CN203144508U - 一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统。它包括可编程控制器、气体压力/流量控制仪、质量流量计、比例调节阀、隔断阀、高真空角阀、薄膜压力规和真空溅射腔室；真空溅射腔室的前、后门各有三个阴极平行分布；还具有六个阴极质量流量控制器和六个阴极隔断阀；高纯氩气经气体稳压装置后分别接各阴极质量流量控制器的进气口；各阴极质量流量控制器的出气口分别接各阴极隔断阀的入口，各阴极隔断阀的出口接真空溅射腔室上各阴极的进气口上；各阴极质量流量控制器通过数据线接入可编程控制器的模拟量输入模块和输出模块上，各阴极隔断阀连接可编程控制器的数字量输出模块上。它具有很高的控制精度，响应速度极快，软启动稳定可靠速度快，工作压力范围相对较宽，溅射气氛均匀度高，成膜质量高等优点。

Description

一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统

技术领域

本实用新型涉及溅射镀膜设备，特别是一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统。

背景技术

通常溅射镀膜机中只应用一路质量流量控制器来向腔室中充气，这样对于较小的溅射腔室来说，还勉强可以保证成膜的质量。但是对于大的溅射腔室来说，这种方法就很难保证溅射腔室的气体均匀性了，成膜质量也会受到影响，再加之多靶磁控溅射镀膜机就更显得不足了，成膜质量也会大大的受到影响。

在溅射镀膜工艺中的充气必须注意合理地选择充入气体的流量，因为它的大小直接影响到镀膜室的真空度，对溅射成膜的速率以及膜的纯度也有很大的影响。

充入气体流量的控制方式一般有针阀、单极或双极调压阀，高级的有气体流量等控制。主要控制方式一般有封闭式气体稳定系统（即开环控制模式）和气体质量流量控制器（局部闭环控制模式）。

前者的控制精度较低，可用于对流量控制精度要求不高的场合，自然成膜质量也会有所下降。目前，较普遍的镀膜机采用的控制方式为气体质量流量控制器。气体质量流量控制器的优点是具有较高的控制精度，响应速度较快，软启动稳定较快，工作压力范围较宽等。可对气体质量流量进行精确的测量和控制，可任意位置安装并方便与计算机或PLC等连接，实现智能自动控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，它主要解决现有技术所存在的技术缺陷，它具有很高的控制精度，响应速度极快，软启动稳定可靠速度快，工作压力范围相对较宽，溅射气氛均匀度高，成膜质量高等优点。

为实现上述目的，本实用新型是这样实现的。

一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，它包括可编程控制器、气体压力/流量控制仪、质量流量计、比例调节阀、隔断阀、高真空角阀、薄膜压力规和真空溅射腔室，其特征在于：真空溅射腔室上共有六个阴极，其中：在后门上有三个阴极平行分布，径向排列，靠近真空腔室下圆周表面；在前门上有三个阴极平行分布，径向排列，悬挂在前门支撑上相对位置靠近真空腔室圆周的上表面；系统还分别具有第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器和第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀；高纯氩气经过气体稳压装置后分别连接到各阴极质量流量控制器的进气口；各阴极质量流量控制器的出气口分别接到各阴极隔断阀的入口，各阴极隔断阀的出口接到真空溅射腔室上各阴极的进气口上；各阴极质量流量控制器通过数据线接入到可编程控制器的模拟量输入模块和输出模块上，各阴极隔断阀也是连接到可编程控制器的数字量输出模块上。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的气体压力/流量控制仪与可编程控制器连接，薄膜压力规实时采集到压力转变为电信号通过数据线连接传递到气体压力/流量控制仪，气体压力/流量控制仪的智能PID闭环控制模块对信号进行处理后产生的偏差量经过数据线连接控制比例调节阀。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的比例调节阀和真空溅射腔室之间设置有隔断阀。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的薄膜压力规与真空溅射腔室之间设置有高真空角阀。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的可编程控制器采用西门子公司的S7-315DP，所述的气体压力/流量控制仪采用250E气体压力/流量控制仪，所述的薄膜压力规采用Baratron®的626B薄膜压力规，所述的质量流量计采用MFM的179A全金属的质量流量计，所述的比例调节阀采用148J 金属密封压力控制阀。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器采用美国MKS公司的1179A通用型的弹性密封的质量流量控制器；所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀采用隔断阀EV4C-I。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的可编程控制器连接输入输出设备触摸屏。

