反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及1C集成、太陽能制造、平板顯示器、甚至大面積節(jié)能玻璃生產(chǎn)的環(huán)保、信息等領(lǐng)域中的反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，金屬/非金屬氧化膜、氮化膜、碳化膜正廣泛地被應(yīng)用于1C集成、太陽能制造、平板顯示器、甚至大面積節(jié)能玻璃生產(chǎn)的環(huán)保、信息等領(lǐng)域，前景非常廣闊。這種薄膜的沉積要依靠以反應(yīng)磁控濺射為主的大型實(shí)用化的真空鍍膜設(shè)備。而反應(yīng)磁控濺射過程由于存在著遲滯效應(yīng)往往伴隨著嚴(yán)重的靶中毒、起弧、真空度等沉積參數(shù)偏移等不穩(wěn)定現(xiàn)象。對(duì)該沉積過程參數(shù)的穩(wěn)定性控制一直是科研人員的研究熱點(diǎn)。我國是世界上真空鍍膜生產(chǎn)大國，世界上主要的薄膜產(chǎn)品基本集中在廣東省一帶，那里每天生產(chǎn)著世界上絕大多數(shù)的顯示器，鍍膜玻璃，太陽能電池板，半導(dǎo)體芯片等，甚至是各種裝飾鍍膜產(chǎn)品。而沈陽是真空鍍膜裝備的制造基地，有上百家真空鍍膜機(jī)制造企業(yè)和東北大學(xué)，中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心等一批真空鍍膜設(shè)計(jì)研發(fā)單位。這種反應(yīng)磁控濺射等離子體控制新技術(shù)具有非常大的應(yīng)用前景，加上我國市場(chǎng)廣闊，應(yīng)用的潛在市場(chǎng)巨大。
[0003]而現(xiàn)有的等離子體發(fā)射控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)是單一譜線的監(jiān)控(多為磁控濺射過程的金屬譜線的控制)，使用物理濾波器，且多為金屬靶材的監(jiān)控；而現(xiàn)在磁控濺射多為復(fù)合靶材以及反應(yīng)濺射，膜材的成分與多種譜線的強(qiáng)度比有關(guān)。本發(fā)明特點(diǎn)就是采用ICCD技術(shù)可以同時(shí)采集200-1100nm范圍的譜線，可以進(jìn)行多譜線的實(shí)時(shí)測(cè)控。
[0004]譜線的捕捉和辨識(shí)技術(shù):在反應(yīng)磁控濺射過程中，真空室里面的等離子體發(fā)射的光是多種波長和強(qiáng)度的緩和，而不同的粒子由于電子躍遷而發(fā)射的光譜是一定的，通過對(duì)光譜來了解等離子體中的物種含量從而獲得薄膜的動(dòng)態(tài)成分，需要對(duì)光譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)；本發(fā)明通過軟件濾波算法進(jìn)行等離子體粒子特征譜線的采集。
[0005]對(duì)磁控濺射鍍膜過程的控制，傳統(tǒng)上是基于外部參數(shù)的控制。如氣體的質(zhì)量流量控制，基片的溫度控制，真空度的控制等等；研究表明，等離子體的狀態(tài)對(duì)薄膜的性能有直接的影響，因?yàn)榈入x子體的影響薄膜的化學(xué)計(jì)量成分。對(duì)等離子體的控制非常重要。現(xiàn)有的等離子體控制中，采用的是傳統(tǒng)的PID或模糊PID控制算法單變量簡(jiǎn)單控制技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)多譜線的比值控制；本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)兩種特征譜線強(qiáng)度的比值控制功能。因此，研制開發(fā)一種反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法，該發(fā)明使沉積大面積、均勻、可重復(fù)性的薄膜成為了可能，可以實(shí)時(shí)診斷反應(yīng)濺射過程中各種反應(yīng)物種的成分和含量，了解含量的變化對(duì)薄膜質(zhì)量的影響程度，從量上實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜特性的在線控制，及時(shí)調(diào)整過程參數(shù)保證產(chǎn)品質(zhì)量。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)，包括一個(gè)等離子體光傳感器、執(zhí)行器為多路電磁閥、控制器的為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，等離子體光傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集磁控濺射過程反應(yīng)氣體和靶材粒子發(fā)射的等離子體譜線強(qiáng)度和波長；執(zhí)行器的作用是及時(shí)調(diào)節(jié)氣體的質(zhì)量流量；控制器的作用是對(duì)設(shè)定的特征譜線相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)；反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，具體步驟如下:
第一步:啟動(dòng)磁控濺射鍍膜，并啟動(dòng)系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集等離子體譜線；
第二步:輸入材料名稱，譜線濾波算法獲得靶材和氣體特征譜線譜線；
