CN203668503U - 电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置 - Google Patents
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Abstract
电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置包括平面磁控阴极模块、控制电机模块及闭环控制模块；平面磁控阴极模块包括磁路模块、靶材；控制电机模块包括电机、电机驱动模块及编码模块；电机驱动模块分别连接电机及编码模块，通过闭环控制模块采集平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，而编码模块则将反馈信号编码为电机驱动模块驱动电机转动的控制信号，因而能够控制电机的转速和转向，使得与电机连接的磁路模块与靶材表面的距离在靶材寿命周期内保持动态不变。从而能够克服现有磁控溅射平面阴极在靶材溅射寿命周期内因靶材刻蚀导致的工艺参数漂移，以排除其工艺调试研发中对薄膜结构性能的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁控溅射平面阴极装置，特别是涉及一种电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置。
背景技术
磁控溅射技术是目前最重要的几种真空镀膜物理气相沉积PVD（PhysicalVapor Deposition，真空离子电镀）技术之一。磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
磁控溅射阴极作为磁控溅射装置的核心器件，主要有圆筒结构和平面结构两种结构。其中典型的平面阴极基本原理都是利用磁场与电场交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。
随着溅射靶材的刻蚀，溅射阴极内磁钢表面离靶材实际表面的距离逐渐减小，因此靶面磁场也随之逐渐改变，随即影响溅射辉光等离子体，导致溅射电压、电流也随着时间缓慢变化，影响薄膜的结构性能。这种在靶材溅射寿命周期内的工艺参数漂移变化一方面影响了生产中镀膜工艺的稳定性和重复性，另一方面在工艺调试研发中导致很难分清不同工艺参数对薄膜结构性能的独立影响。
目前，已有的闭环控制磁控阴极系统，主要是应用于反应溅射系统，采用靶电压、氧分压或者辉光光谱信号作为输入信号，接入闭环控制，然后反馈给气体流量计，通过自动调节反应气体来稳定磁控溅射辉光状态，比如使靶电压稳定在某一恒定电压等，但本质上也无法根除因为靶材刻蚀带来的漂移，即使保持恒定电压，但实质上反应气体初始气氛状态已经改变。此外，此方法对非反应溅射无效。
实用新型内容
基于此，有必要提供一种结构简单、成本低的电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置。
一种电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，包括平面磁控阴极模块、控制电机模块及闭环控制模块；
所述平面磁控阴极模块包括磁路模块、靶材；所述控制电机模块包括电机、电机驱动模块及编码模块；所述电机驱动模块分别连接所述电机及所述编码模块，所述闭环控制模块分别连接所述控制电机模块和所述平面磁控阴极模块；所述电机通过螺杆与所述磁路模块连接，所述电机驱动模块控制所述电机的转向和转速，使与所述电机连接的所述磁路模块沿所述靶材法线方向移动；所述闭环控制模块采集所述平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，控制所述编码模块将反馈信号编码为所述电机驱动模块驱动所述电机转速和转向的控制信号，所述电机驱动模块按所述控制信号驱动所述电机，使与所述电机连接的所述磁路模块与所述靶材表面的距离在所述靶材寿命周期内保持动态不变。
在其中一个实施例中，所述平面磁控阴极模块包括圆形平面磁控阴极模块和矩形平面磁控阴极模块。
在其中一个实施例中，所述电机为步进电机或伺服电机。
在其中一个实施例中，所述电机驱动所述磁路模块沿所述靶材法线方向前后移动。
在其中一个实施例中，所述闭环控制模块采集所述平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源的电压或电流信号。
上述电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置通过闭环控制模块采集平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，而编码模块则将反馈信号编码为电机驱动模块驱动电机转动的控制信号，因而能够控制电机的转速和转向，使得与电机连接的磁路模块与靶材表面的距离在靶材寿命周期内保持动态不变。从而能够克服现有磁控溅射平面阴极在靶材溅射寿命周期内因靶材刻蚀导致的工艺参数漂移，以排除其工艺调试研发中对薄膜结构性能的影响。
附图说明
图1为电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置的模块图；
图2为平面磁控阴极模块的结构示意图；
图3为磁路模块向下移动距离与靶电压关系图；
图4为溅射电压与溅射时间的关系图。
具体实施方式
如图1所示，为电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置的模块图。
一种电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，包括平面磁控阴极模块20、控制电机模块30及闭环控制模块10。
