检测第二介质膜7在金属膜9表面的第二实时厚度,并将第二实时厚度发送给控制单元8;
S9,控制单元8判断第二实时厚度达到预设厚度时,控制镀膜装置5停止镀第二介质膜7;
控制单元8根据第二介质膜7的晶振频率-膜厚固有特性判断第二实时厚度是否已达到第二介质膜7的预设厚度,若尚未达到,继续镀第二介质膜7并持续监测第二实时膜厚,当第二实时厚度达到预设厚度时,控制单元8控制镀膜装置5停止镀第二介质膜7,此时第三层第二介质膜7的实时厚度满足第二介质膜7设计的光学特性的理论厚度。
S10,再次重复S6,直至金属膜和第二介质膜交替完成镀膜。
依照上述步骤,反复交替镀金属膜9和第二介质膜7,保证在镀金属膜9期间,控制盖板使晶振传感器C处于暴露于膜料的状态,同时使晶振传感器A1和晶振传感器B2均处于与膜料之间隔绝状态,而在镀第二介质膜7期间,控制盖板使晶振传感器B2处于暴露于介质膜的状态,同时使晶振传感器A1和晶振传感器C均处于与膜料之间隔绝状态,直至金属膜9和第二介质膜7交替完成镀膜。
根据本发明的第二实施方式的膜厚监控方法,由于晶振传感器C始终仅用于检测金属膜9,晶振传感器B2始终仅用于检测第二介质膜7,晶振传感器A1在第一阶段仅用于检测第一介质膜6,避免了同一晶振传感器检测两种以上不同膜材导致的干扰缺陷,提高了膜厚监控精度。
本领域技术人员能够理解,本发明的发明构思在于采用不同的晶振传感器分别单独检测不同种膜材的实时厚度,从而能够避免石英晶体的固有谐振频率与物理厚度线性关系受到干扰。也就是说,本发明不仅限于第一实施方式中的两种膜材交替镀覆,以及第二实施方式中的三种膜材堆叠镀覆,还可以是更多种膜材的堆叠镀覆。例如,当需镀四种膜材堆叠的层结构时,可以增设晶振传感器D,用于单独检测第四种膜材的实时厚度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种膜厚监控装置,用于在基材表面交替镀多种膜材,包括:
晶振监测单元,其配置在镀膜室内,用于检测所述多种膜材在基材表面的实时厚度;
控制单元,其配置为与所述晶振监测单元电连接,用于接收从所述晶振监测单元传送的所述实时厚度,以及配置为与镀膜装置电连接,用于控制所述镀膜装置在基材表面交替镀多种膜材;
其特征在于:
所述晶振监测单元包括多个晶振传感器,所述晶振监测单元控制每个所述晶振传感器单独检测同种膜材的实时厚度,
所述控制单元在所述镀膜装置向所述基材表面交替镀多种膜材期间,根据每种膜材对应的实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间;
所述晶振监测单元包括晶振传感器A和晶振传感器B,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器A单独检测第一膜材的第一实时厚度,以及控制所述晶振传感器B单独检测不同于所述第一膜材的第二膜材的第二实时厚度,其中,所述第一膜材与第二膜材的密度不同;
所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第一膜材期间,根据所述第一实时厚度控制所述镀膜装置的工作状态;以及所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀第二膜材期间,根据所述第二实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
2.如权利要求1所述的膜厚监控装置,其特征在于:所述晶振监测单元还包括晶振传感器C,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器C单独检测不同于所述第一膜材和第二膜材的第三膜材的第三实时厚度;所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第三膜材期间,根据所述第三实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
3.如权利要求2所述的膜厚监控装置,其特征在于:所述晶振监测单元还包括晶振传感器D,所述晶振监测单元控制所述晶振传感器D单独检测不同于所述第一膜材、第二膜材和第三膜材的第四膜材的第四实时厚度;所述控制单元在所述镀膜装置向基材表面镀所述第四膜材期间,根据所述第四实时厚度控制所述镀膜装置的工作时间。
4.如权利要求1所述的膜厚监控装置,其特征在于:所述晶振监测单元包括盖板,用于在所述镀膜装置向基材表面镀一种膜材期间,露出单独检测该膜材的晶振传感器,同时遮挡其他所述晶振传感器。
5.一种镀膜设备,用于在基材表面交替镀多种膜材,其特征在于:包括镀膜室、工件架、镀膜装置和如权利要求1-4中任一项所述的膜厚监控装置。
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