所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的真空溅射腔室的尺寸为Φ1300mm*1000mm，每个阴极长度在1m，宽度为0.18m。

本实用新型的技术效果是：

1、本实用新型涉及一种全闭环的气体控制模式，它具有很高的控制精度，响应速度极快，软启动稳定可靠速度快，工作压力范围相对较宽，溅射气氛均匀度高，成膜质量高等优点。

2、本实用新型通过充气系统的设计，气体密度的变化率在溅射沉积区域要尽量的小，而在区域外，系统的流导要尽量大，以提高抽气系统的效率。在长时间的溅射过程中，抽气系统的能力会逐渐地下降，这时就要在系统的设计上充分考虑到溅射腔室内压力的控制上也要逐渐减小充气量，这个调节过程是自动完成的，采用先进的PID控制法。本实用新型通过充气结构设计，从布气结构流出的气体依靠与机械部件表面的分子碰撞以及气体的扩散运动达到溅射室内气氛的均匀性，从而保证沉积膜层的均匀性和溅射沉积过程的稳定性。

3、本实用新型中采用了六个阴极分散充气的控制方式和腔室气体充气压力PID全闭环调节的控制方式。两者有机结合的设计方案就是为了能够在溅射空间大，溅射功率大，溅射时间长的情况下，来保证保证沉积膜层的均匀性和溅射沉积过程的稳定性。每个阴极充气设计都应用了一个美国MKS公司气体质量控制器，保证每个阴极溅射区域都能有定量的高纯的气氛，始终是高纯的气体最先参与到辉光放电、等离子体溅射中来。这样就满足了参与电离气体的分布尽量靠近靶材附近，减少对靶材的污染和氧化。工作气体尽量分布在靶表面处，增加离化率，提高工作气体的使用效率，保证成膜的质量。

附图说明

图1是本实用新型系统的结构示意图。

图2是本实用新型系统中阴极质量流量控制器的分布结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1-2，本实用新型公开了一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统。如图所示：它包括可编程控制器1、气体压力/流量控制仪2、质量流量计3、比例调节阀4、隔断阀5、高真空角阀6、薄膜压力规7和真空溅射腔室20。本实用新型的真空溅射腔室20上共有六个阴极，其中：在后门上有三个阴极平行分布，径向排列，靠近真空腔室下圆周表面，故称为下阴极；在前门上有三个阴极平行分布，径向排列，悬挂在前门支撑上相对位置靠近真空腔室圆周的上表面，故称为上阴极。系统还分别具有第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器8、10、12、14、16、18和第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀9、11、13、15、17、19；高纯氩气经过气体稳压装置7后分别连接到各阴极质量流量控制器8、10、12、14、16、18的进气口；各阴极质量流量控制器8、10、12、14、16、18的出气口分别接到各阴极隔断阀9、11、13、15、17、19的入口，各阴极隔断阀9、11、13、15、17、19的出口接到真空溅射腔室20上各阴极的进气口上；各阴极质量流量控制器8、10、12、14、16、18通过数据线接入到可编程控制器1的模拟量输入模块和输出模块上，各阴极隔断阀9、11、13、15、17、19也是连接到可编程控制器1的数字量输出模块上。所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器8、10、12、14、16、18采用美国MKS公司的1179A通用型的弹性密封的质量流量控制器；所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀9、11、13、15、17、19采用隔断阀EV4C-I。所述的真空溅射腔室20的尺寸为Φ1300mm*1000mm，每个阴极长度在1m，宽度为0.18m。因为本实用新型的腔室体积较大，大约有2个立方米，每个阴极长度在1米，宽度为0.18米，相对来讲阴极表面积比较大，考虑到每个阴极溅射区域都能有定量的高纯氩，始终是高纯氩气最先参与到辉光放电、等离子体溅射中来，这样就满足了参与电离气体的分布尽量靠近靶材附近，减少对靶材的污染和氧化。

