莱宝--连续型磁控溅射设备介绍

Leybold Optics Inline Sputter System A1100V4

德国莱宝光学有限公司北京代表处 潘峰

(北京市朝阳区东三环北路8号 亮马河大厦1608A 北京 100004)

摘要 磁控溅射镀膜是目前大批量薄膜生产的一项重要技术,其生产效率高、成膜质量好.本文介绍了当今世界上最新型的连续溅射镀膜设备A 1100V,并对其控制方式、工艺原理等进行分析. 关键词 真空镀膜 磁控溅射 ProfiBus Twin-Mag

Abstract The magnetic sputter coating is a very important technique for the batch production of the film manufacture at the present time. Now we introduce the up to date sputter coating equipment A1100 V4 and analyse its automatic control mode、principle of process in this paper. Keyword vacuum deposition film The magnetic sputter coating ProfiBus Twin-Mag

前言

可见光的光谱范围是380nm—780nm,这个波段最好的金属反射材料就是铝(AL),但是纯铝膜的平均反射率只能达到91%左右, 而且铝在空气中很容易氧化生成AL 2O 3, 导致反射率的急剧下降, 在一些高端的应用中, 例如:作为背投电视反射镜, 其反射率还不能满足要求.2004年Leybold Optics 接到了日本某公司的订单, 要求设计生产出可连续大批量生产背投电视用铝反射镜的磁控溅射设备, 要求:

(1)每日单产镀膜玻璃面积>1000M2. 连续工作时间不低于72小时.

(2)400—700nm平均光谱反射率要>94%,峰值≮96%.

(3)膜层为致密的无定型膜、无针孔.

(4)可在线监控基片反射率.

Leybold Optics 用了8个月的时间设计生产出了代表当今世界磁控溅射尖端水平的A1100 V4连续型镀膜设备.

1. 真空及基片传输系统

该设备共有13个真空室, 呈一字形排列, 总长为27.2米(Fig.1.1).真空室按照其功能可分为三类:预真空室、基片缓冲隔离室、工艺真空室.为了保证基片架的连续运转, 在真空室两侧还配备基片架自动转向机构, 其最快生产节拍为2pcs/1min.

Fig.1.1 Vacuum Chamber and substrate carrying system

图中2#和13#真空室为预真空室, 采用的是Leybold SV630型双极旋叶泵(抽速630m 3/h)和WSU2001型罗茨泵(抽速2200 m3/h)组成的机械泵组, 从大气压抽到5X10-3mbar 压强的时间只需要20秒.

3#和12#真空室为基片缓冲隔离室, 使基片在进出设备的同时不影响到正在进行镀膜工艺的真空室.4#—11#真空室则为工艺腔室, 依次完成基板玻璃的离子刻蚀、预镀层、AL 、SiO 2、Nb 2O 5共5种工艺.

离子刻蚀是用低能等离子体对玻璃基片进行轰击, 去除玻璃清洗时残留在其表面的有机杂质; 预镀层是利用Si 靶在低溅射功率条件下, 在玻璃基板表面形成一层很薄的SiO 2膜, 用来提高AL 膜与基板的结合强度.

AL 膜是最关键的工艺, 任何微量的杂质都会引起AL 膜反射率的变化, 尤其是在镀SiO 2膜和Nb 2O 5膜时为反应溅射镀膜, 溅射过程中需要充入工艺气体O 2; 而溅射AL 时,O 2会与AL 结合生成AL 2O 3, 这将大大降低AL 膜的反射率, 因此特别设计了6#和8#真空室作为真空隔离腔室, 用来隔离残余的O 2, 这样溅射得到的纯AL 膜反射率已经接近理论计算值.

为了得到成分单一、稳定的薄膜, Leybold所有的AL 、Si 、Nb 靶材的纯度都>99.99%,并用无油的涡轮分子泵PT1600和PT600代替普通的油扩散泵来获得高真空, 其极限真空优于5.0X10-7mbar.

2. 系统控制方式

如此大型的系统, 仅其光电传感器的数量就达数百个, 如果采用传统的控制方式, 为每个单元分配独立的I/O接口的话, 系统的复杂性将令人难以想象, 控制系统的成本也令客户难以接受. 因此本系统的控制系统采用了目前欧洲最为流行的ProfiBus 工业总线控制模式(Fig.2.1)

Fig.2.1 Automatic Control System

该系统将所有真空泵、气体流量计、真空探测器、基片传送装置等, 通过ProfiBus 总线组成独立的控制回路, 并交由本地微处理器(PLC)控制, ProfiBus总线的特点是:每一个独立的控制单元都分配有不同的地址码, 器件之间只需要通过同轴电缆或屏蔽双绞线连接成控制回路, 以PLC 作为二级从站, 即可以向控制单元发送控制指令, 也可以从控制单元读出其状态数据.

各微处理器(PLC)又分配有各自独立的IP 地址, 通过网络适配器以TCP/IP协议与一级主站WorkStation 通讯, 将所有数据传送到中央处理器处理, 再通过直观的控制状态图显示, 其WorkStation 的软件可完成如下功能:

¾ 支持编程，包括主站应用程序的开发、编辑、调试.

