CN116411248A - 一种旋转镀膜机及其镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转镀膜机及其镀膜方法，旋转镀膜机包括真空腔室、溅射系统、样品旋转架和用于驱动样品旋转架转动的第一驱动装置；溅射系统的主体为溅射靶位结构，溅射靶位结构包括整流罩、溅射靶、用于驱动溅射靶转动的第二驱动装置、溅射口开关控制机构，溅射口正对样品旋转架；所述旋转镀膜机还包括控制装置、膜厚传感器和用于感应样品旋转架起始角度的起始角度感应器，膜厚传感器、起始角度感应器分别与控制装置相应的输入端电连接，第一驱动装置、第二驱动装置、位置调节装置分别与控制装置相应的输出端电连接。本发明能够精确地控制样品的镀膜膜厚，并使同一样品旋转架上各样品的最终膜厚具有较好的一致性。

Description

一种旋转镀膜机及其镀膜方法
技术领域
本发明涉及镀膜技术领域，具体涉及一种旋转镀膜机及其镀膜方法。
背景技术
旋转镀膜机，即带有样品旋转架的溅射镀膜机，能够实现小片样品的高效溅射镀膜，目前已广泛应用在光学镜片、触摸屏等镀膜器件的生产制造中。
现有的旋转镀膜机在镀膜时，样品旋转架上的样品在样品旋转架的带动下轮流通过溅射靶位前方的溅射区，对于每个样品来说，其每一次通过溅射区则获得了一次膜厚增量Δt，样品的最终膜厚t为：t=nΔt（其中，n为样品经过溅射区的次数，单次膜厚增量Δt为样品每次经过溅射区的膜厚增量），因而，样品的最终膜厚只能控制为Δt的倍数，而无法进一步精确到Δt的分数；而且在样品旋转架最终停止镀膜时，样品旋转架上某些样品已通过溅射区，还有一些样品未通过溅射区，即不同样品的n值可能相差1，使得同一样品旋转架上各样品的最终膜厚出现了较大差别。
基于上述原因，由这种旋转镀膜机溅射镀膜后的样品得最终膜厚难以精确控制，难以满足一些高规格镀膜器件的技术要求，虽然也有些厂家采用增加样品旋转架转速的方法来解决这个问题，然而这种方法导致了样品被甩出的风险大大增加，并不是一种理想的解决方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转镀膜机及其镀膜方法，其能够精确地控制样品的镀膜膜厚，并使同一样品旋转架上各样品的最终膜厚具有较好的一致性。采用的技术方案如下：
一种旋转镀膜机，包括真空腔室、溅射系统、样品旋转架和用于驱动样品旋转架转动的第一驱动装置； 样品旋转架可转动安装在真空腔室的腔体中并且其转动轴线为上下走向；溅射系统的主体为溅射靶位结构，溅射靶位结构包括整流罩、溅射靶、用于驱动溅射靶转动的第二驱动装置，整流罩安装在真空腔室的腔体中，溅射靶处于整流罩中，整流罩的前侧具有供溅射靶表面外露的溅射口，溅射口正对样品旋转架；其特征在于：所述溅射靶位结构还包括用于控制所述溅射口打开或关闭的溅射口开关控制机构，溅射口开关控制机构包括活动挡板以及用于对活动挡板的位置进行调节的位置调节装置，活动挡板设置在溅射口前侧以构成对溅射口的遮挡；所述旋转镀膜机还包括控制装置、膜厚传感器和用于感应样品旋转架起始角度的起始角度感应器，膜厚传感器设置在样品旋转架上，膜厚传感器、起始角度感应器分别与控制装置相应的输入端电连接，第一驱动装置、第二驱动装置、位置调节装置分别与控制装置相应的输出端电连接。
一般来说，上述第一驱动装置、第二驱动装置均安装在真空腔室上；上述溅射口设置为沿上下方向延伸的条形溅射口。
通常，上述真空腔室的腔体与真空抽气系统（如可将本地真空抽到1Pa以内的机械泵、分子泵二级系统）连接。真空腔室一般还设有工艺气体接入系统，如可将氩气等工艺气体按一定流量(一般采用质量流量计进行控制)接入并在溅射靶位结构之内喷出，以满足溅射过程的要求。旋转镀膜机在工作时，真空腔室的腔体内工艺气体的压强可被控制在0.1～10Pa之间（0.1Pa是磁控溅射的本底真空，10Pa是磁控溅射工作的工作气体（氩气）气压上限）；真空腔室的腔体处在溅射口前方的区域构成溅射区。
上述旋转镀膜机中，样品可以通过胶纸(如耐高温双面胶)或固定夹固定在旋转挂架上，样品旋转架在第一驱动装置的带动下绕其转动轴线不断旋转，带动其上的各样品轮流从溅射口前方的溅射区通过，样品每一次通过溅射区则获得了一次膜厚增量Δt；位置调节装置用于对活动挡板的位置进行调节，实现活动挡板对溅射口形成不同程度的遮挡，活动挡板可执行完全开启、完全关闭、或是按比例遮挡的不同动作，由此来控制样品每次经过溅射区的膜厚增量Δt；起始角度感应器用于感应样品旋转架的起始角度并提供给控制装置，使得控制装置得以根据第一驱动装置的转速和角度来算知样品旋转架的实时角度；膜厚传感器可以设置在样品旋转架的某个位置（如样品旋转架的中间高度位置），其用来测量其经过溅射区后的单次膜厚增量Δt，并发送给控制装置进行统计、分析及处理，由此采集样品的膜厚增量（一般来说其膜厚增量相等或非常接近）。
上述控制装置可以采用PLC控制器、单片机或微处理器等。
