[发明专利]一种反应溅射沉积速率稳定控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及真空反应溅射镀膜领域，特别涉及一种反应溅射沉积速率稳定控制系统及方法。

背景技术

众所周知，真空镀膜技术已广泛应用于许多产业，并在平板显示、太阳能光伏、新型电子信息、节能玻璃等产业中称为核心关键技术。未来市场对真空镀膜工艺技术的挑战在于高品质精密光薄膜和电学薄膜等的大规模生产。目前，随着磁控溅射技术设备的进步及溅射工艺监控技术的技术突破，正逐步应用于高质量光学薄膜的制备。

反应溅射法是用于生成化合物薄膜的技术，传统方法的反应溅射是在一开始设定反应气体的流量使溅射处于适当的氧化模式，属于开环控制。当工艺参数发生改变，由于不能自动调整气体流量和靶电流电压，造成反应不充分及溅射速率改变而使镀膜不均。特别是对钛、镍、铌等一些金属靶材，其反应溅射迟滞曲线很窄，工作过程不易稳定控制，存在溅射速率低下、沉积的薄膜层质量不理想、对金属化合物成分控制重复性不稳定、打弧、靶材中毒等缺点。

改进措施一般采用闭环控制系统，以气体传感器探测反应溅射中反应气体的反压，用质量流量计调节反应气体流量，来实现对化合物成分的控制。对于较小的基片，这种单一监控通道的闭环控制可以达到一定的效果。但当基片面积较大且对膜层均匀性有较高要求时，仅适用气体传感器单一输入控制很难实现高速、精确、稳定的控制，这就给制备高性能高质量的化合物薄膜带来了困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种反应溅射沉积速率稳定控制系统，该系统通过监控等离子体发射光谱、工作气体和反应气体的精确含量、靶电流电压等来实现溅射过程的快速反馈实时控制，实现溅射沉积速率的稳定和保证溅射薄膜成分的稳定。不仅适用用较小的基片、单一溅射材料，对大面积基片、复合掺杂溅射材料都有较好的效果。

本发明的另一目的在于一种反应溅射沉积速率稳定控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种反应溅射沉积速率稳定控制系统，包括控制器、溅射电源、气体流量压电阀和多路传感反馈电路；其中

多路传感反馈电路，包括等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路；其中等离子体光谱反馈电路通过光纤探头检测真空镀膜室中等离子体反应溅射发射光谱中光谱的强度，并经过滤波、放大和预置工作点信号进行差值运算；气体分压反馈电路通过气体传感器探测真空镀膜室中工作气体和反应气体分压，并将分压值与真空镀膜室总压值的比值转换为电位信号，放大电位信号反馈到控制器中；靶电流电压反馈电路通过高增益运算放大器将输出电压值和给定电压值的误差放大，将输出电压值偏离给定电压值的误差反馈于控制器；

气体流量压电阀，包括反应气体流量压电阀、工作气体流量压电阀；

控制器，通过控制信号控制溅射电源的输出电压、电流，以及气体流量压电阀、工作气体流量压电阀的气体流量；根据工作气体分压和真空镀膜室总压比值的电位信号而调节电源的脉冲宽度使输出电压值稳定在给定电压值；同时根据反应溅射发射光谱中光谱的强度的差值运算调节反应气体流量压电阀。

所述真空镀膜室内安装有基片和靶，基片和靶是上下相对设置的，在基片和靶内产生等离子体反应溅射区；所述靶为孪生靶，在等离子体反应溅射区左右两端分别对称设置有气体通入口、光纤探头、氧传感器、气体传感器和遮挡板。

所述孪生靶通过导线连接电源的两个输出端，电源的两个输出端的电流电压反馈到控制器。

所述光纤探头、氧传感器分别与控制器连接，将光纤探头和氧传感器的输出信号反馈到控制器。

所述光纤探头为N个，N≥1，N个光线探头的安装位置为等离子体反应溅射区两端及中间位置。

所述控制器为等离子体反应监控器，控制器分别与反应气体流量压电阀、工作气体流量压电阀相连，分别控制反应气体、工作气体的分压和流量。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种反应溅射沉积速率稳定控制方法，包含以下步骤：

抽取真空镀膜室内的部分真空，使达到一定的真空度；

向真空镀膜室内通入工作气体和反应气体；

预置靶电流电压，使工作气体和反应气体辉光放电形成等离子体反应溅射区，靶材反应溅射，在基片表面形成薄膜；

通过多路传感反馈电路判断反应溅射状态变化，根据反应溅射状态变化实时调整工作气体流量和反应气体流量，并保持溅射电流电压的稳定。

所述多路传感反馈电路包括等离子体光谱反馈电路、气体分压反馈电路和靶电流电压反馈电路。