第三步:輸入譜線強(qiáng)度的設(shè)定值，系統(tǒng)啟動(dòng)控制算法，控制器實(shí)時(shí)輸出操作量給執(zhí)行器，執(zhí)行器開始動(dòng)作調(diào)節(jié)氣體流量；反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，(1)反應(yīng)磁控濺射過程中等離子體比值控制，即等離子體多組分的譜線強(qiáng)度比值控制如反應(yīng)氣體譜線和金屬靶材譜線的比值；(2)等離子體發(fā)射光譜多通道實(shí)時(shí)采集、特征譜線及等離子體物種辨識(shí)；(3)遲滯曲線的實(shí)時(shí)測(cè)定及最優(yōu)工作點(diǎn)辨識(shí)；(4)控制超調(diào)量小于等于百分之5 ;余差小于等于百分之3 ;系統(tǒng)過渡時(shí)間小于等于5秒。
[0008]本發(fā)明的要點(diǎn)在于它的控制系統(tǒng)及方法。其原理是:首先將磁控濺射過程等離子體的發(fā)射譜線采集出來；然后對(duì)各種譜線進(jìn)行初始濾波去除噪音和非特征譜線；接受操作人員的設(shè)定集要控制的譜線波長和強(qiáng)度或者兩個(gè)譜線強(qiáng)度的比值。接著自動(dòng)啟動(dòng)控制過程開始對(duì)譜線強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，通過改變電磁調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣流量的調(diào)節(jié)；進(jìn)氣流量的改變直接影響等離子體譜線的強(qiáng)弱；磁控靶的功率保持不變，靶材激發(fā)的譜線強(qiáng)度也是通過調(diào)節(jié)電磁閥的辦法實(shí)現(xiàn)。
[0009]反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有使沉積大面積、均勻、可重復(fù)性的薄膜成為了可能，可以實(shí)時(shí)診斷反應(yīng)濺射過程中各種反應(yīng)物種的成分和含量，了解含量的變化對(duì)薄膜質(zhì)量的影響程度，從量上實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜特性的在線控制，及時(shí)調(diào)整過程參數(shù)保證產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，將廣泛地應(yīng)用于1C集成、太陽能制造、平板顯示器、甚至大面積節(jié)能玻璃生產(chǎn)的環(huán)保、信息等領(lǐng)域中。
【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0011]圖1是磁控濺射等離子體特征譜線的快速辨識(shí)。
[0012]圖2是氬氣-氧氣等離子體下磁控濺射鋁靶的發(fā)射譜線。
[0013]圖3是氬氣-氧氣等離子體下單靶磁控濺射遲滯曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下實(shí)施例將有助于對(duì)本發(fā)明的了解，但這些實(shí)施例僅為了對(duì)本發(fā)明加以說明，本發(fā)明并不限于這些內(nèi)容。
[0015]參照附圖，一種反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)，包括一個(gè)等離子體光傳感器(微型光纖光譜儀)、執(zhí)行器為多路電磁閥、控制器的為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，等離子體光傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集磁控濺射過程反應(yīng)氣體和靶材粒子發(fā)射的等離子體譜線強(qiáng)度和波長；執(zhí)行器的作用是及時(shí)調(diào)節(jié)氣體的質(zhì)量流量；控制器的作用是對(duì)設(shè)定的特征譜線相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)；反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，具體步驟如下:
第一步:啟動(dòng)磁控濺射鍍膜，并啟動(dòng)系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集等離子體譜線；
第二步:輸入材料名稱，譜線濾波算法獲得靶材和氣體特征譜線譜線；
第三步:輸入譜線強(qiáng)度的設(shè)定值，系統(tǒng)啟動(dòng)控制算法，控制器實(shí)時(shí)輸出操作量給執(zhí)行器，執(zhí)行器開始動(dòng)作調(diào)節(jié)氣體流量；反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，(1)反應(yīng)磁控濺射過程中等離子體比值控制，即等離子體多組分的譜線強(qiáng)度比值控制如反應(yīng)氣體譜線和金屬靶材譜線的比值；(2)等離子體發(fā)射光譜多通道實(shí)時(shí)采集、特征譜線及等離子體物種辨識(shí)；(3)遲滯曲線的實(shí)時(shí)測(cè)定及最優(yōu)工作點(diǎn)辨識(shí)；(4)控制超調(diào)量小于等于百分之5 ;余差小于等于百分之3 ;系統(tǒng)過渡時(shí)間小于等于5秒。
[0016]實(shí)施例一
例如利用磁控濺射技術(shù)沉積氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜，具體操作過程如下啟動(dòng)磁控濺射鍍膜機(jī)通入氬氣，開啟靶電源使之放電，固定靶功率后啟動(dòng)真空反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)；
輸入設(shè)定值即要控制的氣體種類和靶材成分，要控制的等離子體譜線強(qiáng)度或兩種譜線強(qiáng)度的比值(如金屬鋅譜線或氧氣譜線或金屬鋅譜線和氧氣譜線比值)，打開磁控靶擋板和基片擋板，等離子體光傳感器(微型光纖光譜儀)開始實(shí)時(shí)采集等離子體的譜線，采集的譜線(200nm-l lOOnm)依次按照波長通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)被實(shí)時(shí)傳到控制器即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中；