上述膜厚传感器可通过连接转盘连接到真空腔室的腔体外。膜厚传感器可以是基于晶振原理的传感器，其受到镀膜之后其振动频率会改变，从而可通过其振动频率的探测来得知其膜厚增量（其工作原理具体可参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/256995371，具体为石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸,切割类型而且还取决于芯片的厚度。当芯片上镀了某种膜层,使芯片的厚度增大,则芯片的固有频率会相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。石英晶体法监控膜厚,主要是利用了石英晶体的压电效应和质量负荷效应）。
作为本发明的优选方案，所述真空腔室上设有可翻转打开的活动室门。由此可方便地通过活动室门将待镀膜的样品固定在旋转挂架上。
作为本发明的优选方案，所述第一驱动装置包括第一转轴、第一电机和第一传动机构，第一转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向；第一电机安装在真空腔室上，第一电机的输出轴通过第一传动机构与第一转轴传动连接，第一电机与所述控制装置相应的输出端电连接；所述样品旋转架固定安装在第一转轴上。第一转轴的轴线即为所述样品旋转架的转动轴线。所述第一电机可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置的控制下，第一电机通过第一传动机构驱动第一转轴转动，带动样品旋转架及其上的各个样品绕转轴转动。
作为本发明的优选方案，所述溅射靶为中频溅射孪生靶，其包括左右并排设置且相对转动的两个圆筒靶，两个圆筒靶均与所述第二驱动装置的动力输出端传动连接；两个圆筒靶之间形成条形缝隙。工作时，可通过向两个圆筒靶之间施加中频电压进行放电，从而使工艺气体离化形成轰击靶材表面的离子。
作为本发明进一步的优选方案，所述第二驱动装置包括两个第二转轴、两个传动齿轮、第二电机和第二传动机构，两个第二转轴均可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，两个第二转轴左右并排设置，两个传动齿轮分别安装在相应的第二转轴上并且两者相互啮合；第二电机安装在真空腔室上，第二电机的输出轴通过第二传动机构与其中一第二转轴传动连接，第二电机与所述控制装置相应的输出端电连接；两个所述圆筒靶分别固定安装在相应的第二转轴上。第二电机可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置的控制下，第二电机通过第二传动机构驱动相应的第二转轴及其上的圆筒靶转动，通过相互啮合的两个传动齿轮带动另一第二转轴及其上的另一圆筒靶转动，由此使两个圆筒靶做相对转动运动。
作为本发明的优选方案，所述起始角度感应器包括磁铁和磁场感应器，磁铁设置在所述样品旋转架上，磁场感应器设置在所述真空腔室或活动室门的内壁上并与磁铁的位置相对应；磁场感应器与所述控制装置相应的输入端电连接。具体地，磁场感应器可以采用霍尔感应器。当样品旋转架旋转而使得磁铁通过磁场感应器时，其产生信号而被记录为起始角度。
作为本发明的优选方案，所述位置调节装置包括滑轨、平移滑块、齿条、齿轮、第三转轴、第三电机和第三传动机构，滑轨设置在所述整流罩上并且为左右走向，平移滑块安装在滑轨上并与滑轨滑动配合，所述活动挡板安装在平移滑块上，齿条设置在所述活动挡板上并与滑轨相平行，第三转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，齿轮固定安装在第三转轴上并与齿条相啮合；第三电机安装在真空腔室上，第三电机的输出轴通过第三传动机构与第三转轴传动连接，第三电机与所述控制装置相应的输出端电连接。第三电机可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置的控制下，第三电机通过第三传动机构驱动第三转轴和齿轮转动，利用齿轮与齿条之间的啮合关系，带动齿条、活动挡板和平移滑块沿滑轨向左或向右平移，由此调节活动挡板在左右方向上的位置，以改变活动挡板对溅射口的遮挡面积，实现对溅射靶的溅射镀膜速率进行控制（当活动挡板对溅射口的遮挡面积越大，溅射靶的溅射镀膜效率越慢；当活动挡板对溅射口的遮挡面积越小，溅射靶的溅射镀膜效率越快）。一般来说，上述滑轨上还可设置有限位部件及传感器，以避免平移滑块被过度从滑轨上滑出。
上述第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构可以采用蜗杆蜗轮传动机构、减速齿轮组或带传动机构等。
作为本发明的优选方案，所述样品旋转架上设有加热装置，加热装置与所述控制装置相应的输出端电连接。加热装置用于为样品旋转架上的样品进行加热，使得其满足镀膜的温度条件。
本发明还提供了上述旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）提供一旋转镀膜机，至少设有真空腔室、样品旋转架、用于驱动样品旋转架旋转的第一驱动装置、溅射系统、用于控制溅射系统的溅射口打开或关闭的溅射口开关控制机构、用于测量单次膜厚增量Δt的膜厚传感器、用于计算旋转架转动的圈数N1的起始角度感应器和控制装置；样品旋转架处在真空腔室中并且正对溅射系统的溅射口；
（2）镀膜准备工作：将待溅射镀膜的多个样品固定在样品旋转架上，再由控制装置通过第一驱动装置驱动样品旋转架绕其转动轴线转动，定义样品旋转架转过一周的时间为一个镀膜周期T，定义一个镀膜周期T中的某个固定时段为第一时间窗口；并设定加入镀膜的样品目标膜厚为Taim，精度要求为S；
