[發(fā)明專利]一種高精度膜厚測量系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112680709A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 夏禹;曹永盛;郭杏元
• 申請（專利權）人: 光芯薄膜（深圳）有限公司
• 主分類號: C23C14/54
• 分類號: C23C14/54;C23C14/35;C23C14/24;G01B17/02
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一種高精度膜厚測量系統(tǒng)及方法，本發(fā)明的膜厚儀、振蕩包、編碼器、滑環(huán)安裝于真空腔體外工件架的旋轉(zhuǎn)軸頂部，晶片探頭、石英晶體和溫度傳感器安裝于真空腔體內(nèi)工件架表面，晶片探頭、溫度傳感器信號通過真空饋入法蘭引出，工件架的旋轉(zhuǎn)軸帶動上述部件水平旋轉(zhuǎn)；所述膜厚儀根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)選擇石英晶體的最佳測試位置，所述膜厚儀根據(jù)溫度傳感器數(shù)據(jù)對石英晶體頻率進行溫度校準，所述膜厚儀利用校準后頻率準確計算真實膜厚，通過滑環(huán)實現(xiàn)膜厚儀與腔體外靜態(tài)工控機的數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鍍膜時膜厚的準確測量，有效消除溫度影響，確保運動與非運動部件之間的數(shù)據(jù)可靠傳輸。

技術領域

本發(fā)明涉及真空鍍膜技術領域，尤其涉及采用石英晶體檢測薄膜厚度的真空鍍膜領域。

背景技術

在真空材料表面處理或真空鍍膜的時候，通常需要實時監(jiān)測每一層薄膜的厚度，如鍍制光學薄膜產(chǎn)品時，薄膜厚度的精確控制對保障光學薄膜的性能尤為重要。目前真空鍍膜過程中，薄膜厚度的控制手段主要分三種。第一種是鍍膜時長控制法，即通過事先計算一定條件下的沉積速率，然后控制薄膜沉積時間，采用時間乘以沉積速率得到薄膜的厚度。第二種是石英晶體膜厚檢測法，即通過監(jiān)測鍍膜過程中，石英晶體振蕩頻率的變化來計算相應的沉積上的薄膜質(zhì)量，采用材料厚度等于該材料質(zhì)量除以該材料密度，再除以本石英晶體的面積的方式計算出薄膜厚度。第三種是光學干涉控制法，利用光學干涉法特性，發(fā)射一束光至薄膜表面，利用光入射不同界面發(fā)生反射和透射而產(chǎn)生干涉條紋的原理，測量薄膜的厚度。

石英晶體膜厚檢測法具有控制精度高（0.1nm），易于實現(xiàn)自動控制，可直接監(jiān)控成膜速度，便于工藝穩(wěn)定重復，可控制任意膜層厚度等優(yōu)點，被廣泛應用于各種真空鍍膜設備，如蒸發(fā)鍍膜設備、磁控濺射鍍膜設備、分子束外延鍍膜設備等。

石英晶體膜厚檢測系統(tǒng)主要包括：石英晶體、晶片探頭、振蕩包、膜厚儀、冷卻部件、真空法蘭饋入部件等。石英晶體安裝在晶片探頭內(nèi)，晶片探頭安裝在真空腔體內(nèi)，振蕩包及膜厚儀放置于真空腔體外。對于傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)鍍膜設備，晶片探頭、冷卻部件通過真空法蘭饋入部件安裝在真空腔體內(nèi)，振蕩包、膜厚儀都靜止不動，如圖1所示。晶片探頭一般安裝在腔體頂端饋入的中心軸底面，不旋轉(zhuǎn)，傘狀工件架安裝在腔體頂端饋入的中心軸上，由軸帶動其360^o旋轉(zhuǎn)，蒸發(fā)源材料安裝在腔體底端。蒸發(fā)沉積時，蒸發(fā)源材料連續(xù)不斷沉積在石英晶體與工件上。隨著石英晶體表面沉積厚度增加，其晶片固有頻率會相應的減小。晶片的頻率變化與膜厚變化近似為線性關系，通過測量頻率的變化，計算出鍍膜厚度的變化，實現(xiàn)對膜厚的測量。

對于水平濺射式真空磁控濺射鍍膜設備，濺射源（靶材）垂直安裝在真空腔體一側(cè)或兩側(cè)，工件只有在旋轉(zhuǎn)到正對濺射源位置時，才能接收到沉積材料。為了保證工件膜厚的均勻性，工件架一般需要360^o旋轉(zhuǎn)。如果需要準確獲取基片沉積厚度，需要將石英晶體像工件一樣緊貼工件架安裝，隨工件架360^o旋轉(zhuǎn)，即安裝石英晶體的晶片探頭需要隨工件架同步旋轉(zhuǎn)。晶片探頭旋轉(zhuǎn)帶來以下幾個問題：1）晶片探頭原來的水冷部件不太適合旋轉(zhuǎn)工作，導致石英晶體頻率受溫度影響較大。在鍍膜加工過程中，隨著濺射源的熱量釋放，真空腔體的溫度逐步升高，腔體溫度的升高將導致石英晶體的振蕩頻率升高，將直接影響膜厚測量準確性。2）運動中膜厚儀與真空腔體外靜止的工控機數(shù)據(jù)傳輸存在問題。已有方案（CN104131261B）使用銅環(huán)-碳刷機構實現(xiàn)電源引入，用WIFI實現(xiàn)膜厚數(shù)據(jù)傳輸，但WIFI傳輸在干擾環(huán)境可靠性差，信號中斷會引起幾秒內(nèi)主機無法獲取膜厚數(shù)據(jù)，如果發(fā)生在膜層加工快結束時，會導致不能及時停止沉積，膜厚多沉積幾納米，嚴重影響產(chǎn)品光學特性。

經(jīng)過研究分析，由于晶片探頭安裝在工件架上，當晶片探頭隨工件架旋轉(zhuǎn)時，只能斷續(xù)接收到沉積物質(zhì)，當探頭旋轉(zhuǎn)接近濺射源，瞬時濺射源熱沖擊將引起石英晶體頻率升高，導致膜厚儀錯誤測量為膜厚降低。當處于濺射源正面位置接收沉積時，沉積物將導致晶控片厚度增加，頻率降低，膜厚儀測量為正常的膜厚增加。當探頭處于非濺射位時，晶控片不受熱沖擊影響，頻率基本不變，此時測量的膜厚最可靠。

發(fā)明內(nèi)容