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)首先進(jìn)行濾波處理，將背景信號(hào)和非特征譜線信號(hào)濾掉；再根據(jù)用戶輸入到設(shè)定值控制器自動(dòng)選定最終譜線的特征譜線；之后控制器啟動(dòng)控制模塊；控制算法是PID算法，結(jié)構(gòu)為比值控制形式；
控制器根據(jù)設(shè)定值和實(shí)時(shí)采集值進(jìn)行運(yùn)算得出并輸出控制量給通過模擬量輸出模塊輸出信號(hào)給執(zhí)行器電磁閥(電磁閥為24伏特信號(hào)輸入);執(zhí)行器為多路電磁閥，電磁閥的開度控制進(jìn)氣流量(也可以使用壓電閥代替電磁閥)；進(jìn)而形成等離子體閉環(huán)控制；控制過程的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和顯示?？刂七^程中可以手動(dòng)調(diào)節(jié)靶功率和基片溫度等其他參數(shù)。
[0017]注意:輸入的設(shè)定值是根據(jù)長期的實(shí)踐獲得的譜線數(shù)據(jù)；根據(jù)要形成的薄膜的具體成分與等離子體譜線強(qiáng)度的關(guān)系。也可以通過本發(fā)明的遲滯曲線測(cè)試功能輔助獲得設(shè)定值。本發(fā)明具有遲滯曲線的實(shí)時(shí)測(cè)定及最優(yōu)工作點(diǎn)辨識(shí)能力，使用者可以初步利用它獲得初步的設(shè)定值，然后在根據(jù)實(shí)際微調(diào)；本控制系統(tǒng)超調(diào)量小于等于百分之5;余差小于等于百分之3;系統(tǒng)過渡時(shí)間小于等于5秒是指氬氣直接濺射轟擊金屬靶的情況，對(duì)于反應(yīng)氣體和陶瓷或氣體復(fù)合靶材需要進(jìn)一步測(cè)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)，包括一個(gè)等離子體光傳感器、執(zhí)行器為多路電磁閥、控制器的為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其特征在于:等離子體光傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集磁控濺射過程反應(yīng)氣體和靶材粒子發(fā)射的等離子體譜線強(qiáng)度和波長；執(zhí)行器的作用是及時(shí)調(diào)節(jié)氣體的質(zhì)量流量；控制器的作用是對(duì)設(shè)定的特征譜線相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:反應(yīng)磁控濺射等離子體過程控制系統(tǒng)的控制方法，具體步驟如下: 第一步:啟動(dòng)磁控濺射鍍膜，并啟動(dòng)系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集等離子體譜線； 第二步:輸入材料名稱，譜線濾波算法獲得靶材和氣體特征譜線譜線； 第三步:輸入譜線強(qiáng)度的設(shè)定值，系統(tǒng)啟動(dòng)控制算法，控制器實(shí)時(shí)輸出操作量給執(zhí)行器，執(zhí)行器開始動(dòng)作調(diào)節(jié)氣體流量。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:(1)反應(yīng)磁控濺射過程中等離子體比值控制，即等離子體多組分的譜線強(qiáng)度比值控制如反應(yīng)氣體譜線和金屬靶材譜線的比值；(2)等離子體發(fā)射光譜多通道實(shí)時(shí)采集、特征譜線及等離子體物種辨識(shí)；(3)遲滯曲線的實(shí)時(shí)測(cè)定及最優(yōu)工作點(diǎn)辨識(shí)；(4)控制超調(diào)量小于等于百分之5 ;余差小于等于百分之3 ;系統(tǒng)過渡時(shí)間小于等于5秒。
【專利摘要】一種應(yīng)用于IC集成、太陽能制造、平板顯示器、甚至大面積節(jié)能玻璃生產(chǎn)的環(huán)保、信息等領(lǐng)域中的反應(yīng)磁控濺射等離子體穩(wěn)定性過程控制系統(tǒng)及方法，包括一個(gè)等離子體光傳感器、執(zhí)行器為多路電磁閥、控制器的為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，等離子體光傳感器的作用是實(shí)時(shí)采集磁控濺射過程反應(yīng)氣體和靶材粒子發(fā)射的等離子體譜線強(qiáng)度和波長；執(zhí)行器的作用是及時(shí)調(diào)節(jié)氣體的質(zhì)量流量；控制器的作用是對(duì)設(shè)定的特征譜線相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。該發(fā)明實(shí)時(shí)診斷反應(yīng)濺射過程中各種反應(yīng)物種的成分和含量，從量上實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜特性的在線控制，及時(shí)調(diào)整過程參數(shù)保證產(chǎn)品質(zhì)量。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/54
【公開號(hào)】CN105441900
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410502723
【發(fā)明人】王慶
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2014年9月28日