（3）一级镀膜：控制装置启动溅射系统在其溅射口的前方形成溅射区，并在每个镀膜周期T的第一时间窗口中，由控制装置通过溅射口开关控制机构完全开启溅射系统的溅射口，由此使得样品旋转架上每次通过溅射区的样品被溅射镀膜而具有单次膜厚增量Δt1；控制装置根据起始角度感应器的感应次数来记录样品旋转架转动的圈数N1，并根据膜厚传感器的数据记录镀膜的总膜厚增量，并计算单次膜厚增量Δt1、一级镀膜过程所需的圈数N1，触发一级镀膜的条件：①Δt1小于S ，②N1Δt1 < Taim，③（N1+M1）Δt1>Taim；当样品旋转架转动的总圈数数量达到N1之后，样品的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1；
（4）二级镀膜过程：控制装置通过溅射口开关控制机构按比例部分开启溅射系统的溅射口，使得单次膜厚增量从Δt1减少为Δt2，并计算二级镀膜过程所需的圈数N2，触发二级镀膜的条件：①N2Δt2 <Taim- N1Δt1，②（N2+M2）Δt2>Taim-N1Δt1；当样品旋转架转动的总圈数数量达到N2之后，样品的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1+N2Δt2；直至当样品的镀膜总膜厚N1Δt1+N2Δt2与样品目标厚度Taim的差别小于M2Δt2时，结束二级镀膜过程；
（5）控制装置通过溅射口开关控制机构完全关闭溅射系统的溅射口，完成镀膜。
上述旋转镀膜机的镀膜方法中，所述步骤（2）中，样品可以通过胶纸(如耐高温双面胶)或固定夹固定在样品旋转架上；所述步骤（3）中，M1可取1～10之间的数字，当镀膜机的镀膜稳定性较好时，可用M1=1来计算N1以获得最高的镀膜效率；所述步骤（4）中，Δt2与溅射口的开启比例的对应关系可由机器先前经验获得，且可在本二级镀膜过程中进行修正，以更准确地计算圈数N2 （一级过程中M1取较高的值，Δt2可获得更多的修正，适合镀膜稳定性较差的情况）。
作为本发明的优选方案，所述步骤（2）中，定义对应样品旋转架的一定角度范围为样品旋转架的净空区，并定义在一个镀膜周期T中，样品旋转架的净空区经过溅射区的时间段为所述第一时间窗口；所述步骤（3）和（4）中溅射口开关控制机构控制溅射口打开或关闭的活动过程被控制在第一时间窗口中执行。由此来保证活动挡板过程不会影响到样品，而每个样品都得到了圈数一致的镀膜；当样品旋转架的净空区进入溅射区时起始角度感应器产生感应信号。
为了有效地减速，作为本发明的优选方案，所述Δt2<0.25Δt1。根据习惯可以选择为Δt2=0.1Δt1。
作为本发明的优选方案，所述Δt2<S。样品镀膜厚度的可精确到Δt2级别，当Δt2<S时，可用M2=1来计算N2，由此样品的镀膜总厚度与样品目标厚度Taim的差别小于Δt2。
为了减少活动挡板活动过程对膜厚的影响，作为本发明的优选方案，定义所述溅射口开关控制机构将溅射口从完全关闭到完全开启的执行时间不大于镀膜周期T的1%。
为了进一步提高样品镀膜厚度的精度，作为本发明的优选方案，在所述步骤（4）中，在完成二级镀膜过程之后，还对样品进行多轮减速镀膜：对于第（i）轮减速镀膜，控制装置通过溅射口开关控制机构例将溅射系统的溅射口按比例调小，使单次膜厚增量从上一级的Δti-1减小为Δti，则进入本轮减速镀膜过程的镀膜，并计算镀膜过程所需的圈数Ni，使得Ni值同时满足条件：①N1Δt1+N2Δt2+……+NiΔti < Taim，②N1Δt1+N2Δt2+……+Ni-1Δti-1+（Ni+Mi）Δti>Taim；当本轮减速镀膜过程结束时，样品的镀膜总膜厚与样品目标厚度Taim的差别小于MiΔt i；直至当样品的镀膜总膜厚与样品目标厚度Taim的差别小于Δti时，结束多轮减速镀膜 。一般来说，i可以为3、4、5……，可以选择Δti不大于Δti-1的1/4，Δti还可在本级过程中进行修正以更准确地计算圈数Ni。在多轮减速镀膜过程中，样品镀膜的精度控制达到了Δti级别。当Δti<S时，可用Mi=1来计算Ni，由此样品的镀膜总膜厚与样品目标厚度Taim的差别小于Δti。多轮减速镀膜过程完成后，控制装置通过溅射口开关控制机构将溅射系统的溅射口完全关闭，结束镀膜。
作为本发明的优选方案，所述步骤（1）中的所述样品旋转架上设有加热装置；所述步骤（2）中，在将待溅射镀膜的多个样品固定在样品旋转架上之后，控制装置通过加热装置为样品旋转架上的各个样品进行加热，使得其满足镀膜的温度条件。
作为本发明的优选方案，所述步骤（2）中，控制装置通过溅射口开关控制机构完全关闭溅射系统的溅射口，再对真空腔室的腔体进行抽真空，使其达到预定的真空度后通入工艺气体。通常，上述真空腔室的腔体与真空抽气系统（如可将本地真空抽到1Pa以内的机械泵、分子泵二级系统）连接。真空腔室一般还设有工艺气体接入系统，如可将氩气等工艺气体按一定流量(一般采用质量流量计进行控制)接入并在溅射靶位结构之内喷出，以满足溅射过程的要求。旋转镀膜机在工作，真空腔室腔体内的工艺气体压强可被控制在0.1～10Pa之间。
上述膜厚传感器可以是基于晶振原理的传感器，其受到镀膜之后其振动频率会改变，从而可通过其振动频率的探测来得知其膜厚增量（其工作原理具体可参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/256995371）。