¾ 执行应用程序.

¾ 从站远程参数化设置.

¾ 主/从站故障报警及记录.

¾ 主持设备图形监控画面设计、数据库建立等监控程序的开发、调试.

¾ 设备在线图形监控、数据存储及统计、报表等功能.

3. 工艺控制系统

磁控溅射镀膜是目前大批量薄膜生产的一种最常用的方式, 但是普通的直流平面磁控靶通过反应溅射制备介质膜都存在以下两个问题:

a) 靶的非刻蚀区积累着由于气相反应生成的绝缘层, 其表面积累的大量的正电荷, 最终引起电弧放电.

b) 反应溅射过程中磁控阴极及附近的阳极表面都覆盖上了绝缘层, 导致阳极的作用逐渐消失, 等离子

体的阻抗不断增加, 造成工艺参数不稳定, 成膜的重复性很差.

工艺的稳定决定了产品的性能的稳定,Leybold Optics采用了专有的Twin-Mag 孪生磁控靶技术

(Fig.3.1).

Fig.3.1 Process Control System

将中频电源的两个输出相分别接到两个靶材上, 在溅射过程中, 总有一个靶材处于负电位, 作为溅射阴极, 而另一个作为阳极, 瞬间阴极产生的二次电子被加速到阳极, 以中和前一个负半周期其作为阴极时积累在这个靶材绝缘层上的正电荷, 保证靶材在长期运行中, 尽管阴极周围已经沉积了很厚的绝缘层, 但是由于溅射效应, 这个靶材的主要部分仍然保持很好的导电性, 等离子体的阻抗与环境无关放电非常的稳定, 也不会产生由于正电荷积累产生的局部放电现象. 而且莱宝公司特别设计的磁控阵列已经将非溅射区域的面积降到最低

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Fig.3.2 Twin-Targets Fig.3.3 Sputtering

Twin-Mag 技术的另一个优点是, 其溅射速率明显提高. 溅射的SiO 2、Nb 2O 5薄膜结构致密, 表面光滑, 光

学和机械性能明显提高,AL 膜在空气中易氧化, 导致其反射率降低, 在镀过SiO 2、Nb 2O 5薄膜后, 可以长久保持反射率不变,Fig.2.4、Fig.2.5是电子显微镜下SiO 2膜层的微观形态及其物理特性

:

Fig.3.4 Electron Microscope Fig.3.5 Physical Performance

4. 在线式光谱监控系统

AL 膜在可见光波段的平均反射率在91%左右(Fig.4.1),还不能够满足高端客户的要求, SiO2和Nb 2O 5薄膜的作用不仅是对AL 的保护, 根据光学薄膜的原理, 高低折射率交替的(LH)膜堆还可以增加反射率, 但是要严格的控制薄膜折射率和物理厚度, 现在我们就可以根据在线光谱监控系统, 来分析膜层的光学性能. 在AL 膜上镀了60nm 的SiO 2膜后, 其平均反射率会下降至85%左右(Fig.4.2).在镀完70nm 的Nb 2O 5膜后, 其平均反射率则会上升至

95%(Fig.4.3).

Fig.4.1 Single AL layer Fig.4.2 SiO 2

=60nm

Fig.4.3 SiO2=60nm Nb2O 5=70nm

在线式光谱监控系统, 可最多支持同时6路光信号的检测(如有必要最多可扩展至12路光信号同时监测), 其中3路安装在9#真空室的末端, 用来监控镀完SiO 2膜的基片反射光谱曲线, 另3路安装在10#真空室的末端, 用来监控镀完Nb 2O 5薄膜后基片反射光谱曲线, 安装位置及工作原理见(Fig.4.4).

卤素灯光源经过滤光(滤掉紫外和红外光) 和调制后耦合进光纤(此光纤的本征透射光谱为300—750nm),然后通过光学准直器将光纤出射光聚焦到真空室内的玻璃基板上, 反射光由另一束光纤接受后送至CCD 光谱仪,CCD 光谱仪将光纤入射光准直后通过光栅分光直接投射到CCD 感光阵列上, 因此可同时测量多个光波长, 避免了传统的光栅扫描等机械扫描方式, 使得测量更加的快捷、准确.

Fig.4.4 Inline Optics monitor System

CCD 光谱仪所测量到的光谱曲线与预存在Workstation 中的标准曲线来比较, 可计算出每一层薄膜的厚度, 如果实际膜层厚度与预设值差别太大, Leybold Optics的专家系统可以提示用户通过改变溅射功率或者其它相关参数来修正膜层的厚度. 而1#,2#,3#三个不同的监测位置, 则是用来监测膜层在大基板玻璃上膜层的均匀性. 保证玻璃基片各个位置的反射率一致.

最终我们在宽度为1m 的镀膜基板玻璃上, 每隔1cm 所测得的光谱曲线为(Fig.4.5),实际的光谱曲线表明A1100 V系列设备不仅成功的实现了客户对反射率的要求, 而且大面积膜层的均匀性也得到了保证.

Fig.4.5 Actual Spectrum curve