所述平面磁控阴极模块20包括磁路模块202、靶材201；所述控制电机模块30包括电机303、电机驱动模块302及编码模块301；所述电机驱动模块302分别连接所述电机303及所述编码模块301，所述闭环控制模块10分别连接所述控制电机模块30和所述平面磁控阴极模块20；所述电机303通过螺杆40与所述磁路模块202连接，所述电机驱动模块302控制所述电机303的转向和转速，使与所述电机303连接的所述磁路模块202沿所述靶材201法线方向移动；所述闭环控制模块10采集所述平面磁控阴极模块20的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，控制所述编码模块301将反馈信号编码为所述电机驱动模块302驱动所述电机303转速和转向的控制信号，所述电机驱动模块302按所述控制信号驱动所述电机303，使与所述电机303连接的所述磁路模块202与所述靶材201表面的距离在所述靶材201寿命周期内保持动态不变。
靶材201在不断的被刻蚀，因此，若磁路模块202固定不动时，磁路模块202与靶材201的距离是变大的，因而采用电机驱动模块302驱动电机303，使与电机303连接的磁路模块202移动，以保证磁路模块202与靶材201表面的距离在靶材201寿命周期内保持动态不变。
请结合图2。
闭环控制模块10是一个带闭环自动控制算法的PID算法控制器，用于处理采集到的溅射电源信号和输出反馈信号。具体的，为采集溅射电压和溅射电流作为输入信号，从而接入闭环控制模块10，然后通过PID算法处理后反馈给控制电机模块30。闭环控制模块10通过自动调节溅射阴极的磁路模块202与靶材201表面的距离来保持靶材201在溅射过程中，磁路模块202表面与靶材201刻蚀的实际表面距离动态保持不变，即靶材201靶面的磁场保持不变，以此稳定靶面辉光等离子体状态。磁路模块202与靶电压的位置关系如图3所示。
闭环控制模块10遵循的反馈原理为根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
平面磁控阴极模块20包括靶材201、磁路模块202、阳极板205、靶材压条206、冷却水道207、阴极体208、法兰绝缘209及法兰210等。磁路模块202为方形，磁路模块202一边缘相对安装有靶材201，磁路模块202相对靶材201的一边缘通过螺杆40与电机303连接，磁路模块202随电机303的转动通过沿靶材201的法线方向运动。
控制电机模块30包括电机303、电机驱动模块302和编码模块301。PID算法控制器通过实施采集溅射电源的电压/电流信号，并和设定的电压/电流数据进行比较。如图4所示，为溅射电压与溅射时间的关系图。然后通过PID算法进行处理后，输出给编码模块301。编码模块301将接收的反馈信号进行编码，并将编码后的反馈信号输出给电机驱动模块302，从而使得反馈信号转换为电机驱动模块302控制电机303转向和转速的控制信号。因此电机驱动模块302控制电机303按反馈信号转动。使得与电机303连接的磁路模块202与靶材201表面的距离在靶材201寿命周期内保持动态不变。
采用闭环控制模块10控制磁路模块202与靶材201的表面距离在靶材201寿命周期内保持动态不变，能够克服因靶材201刻蚀导致的工艺参数漂移，以排除其工艺调试研发中对薄膜结构性能的影响。同时，平面磁控阴极模块20的结构简单、可靠性高及成本低，使得采用带闭环控制的磁控溅射平面阴极装置的整体可靠性提高、成本降低。
平面磁控阴极模块20包括圆形平面磁控阴极模块和矩形平面磁控阴极模块。
电机303为步进电机或伺服电机。
电机303驱动所述磁路模块202沿所述靶材201法线方向前后移动。电机驱动模块302驱动电机303的信号可以是数字信号也可以是模拟信号
闭环控制模块10采集所述平面磁控阴极模块20的溅射阴极的溅射电源的电压或电流信号。
上述电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置通过闭环控制模块10采集平面磁控阴极模块20的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，而编码模块301则将反馈信号编码为电机驱动模块302驱动电机303转动的控制信号，因而能够控制电机303的转速和转向，使得与电机303连接的磁路模块202与靶材201表面的距离在靶材201寿命周期内保持动态不变。从而能够克服现有磁控溅射平面阴极在靶材溅射寿命周期内因靶材刻蚀导致的工艺参数漂移，以排除其工艺调试研发中对薄膜结构性能的影响。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，其特征在于，包括平面磁控阴极模块、控制电机模块及闭环控制模块；
所述平面磁控阴极模块包括磁路模块、靶材；所述控制电机模块包括电机、电机驱动模块及编码模块；所述电机驱动模块分别连接所述电机及所述编码模块，所述闭环控制模块分别连接所述控制电机模块和所述平面磁控阴极模块；所述电机通过螺杆与所述磁路模块连接，所述电机驱动模块控制所述电机的转向和转速，使与所述电机连接的所述磁路模块沿所述靶材法线方向移动；所述闭环控制模块采集所述平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源信号作为反馈信号，控制所述编码模块将反馈信号编码为所述电机驱动模块驱动所述电机转速和转向的控制信号，所述电机驱动模块按所述控制信号驱动所述电机，使与所述电机连接的所述磁路模块与所述靶材表面的距离在所述靶材寿命周期内保持动态不变。
2.根据权利要求1所述的电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，其特征在于，所述平面磁控阴极模块包括圆形平面磁控阴极模块和矩形平面磁控阴极模块。
3.根据权利要求1所述的电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，其特征在于，所述电机为步进电机或伺服电机。
4.根据权利要求1所述的电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，其特征在于，所述电机驱动所述磁路模块沿所述靶材法线方向前后移动。
5.根据权利要求1所述的电机闭环控制磁控溅射平面阴极装置，其特征在于，所述闭环控制模块采集所述平面磁控阴极模块的溅射阴极的溅射电源的电压或电流信号。
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