作为本发明的优选方案，所述起始角度感应器包括磁铁和磁场感应器，磁铁设置在所述样品旋转架上，磁场感应器设置在所述真空腔室或活动室门的内壁上并与磁铁的位置相对应；磁场感应器与所述控制装置相应的输入端电连接。具体地，磁场感应器可以采用霍尔感应器。当样品旋转架旋转而使得磁铁通过磁场感应器时，其产生信号而被记录为起始角度。
作为本发明的优选方案，所述真空腔室上设有可翻转打开的活动室门。由此可方便地通过活动室门将待镀膜的样品可以通过胶纸(如耐高温双面胶)或固定夹固定在旋转挂架上。
作为本发明的优选方案，所述第一驱动装置包括第一转轴、第一电机和第一传动机构，第一转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向；第一电机安装在真空腔室上，第一电机的输出轴通过第一传动机构与第一转轴传动连接，第一电机与所述控制装置相应的输出端电连接；所述样品旋转架固定安装在第一转轴上并处在真空腔室的腔体中。第一转轴的轴线即为所述样品旋转架的转动轴线。所述第一电机可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置的控制下，第一电机通过第一传动机构驱动第一转轴转动，带动样品旋转架及其上的各个样品绕转轴转动。
作为本发明的优选方案，所述溅射系统的主体为溅射靶位结构，溅射靶位结构包括整流罩、溅射靶、用于驱动溅射靶转动的第二驱动装置，整流罩安装在所述真空腔室的腔体中，溅射靶处于整流罩中，整流罩的前侧具有供溅射靶表面外露的所述溅射口。工作时，控制装置在启动溅射系统并在其稳定后，通过第二驱动装置驱动溅射靶转动，通过溅射的方式将溅射靶的物质(原子)溅射出来，在条形溅射口的前方形成溅射区；样品旋转架上每次通过溅射区的样品被溅射镀膜而具有单次膜厚增量Δt。
作为本发明进一步的优选方案，所述溅射靶为中频溅射孪生靶，其包括左右并排设置且相对转动的两个圆筒靶，两个圆筒靶均与所述第二驱动装置的动力输出端传动连接；两个圆筒靶之间形成条形缝隙。工作时，可通过向两个圆筒靶之间施加中频电压进行放电，从而使工艺气体离化形成轰击靶材表面的离子。
作为本发明更进一步的优选方案，所述第二驱动装置包括两个第二转轴、两个传动齿轮、第二电机和第二传动机构，两个第二转轴均可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，两个第二转轴左右并排设置，两个传动齿轮分别安装在相应的第二转轴上并且两者相互啮合；第二电机安装在真空腔室上，第二电机的输出轴通过第二传动机构与其中一第二转轴传动连接，第二电机与所述控制装置相应的输出端电连接；两个所述圆筒靶分别固定安装在相应的第二转轴上。第二电机可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置的控制下，第二电机通过第二传动机构驱动相应的第二转轴及其上的圆筒靶转动，通过相互啮合的两个传动齿轮带动另一第二转轴及其上的另一圆筒靶转动，由此使两个圆筒靶做相对转动运动。
作为本发明进一步的优选方案，所述溅射靶位结构还包括活动挡板以及用于对活动挡板的位置进行调节的位置调节装置，活动挡板设置在溅射口前侧以构成对所述溅射口的遮挡。位置调节装置用于对活动挡板的位置进行调节，实现活动挡板对条形溅射口形成不同程度的遮挡，活动挡板可执行完全开启、完全关闭、或是按比例遮挡的不同动作，由此来控制样品每次经过溅射区的膜厚增量Δt。
作为本发明更进一步的优选方案，所述位置调节装置包括滑轨、平移滑块、齿条、齿轮、第三转轴、第三电机和第三传动机构，滑轨设置在所述整流罩上并且为左右走向，平移滑块安装在滑轨上并与滑轨滑动配合，所述活动挡板安装在平移滑块上，齿条设置在所述活动挡板上并与滑轨相平行，第三转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，齿轮固定安装在第三转轴上并与齿条相啮合；第三电机安装在真空腔室上，第三电机的输出轴通过第三传动机构与第三转轴传动连接，第三电机与所述控制装置相应的输出端电连接。一般来说，第三电机可以采用步进电机或伺服电机；滑轨上可设置有限位部件及传感器，以避免平移滑块被过度从滑轨上滑出。工作时，在控制装置的控制下，第三电机通过第三传动机构驱动第三转轴和齿轮转动，利用齿轮与齿条之间的啮合关系，带动齿条、活动挡板和平移滑块沿滑轨向左或向右平移，由此调节活动挡板在左右方向上的位置，以改变活动挡板对溅射口的遮挡面积，实现对溅射靶的溅射镀膜速率进行控制（当活动挡板对溅射口的遮挡面积越大，溅射靶的溅射镀膜效率越慢；当活动挡板对溅射口的遮挡面积越小，溅射靶的溅射镀膜效率越快）。
上述第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构可以采用蜗杆蜗轮传动机构、减速齿轮组或带传动机构等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
这种旋转镀膜机及其镀膜方法能够精确地控制样品的镀膜膜厚，并使同一样品旋转架上各样品的最终膜厚具有较好的一致性。
附图说明