本实用新型中的1179A通用型的弹性密封的质量流量控制器，它以单位时间内压力体积的流量方式来控制气体质量流量的测量仪器，实时高精度流量控制是基于先进的数字算法技术，能有效地避免因压力波动而造成的流量不稳。可在多种应用场合测量和控制气体的流量，特别是对可重复性要求高的场合。它具有数字和模拟两种控制模式。（1）精度高：为全量程的1%和读数的1%；（2）精确控制量程宽：为全量程的2% to 100%；（3）灵敏度高：为全量程的0.1%；（4）响应速度快：小于2Sec；（5）热机时间短：小于2Min等诸多优点。

使用时，质量流量控制器8、10、12、14、16、18通过数据线AD/DA-1179接入到可编程控制器1（S7-315DP）的模拟量输入模块和输出模块上，监视及控制质量流量控制器8、10、12、14、16、18高纯氩的流量，隔断阀9、11、13、15、17、19也是连接到可编程控制器1（S7-315DP）的数字量输出模块上，由程序来控制其是否开通。这样，工作气体尽量分布在靶表面处，可以增加离化率，提高工作气体的使用效率，保证成膜的质量。

本实用新型中，所述的气体压力/流量控制仪2与可编程控制器1连接，薄膜压力规7实时采集到压力转变为电信号通过数据线连接传递到气体压力/流量控制仪2，气体压力/流量控制仪2的智能PID闭环控制模块对信号进行处理后产生的偏差量经过数据线连接控制比例调节阀4。其中：气体压力/流量控制仪2为控制核心元件，将薄膜压力规7实时采集到压力转变为电信号通过数据线CB258-1-10传递给2气体压力/流量控制仪2，经过气体压力/流量控制仪2的智能PID闭环控制模块对信号进行处理后产生的偏差量，经过数据线CB251-2-10来控制比例调节阀4的开度，从而达到动态反应的充气量。实时高精度流量控制是基于先进的数字算法技术，能有效地避免因压力波动而造成的流量不稳。。

本实用新型中的可编程控制器1采用西门子公司的S7-315DP，它是西门子公司生产的中型PLC，模块式结构，功能强大，指令丰富，处理速度快，可方便完成加、减、乘、除运算和16位或32位定点和浮点运算，具有通信、诊断、定位控制、PID控制、频率测量等功能。

本实用新型中的气体压力/流量控制仪2采用250E气体压力/流量控制仪，其输入压力或流量信号，通过PID闭环控制模块，来控制压力控制阀或质量流量控制器。工艺过程的控制可以通过对前面板上的电位计进行手动调整的方法进行，或者对0-5V 直流模拟信号进行遥控编程进行。基本型250E 配有误差测量计，来显示实际值和理想设定值之间的偏差。它配有一个4位半数字LED显示器来显示输入的传感器信号读数，这样就不需要额外的独立显示装置。设定值有外部给定模式和手动给定模式。如果将开关拨到Ext.为外部给定模式，主要是在触摸屏22中设置数字量，然后通过PLC转换为模拟量传递到250E中。如果将开关拨到Int.为手动给定模式，直接旋转此开关上面的电位器旋纽，在显示窗口里就可以看到想要设定数值了。

本实用新型中的薄膜压力规7采用Baratron®的626B薄膜压力规，它可以作为250E型控制器的输入以进行闭环的压力控制，或者由质量流量计来测量入口的流量进行闭环的流量控制。本案中是正是应用了前者，Baratron® 薄膜压力规作为250E控制器的输入信号来进行闭环PID控制，对真空溅射腔室的压力实现实时控制，使真空溅射腔室的压力稳定在设置值的允许的精度范围内，从而保证了膜层的质量。626B薄膜压力规是电容式绝对压力传感器，满量程范围：0.1 – 1000Torr，精度高：读数值的0.15%。此产品属于高精度温度补偿型传感器，能应用在苛刻的生产环境中。此薄膜规具有稳定性好，抗蠕变性好，抗腐蚀性好，寿命长等优点。另外，此薄膜规还具有从电源接通后的快速稳定性和暴露大气压后快速恢复等特性。