图1是本发明优选实施例中旋转镀膜机的结构示意图。
图2是图1所示旋转镀膜机内部的结构示意图。
图3是图1所示旋转镀膜机中溅射靶位结构的结构示意图。
图4是图1所示旋转镀膜机内部的逻辑方框图。
具体实施方式
如图1-图4所示，这种旋转镀膜机，包括真空腔室1、溅射系统、样品旋转架2和用于驱动样品旋转架2转动的第一驱动装置3；第一驱动装置3安装在真空腔室1上， 样品旋转架2可转动安装在真空腔室1的腔体中并且其转动轴线为上下走向；溅射系统的主体为溅射靶位结构4，溅射靶位结构4包括整流罩41、溅射靶42、用于驱动溅射靶42转动的第二驱动装置43，第二驱动装置43安装在真空腔室1上，整流罩41安装在真空腔室1的腔体中，溅射靶42处于整流罩41中，整流罩41的前侧具有供溅射靶42表面外露的溅射口401，溅射口401呈条形并且沿上下方向延伸，溅射口401正对样品旋转架2；溅射靶位结构4还包括用于控制溅射口401打开或关闭的溅射口开关控制机构44，溅射口开关控制机构44包括活动挡板441以及用于对活动挡板441的位置进行调节的位置调节装置442，活动挡板441设置在溅射口401前侧以形成对溅射口401的遮挡；所述旋转镀膜机还包括控制装置5、膜厚传感器6和用于感应样品旋转架2起始角度的起始角度感应器7，膜厚传感器6设置在样品旋转架2上，膜厚传感器6、起始角度感应器7分别与控制装置5相应的输入端电连接，第一驱动装置3、第二驱动装置43、位置调节装置442分别与控制装置5相应的输出端电连接。
在本实施例中，真空腔室1的腔体与真空抽气系统（如可将本地真空抽到1Pa以内的机械泵、分子泵二级系统）连接。真空腔室1还设有工艺气体接入系统，如可将氩气等工艺气体按一定流量(一般采用质量流量计进行控制)接入并在溅射靶位结构4之内喷出，以满足溅射过程的要求。旋转镀膜机在工作时，真空腔室1腔体内的工艺气体的压强可被控制在0.1～10Pa之间；真空腔室1的腔体处在溅射口401前方的区域构成溅射区402。
在本实施例中，膜厚传感器6是基于晶振原理的传感器，其受到镀膜之后其振动频率会改变，从而可通过其振动频率的探测来得知其膜厚增量。膜厚传感器6通过连接转盘21连接到真空腔室1的腔体外。
在本实施例中，真空腔室1上设有可翻转打开的活动室门101。由此可方便地通过活动室门将待镀膜的样品20可以通过胶纸(如耐高温双面胶)或固定夹固定在旋转挂架上。
在本实施例中，第一驱动装置3包括第一转轴31、第一电机32、第一蜗杆33和第一蜗轮34，第一转轴31可转动安装在真空腔室1上并且为上下走向；第一电机32安装在真空腔室1的顶部，第一蜗杆33安装在第一电机32的输出轴上，第一蜗轮34安装在第一转轴31上并与第一蜗杆33相互啮合，第一电机32与控制装置5相应的输出端电连接；样品旋转架2固定安装在第一转轴31上。第一转轴31的轴线即为样品旋转架2的转动轴线。第一电机32可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置5的控制下，第一电机32通过第一蜗杆33和第一蜗轮34驱动第一转轴31转动，带动样品旋转架2及其上的各个样品20绕转轴转动。
在本实施例中，第二驱动装置43包括两个第二转轴431、两个传动齿轮432、第二电机433、第二蜗杆434和第二蜗轮435，两个第二转轴431均可转动安装在真空腔室1上并且为上下走向，两个第二转轴431左右并排设置，两个传动齿轮432分别安装在相应的第二转轴431上并且两者相互啮合；第二电机433安装在真空腔室1的顶部，第二蜗杆434安装在第二电机433的输出轴上，第二蜗轮435安装在其中一第二转轴431上并与第二蜗杆434相互啮合，第二电机433与控制装置5相应的输出端电连接；溅射靶42为中频溅射孪生靶，其包括左右并排设置且相对转动的两个圆筒靶421，两个圆筒靶421分别固定安装在相应的第二转轴431上，两个圆筒靶421之间形成条形缝隙。第二电机433可以采用步进电机或伺服电机。工作时， 在控制装置5的控制下，第二电机433通过第二蜗杆434和第二蜗轮435驱动相应的第二转轴431及其上的圆筒靶421转动，通过相互啮合的两个传动齿轮432带动另一第二转轴431及其上的另一圆筒靶421转动，由此使两个圆筒靶421做相对转动运动；可通过向两个圆筒靶421之间施加中频电压进行放电，从而使工艺气体离化形成轰击靶材表面的离子。
在本实施例中，起始角度感应器7包括磁铁71和磁场感应器72，磁铁71设置在样品旋转架2上，磁场感应器72设置在活动室门101的内壁上并与磁铁71的位置相对应；磁场感应器72与控制装置5相应的输入端电连接。磁场感应器72可以采用霍尔感应器。当样品旋转架2旋转而使得磁铁71通过磁场感应器72时，其产生信号而被记录为起始角度。
在本实施例中，位置调节装置442包括滑轨4421、平移滑块4422、齿条4423、齿轮4424、第三转轴4425、第三电机4426、第三蜗杆4427和第三蜗轮4428，滑轨4421设置在整流罩41上并且为左右走向，平移滑块4422安装在滑轨4421上并与滑轨4421滑动配合，活动挡板441安装在平移滑块4422上，齿条4423设置在活动挡板441上并与滑轨4421相平行，第三转轴4425可转动安装在真空腔室1上并且为上下走向，齿轮4424固定安装在第三转轴4425上并与齿条4423相啮合；第三电机4426安装在真空腔室1的顶部，第三蜗杆4427安装在第三电机4426的输出轴上，第三蜗轮4428安装在第三转轴4425上并与第三蜗杆4427相互啮合，第三电机4426与控制装置5相应的输出端电连接。第三电机4426可以采用步进电机或伺服电机。工作时，在控制装置5的控制下，第三电机4426通过第三蜗杆4427和第三蜗轮4428驱动第三转轴4425和齿轮4424转动，利用齿轮4424与齿条4423之间的啮合关系，带动齿条4423、活动挡板441和平移滑块4422沿滑轨4421向左或向右平移，由此调节活动挡板441在左右方向上的位置，以改变活动挡板441对溅射口401的遮挡面积，实现对溅射靶42的溅射镀膜速率进行控制（当活动挡板441对溅射口401的遮挡面积越大，溅射靶42的溅射镀膜效率越慢；当活动挡板441对溅射口401的遮挡面积越小，溅射靶42的溅射镀膜效率越快）。
在本实施例中，样品旋转架2上设有加热装置（图中未画出），加热装置与控制装置5相应的输出端电连接。加热装置用于为样品旋转架2上的样品20进行加热，使得其满足镀膜的温度条件。
本实施例还提供了上述旋转镀膜机的镀膜方法，包括如下步骤：
（1）提供一旋转镀膜机，至少设有真空腔室1、样品旋转架2、用于驱动样品旋转架2旋转的第一驱动装置3、溅射系统、用于控制溅射系统的溅射口401打开或关闭的溅射口开关控制机构44、用于测量单次膜厚增量Δt的膜厚传感器6、用于计算旋转架转动的圈数N1的起始角度感应器7和控制装置5；样品旋转架2处在真空腔室1中并且正对溅射系统的溅射口401，样品旋转架2上设有加热装置（图中未画出）；
（2）镀膜准备工作：将待溅射镀膜的多个样品20通过胶纸(如耐高温双面胶)或固定夹固定在样品旋转架2上，控制装置5通过溅射口开关控制机构44完全关闭溅射系统的溅射口401，并对真空腔室1的腔体进行抽真空，使其达到预定的真空度后通入工艺气体，再通过加热装置为样品旋转架2上的各个样品20进行加热，使得其满足镀膜的温度条件；然后，由控制装置5通过第一驱动装置3驱动样品旋转架2绕其转动轴线转动，定义样品旋转架2转过一周的时间为一个镀膜周期T，定义一个镀膜周期T中的某个固定时段为第一时间窗口；并设定加入镀膜的样品20目标膜厚为Taim，精度要求为S；
（3）一级镀膜（全速镀膜）：控制装置5启动溅射系统在其溅射口401的前方形成溅射区402，并在每个镀膜周期T的第一时间窗口中，由控制装置5通过溅射口开关控制机构44完全开启溅射系统的溅射口401，由此使得样品旋转架2上每次通过溅射区402的样品20被溅射镀膜而具有单次膜厚增量Δt1；控制装置5根据起始角度感应器7的感应次数来记录样品旋转架2转动的圈数N1，并根据膜厚传感器6的数据记录镀膜的总膜厚增量，并计算单次膜厚增量Δt1、一级镀膜过程所需的圈数N1，触发一级镀膜的条件：①Δt1小于S ，②N1Δt1< Taim，③（N1+M1）Δt1>Taim，其中M1可取1～10之间的数字（当镀膜机的镀膜稳定性较好时，可用M1=1来计算N1以获得最高的镀膜效率）；当样品旋转架2转动的总圈数数量达到N1之后，样品20的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1；
（4）二级镀膜过程（减速镀膜）：控制装置5通过溅射口开关控制机构44按比例部分开启溅射系统的溅射口401，使得单次膜厚增量从Δt1减少为Δt2，并计算减速镀膜过程所需的圈数N2，触发减速镀膜的条件：①N2Δt2 <Taim- N1Δt1，②（N2+M2）Δt2>Taim-N1Δt1，其中，Δt2与溅射口401的开启比例的对应关系可由机器先前经验获得，且可在本减速镀膜过程中进行修正，以更准确地计算圈数N2（一级过程中M1取较高的值，Δt2可获得更多的修正，适合镀膜稳定性较差的情况）；当样品旋转架2转动的总圈数数量达到N2之后，样品20的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1+N2Δt2；直至当样品20的镀膜总膜厚N1Δt1+N2Δt2与样品20目标厚度Taim的差别小于M2Δt2时，结束二级镀膜过程；
（5）控制装置5通过溅射口开关控制机构44完全关闭溅射系统的溅射口401，完成镀膜。
在本实施例中，所述步骤（2）中，定义对应样品旋转架2的一定角度范围为样品旋转架2的净空区201，并定义在一个镀膜周期T中，样品旋转架2的净空区201经过溅射区402的时间段为第一时间窗口；所述步骤（3）和（4）中溅射口开关控制机构44控制溅射口401打开或关闭的活动过程被控制在第一时间窗口中执行。由此来保证活动挡板441过程不会影响到样品20，而每个样品20都得到了圈数一致的镀膜；当样品旋转架2的净空区201进入溅射区402时起始角度感应器7产生感应信号。
为了有效地减速，在本实施例中，Δt2=0.1Δt1，Δt2<S。样品20镀膜厚度的可精确到Δt2级别，当Δt2<S时，可用M2=1来计算N2，由此样品20的镀膜总厚度与样品20目标厚度Taim的差别小于Δt2。
为了减少活动挡板441活动过程对膜厚的影响，在本实施例中，定义溅射口开关控制机构44将溅射口401从完全关闭到完全开启的执行时间不大于镀膜周期T的1%。