本实用新型中的质量流量计3采用MFM的179A全金属的质量流量计，179A是一款全金属的质量流量计（MFM），是以检测单位时间内压力体积流量的测量仪器，可在很多应用场合下精确测量气体的流量。它有数字和模拟两种模式，其测量精度为全量程的1%和读数的1%。

本实用新型中的比例调节阀4采用148J 金属密封压力控制阀，148J 金属密封压力控制阀，流量范围：0–500sccm。148J型先进的超净设计降低了颗粒的产生，并减少了可能导致器件失效和低成品率的残留沾污的放气效应。148J型采用泄漏速率低于1×10^-10 atm cc/sec（氦气）的金属密封以避免沾污和腐蚀。148型高温阀门能工作在150℃的工艺过程温度下。

本实用新型中，所述的比例调节阀4和真空溅射腔室20之间设置有隔断阀5，它的主要作用是对于真空溅射腔室20在抽高真空时起到隔断密闭的作用，这样真空溅射腔室20才能抽到高真空。

本实用新型中，所述的薄膜压力规7与真空溅射腔室20之间设置有高真空角阀6，它的主要作用是对于真空溅射腔室20在抽高真空时起到隔断密闭的作用，同时还有防止薄膜压力规7在真空溅射腔室20超过量程压力时损坏的作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

Claims (8)

1.一种多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，它包括可编程控制器（1）、气体压力/流量控制仪（2）、质量流量计(3)、比例调节阀（4）、隔断阀（5）、高真空角阀（6）、薄膜压力规（7）和真空溅射腔室（20），其特征在于：真空溅射腔室（20）上共有六个阴极，其中：在后门上有三个阴极平行分布，径向排列，靠近真空腔室下圆周表面；在前门上有三个阴极平行分布，径向排列，悬挂在前门支撑上相对位置靠近真空腔室圆周的上表面；系统还分别具有第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器（8、10、12、14、16、18）和第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀（9、11、13、15、17、19）；高纯氩气经过气体稳压装置（7）后分别连接到各阴极质量流量控制器（8、10、12、14、16、18）的进气口；各阴极质量流量控制器（8、10、12、14、16、18）的出气口分别接到各阴极隔断阀（9、11、13、15、17、19）的入口，各阴极隔断阀（9、11、13、15、17、19）的出口接到真空溅射腔室（20）上各阴极的进气口上；各阴极质量流量控制器（8、10、12、14、16、18）通过数据线接入到可编程控制器（1）的模拟量输入模块和输出模块上，各阴极隔断阀（9、11、13、15、17、19）也是连接到可编程控制器（1）的数字量输出模块上。

2.根据权利要求1所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的气体压力/流量控制仪（2）与可编程控制器（1）连接，薄膜压力规（7）实时采集到压力转变为电信号通过数据线连接传递到气体压力/流量控制仪（2），气体压力/流量控制仪（2）的智能PID闭环控制模块对信号进行处理后产生的偏差量经过数据线连接控制比例调节阀（4）。

3.根据权利要求2所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的比例调节阀（4）和真空溅射腔室（20）之间设置有隔断阀（5）。

4.根据权利要求2所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的薄膜压力规（7）与真空溅射腔室（20）之间设置有高真空角阀（6）。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的可编程控制器（1）采用西门子公司的S7-315DP，所述的气体压力/流量控制仪（2）采用250E气体压力/流量控制仪，所述的薄膜压力规（7）采用Baratron®的626B薄膜压力规，所述的质量流量计(3)采用MFM的179A全金属的质量流量计，所述的比例调节阀（4）采用148J 金属密封压力控制阀。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极质量流量控制器（8、10、12、14、16、18）采用美国MKS公司的1179A通用型的弹性密封的质量流量控制器；所述的第一、第二、第三、第四、第五和第六阴极隔断阀（9、11、13、15、17、19）采用隔断阀EV4C-I。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的可编程控制器（1）连接输入输出设备触摸屏（22）。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的多靶磁控溅射镀膜机的溅射压力系统，其特征在于：所述的真空溅射腔室（20）的尺寸为Φ1300mm*1000mm，每个阴极长度在1m，宽度为0.18m。

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