为了进一步提高样品20镀膜厚度的精度，在本实施例中，在所述步骤（4）中，在完成二级镀膜过程之后，还对样品20进行多轮减速镀膜：对于第（i）轮减速镀膜，控制装置5通过溅射口开关控制机构44将溅射系统的溅射口401按比例调小，使单次膜厚增量从上一级的Δti-1减小为Δti，则进入本轮减速镀膜过程的镀膜，并计算镀膜过程所需的圈数Ni，使得Ni值同时满足条件：①N1Δt1+N2Δt2+……+NiΔti < Taim，②N1Δt1+N2Δt2+……+Ni-1Δti-1+（Ni+Mi）Δti>Taim；当本轮减速镀膜过程结束时，样品20的镀膜总膜厚与样品20目标厚度Taim的差别小于MiΔt i；直至当样品20的镀膜总膜厚与样品20目标厚度Taim的差别小于Δti时，结束多轮减速镀膜；i可以为3、4、5……，可以选择Δti不大于Δti-1的1/4，Δti还可在本级过程中进行修正以更准确地计算圈数Ni。在多轮减速镀膜过程中，样品20镀膜的精度控制达到了Δti级别。当Δti<S时，可用Mi=1来计算Ni，由此样品20的镀膜总膜厚与样品20目标厚度Taim的差别小于Δti。多轮减速镀膜过程完成后，控制装置5通过溅射口开关控制机构44将溅射系统的溅射口401完全关闭，结束镀膜。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种旋转镀膜机，包括真空腔室、溅射系统、样品旋转架和用于驱动样品旋转架转动的第一驱动装置； 样品旋转架可转动安装在真空腔室的腔体中并且其转动轴线为上下走向；溅射系统的主体为溅射靶位结构，溅射靶位结构包括整流罩、溅射靶、用于驱动溅射靶转动的第二驱动装置，整流罩安装在真空腔室的腔体中，溅射靶处于整流罩中，整流罩的前侧具有供溅射靶表面外露的溅射口，溅射口正对样品旋转架；其特征在于：所述溅射靶位结构还包括用于控制所述溅射口打开或关闭的溅射口开关控制机构，溅射口开关控制机构包括活动挡板以及用于对活动挡板的位置进行调节的位置调节装置，活动挡板设置在溅射口前侧以构成对溅射口的遮挡；所述旋转镀膜机还包括控制装置、膜厚传感器和用于感应样品旋转架起始角度的起始角度感应器，膜厚传感器设置在样品旋转架上，膜厚传感器、起始角度感应器分别与控制装置相应的输入端电连接，第一驱动装置、第二驱动装置、位置调节装置分别与控制装置相应的输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种旋转镀膜机，其特征在于：所述真空腔室上设有可翻转打开的活动室门；所述起始角度感应器包括磁铁和磁场感应器，磁铁设置在所述样品旋转架上，磁场感应器设置在所述真空腔室或活动室门的内壁上并与磁铁的位置相对应；磁场感应器与所述控制装置相应的输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种旋转镀膜机，其特征在于：所述样品旋转架上设有加热装置，加热装置与所述控制装置相应的输出端电连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种旋转镀膜机，其特征在于：所述第一驱动装置包括第一转轴、第一电机和第一传动机构，第一转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向；第一电机安装在真空腔室上，第一电机的输出轴通过第一传动机构与第一转轴传动连接，第一电机与所述控制装置相应的输出端电连接；所述样品旋转架固定安装在第一转轴上。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种旋转镀膜机，其特征在于：所述第二驱动装置包括两个第二转轴、两个传动齿轮、第二电机和第二传动机构，两个第二转轴均可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，两个第二转轴左右并排设置，两个传动齿轮分别安装在相应的第二转轴上并且两者相互啮合；第二电机安装在真空腔室上，第二电机的输出轴通过第二传动机构与其中一第二转轴传动连接，第二电机与所述控制装置相应的输出端电连接；所述溅射靶为中频溅射孪生靶，其包括左右并排设置且相对转动的两个圆筒靶，两个圆筒靶分别固定安装在相应的第二转轴上，两个圆筒靶之间形成条形缝隙。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种旋转镀膜机，其特征在于：所述位置调节装置包括滑轨、平移滑块、齿条、齿轮、第三转轴、第三电机和第三传动机构，滑轨设置在所述整流罩上并且为左右走向，平移滑块安装在滑轨上并与滑轨滑动配合，所述活动挡板安装在平移滑块上，齿条设置在所述活动挡板上并与滑轨相平行，第三转轴可转动安装在所述真空腔室上并且为上下走向，齿轮固定安装在第三转轴上并与齿条相啮合；第三电机安装在真空腔室上，第三电机的输出轴通过第三传动机构与第三转轴传动连接，第三电机与所述控制装置相应的输出端电连接。
7.一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）提供一旋转镀膜机，至少设有真空腔室、样品旋转架、用于驱动样品旋转架旋转的第一驱动装置、溅射系统、用于控制溅射系统的溅射口打开或关闭的溅射口开关控制机构、用于测量单次膜厚增量Δt的膜厚传感器、用于计算旋转架转动的圈数N1的起始角度感应器和控制装置；样品旋转架处在真空腔室中并且正对溅射系统的溅射口；
（2）镀膜准备工作：将待溅射镀膜的多个样品固定在样品旋转架上，再由控制装置通过第一驱动装置驱动样品旋转架绕其转动轴线转动，定义样品旋转架转过一周的时间为一个镀膜周期T，定义一个镀膜周期T中的某个固定时段为第一时间窗口；并设定加入镀膜的样品目标膜厚为Taim，精度要求为S；
（3）一级镀膜：控制装置启动溅射系统在其溅射口的前方形成溅射区，并在每个镀膜周期T的第一时间窗口中，由控制装置通过溅射口开关控制机构完全开启溅射系统的溅射口，由此使得样品旋转架上每次通过溅射区的样品被溅射镀膜而具有单次膜厚增量Δt1；控制装置根据起始角度感应器的感应次数来记录样品旋转架转动的圈数N1，并根据膜厚传感器的数据记录镀膜的总膜厚增量，并计算单次膜厚增量Δt1、一级镀膜过程所需的圈数N1，触发一级镀膜的条件：①Δt1小于S，②N1Δt1 < Taim，③（N1+M1）Δt1>Taim；当样品旋转架转动的总圈数数量达到N1之后，样品的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1；
（4）二级镀膜过程：控制装置通过溅射口开关控制机构按比例部分开启溅射系统的溅射口，使得单次膜厚增量从Δt1减少为Δt2，并计算二级镀膜过程所需的圈数N2，触发二级镀膜的条件：①N2Δt2 <Taim- N1Δt1，②（N2+M2）Δt2>Taim-N1Δt1；当样品旋转架转动的总圈数数量达到N2之后，样品的镀膜总膜厚增量达到了N1Δt1+N2Δt2；直至当样品的镀膜总膜厚N1Δt1+N2Δt2与样品目标厚度Taim的差别小于M2Δt2时，结束二级镀膜过程；
（5）控制装置通过溅射口开关控制机构完全关闭溅射系统的溅射口，完成镀膜。
8.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述步骤（2）中，定义对应样品旋转架的一定角度范围为样品旋转架的净空区，并定义在一个镀膜周期T中，样品旋转架的净空区经过溅射区的时间段为所述第一时间窗口；所述步骤（3）和（4）中溅射口开关控制机构控制溅射口开关的活动过程被控制在第一时间窗口中执行。
9.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述Δt2<0.25Δt1。
10.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述Δt2<S。
11.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：定义所述溅射口开关控制机构将溅射口从完全关闭到完全开启的执行时间不大于镀膜周期T的1%。
12.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述步骤（1）中的所述样品旋转架上设有加热装置；所述步骤（2）中，在将待溅射镀膜的多个样品固定在样品旋转架上之后，控制装置通过加热装置为样品旋转架上的各个样品进行加热，使得其满足镀膜的温度条件。
13.根据权利要求7所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述步骤（2）中，控制装置通过溅射口开关控制机构完全关闭溅射系统的溅射口，再对真空腔室的腔体进行抽真空，使其达到预定的真空度后通入工艺气体。
14.根据权利要求7-13任一项所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，在完成二级镀膜过程之后，还对样品进行多轮减速镀膜：对于第（i）轮减速镀膜，控制装置通过溅射口开关控制机构例将溅射系统的溅射口按比例调小，使单次膜厚增量从上一级的Δti-1减小为Δti，则进入本轮减速镀膜过程的镀膜，并计算镀膜过程所需的圈数Ni，使得Ni值同时满足条件：①N1Δt1+N2Δt2+……+NiΔti< Taim，②N1Δt1+N2Δt2+……+Ni-1Δti-1+（Ni+Mi）Δti>Taim；当本轮减速镀膜过程结束时，样品的镀膜总膜厚与样品目标厚度Taim的差别小于MiΔt i；直至当样品的镀膜总膜厚与样品目标厚度Taim的差别小于Δti时，结束多轮减速镀膜 。
15.根据权利要求7-13任一项所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述溅射系统的主体为溅射靶位结构，溅射靶位结构包括整流罩、溅射靶、用于驱动溅射靶转动的第二驱动装置，整流罩安装在所述真空腔室的腔体中，溅射靶处于整流罩中，整流罩的前侧具有供溅射靶表面外露的所述溅射口；所述溅射靶位结构还包括活动挡板以及用于对活动挡板的位置进行调节的位置调节装置，活动挡板设置在溅射口前侧以构成对所述溅射口的遮挡。
16.根据权利要求15所述的一种旋转镀膜机的镀膜方法，其特征在于：所述溅射靶为中频溅射孪生靶，其包括左右并排设置且相对转动的两个圆筒靶，两个圆筒靶均与所述第二驱动装置的动力输出端传动连接；两个圆筒靶之间形成条形缝隙。
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