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      一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)及其使用方法與流程

      文檔序號:12415748閱讀:541來源:國知局
      一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)及其使用方法與流程

      本發(fā)明涉及反應(yīng)磁控濺射鍍膜領(lǐng)域,特別是涉及一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)及其使用方法。



      背景技術(shù):

      隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,化合物薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,薄膜的質(zhì)量要求也愈加嚴(yán)苛。相對于化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備化合物薄膜工藝,反應(yīng)磁控濺射法因具備可操控性好、鍍膜溫度低、鍍膜質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各類鍍膜領(lǐng)域。而反應(yīng)磁控濺射中出現(xiàn)的遲滯效應(yīng)(提高反應(yīng)氣體流量,濺射速率大幅下降,原因是由于靶面形成了化合物層,即靶中毒)是該技術(shù)工藝運(yùn)行不穩(wěn)定的主要現(xiàn)象。所以,如何使靶面處于接近金屬模式的濺射狀態(tài),從而保持高的濺射率,而在基片上又能夠獲得所要求化學(xué)配比的化合物薄膜并有較高沉積速率是反應(yīng)磁控濺射技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。由于反應(yīng)濺射過程滯后效應(yīng)的滯后區(qū)域非常窄,且易隨靶材和真空爐腔壁的表面狀態(tài)的變化而變化,因此,實際的最佳反應(yīng)磁控濺射鍍膜工藝的確定及穩(wěn)定仍非易事。多年來研究人員在這方面做了大量研究與嘗試,目前比較切實可行的解決方法主要有以下四種:1)阻塞反應(yīng)氣體到達(dá)靶面;2)反應(yīng)氣體的脈沖進(jìn)氣;3)改變供電模式抑制靶中毒;4)反應(yīng)濺射過程的閉環(huán)控制。以上前三種方法都有一定的局限性,而采用反應(yīng)濺射過程的閉環(huán)控制相對更可靠和實用,因為當(dāng)靶的工作狀態(tài)由金屬模式變?yōu)榉磻?yīng)模式時,有許多工藝參數(shù)都將發(fā)生明顯的變化,因此,原則上許多工藝過程參數(shù)都可以用做反饋信號,例如靶電壓、靶電流、反應(yīng)氣體分壓、濺射氣體總壓力、沉積速率、沉積膜的特性以及放電空間的等離子體發(fā)射光譜等,因為這些參數(shù)在遲滯曲線的拐點(diǎn)都會有明顯的變化。但實際上并不是上述所有參數(shù)都可以用來實現(xiàn)過程的精確控制,目前用的比較廣泛的是靶電壓反饋控制法和檢測反應(yīng)氣體分壓的質(zhì)譜法,采用放電空間特定的等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)弱變化來對反應(yīng)氣體進(jìn)行控制的方法,即光發(fā)射監(jiān)控法(optical emission monitor,OEM),國內(nèi)僅個別研究機(jī)構(gòu)做過相關(guān)基礎(chǔ)研究,遠(yuǎn)不具備生產(chǎn)應(yīng)用條件。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的目的在于,提供一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng),通過對等離子體區(qū)中反應(yīng)成分的控制,能夠控制所制備薄膜的成分、厚度以及均勻性等參數(shù),從而提高鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量。

      為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:

      一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng),由磁控濺射裝置和反饋控制裝置組成,磁控濺射裝置包括反應(yīng)氣體存儲裝置和真空室,反應(yīng)氣體存儲裝置通過導(dǎo)氣管和真空室連通,真空室內(nèi)設(shè)有磁電管,磁電管上設(shè)有放電等離子體;反饋控制裝置由光探頭、光譜儀、控制器和電磁閥組成,光探頭位于所述真空室內(nèi),光譜儀通過光纖和光探頭相連,控制器和光譜儀電連接,控制器和電磁閥電連接。

      前述的一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)中,光譜儀包括單色儀和光電倍增器,光探頭和單色儀通過光纖相連,單色儀和光電倍增器通過光纖相連,光電倍增器和所述控制器電連接。具體的,所述電磁閥的型號為:ZCK。

      作為其中一種較佳的實施方式,所述色譜儀具有顯示屏,通過顯示屏顯示所述采集到的光線的光強(qiáng)信號設(shè)定值、實際值、光電倍增器高壓輸出電壓值以及設(shè)定值與實際值的偏差,操作人員可以更加直觀的觀察到采集到的光線的相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)。

      前述的一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)中,所述控制器上具備串口RS232/485的通訊接口,以便于與計算機(jī)相連,通過計算機(jī)對控制器進(jìn)行編程、控制等。

      本發(fā)明還公開了前述一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)的使用方法,用于控制反應(yīng)磁控濺射法鍍膜時反應(yīng)氣體的噴射速率,包括下述方法:通過光探頭采集真空室內(nèi)濺射過程中發(fā)出的光線,光探頭將采集到的光線導(dǎo)向單色儀,單色儀將采集到的光線過濾成單色光;通過光電倍增器將單色光轉(zhuǎn)換放大為電信號,然后將所述電信號發(fā)送給控制器;控制器根據(jù)收到的電信號控制電磁閥開啟、關(guān)閉、增大開度或減小開度。

      前述的一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)的使用方法中,通過光譜儀的顯示屏顯示所述采集到的光線的光強(qiáng)信號設(shè)定值、實際值、光電倍增器高壓輸出電壓值以及設(shè)定值與實際值的偏差。

      與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明通過對等離子體區(qū)中反應(yīng)成分的控制,能夠控制所制備薄膜的成分、厚度以及均勻性等參數(shù),提高鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量。能夠使反應(yīng)濺射化合物薄膜的工藝維持在一個相對穩(wěn)定的工作點(diǎn)上,工藝穩(wěn)定性得到了大大改善,沉積速率也得到了提高。

      附圖說明

      圖1是本發(fā)明的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖2是控制器的前面板示意圖;

      圖3是控制器的后面板示意圖;

      圖4是顯示屏的示意圖。

      附圖標(biāo)記:1-反應(yīng)氣體存儲裝置,2-電磁閥,3-放電等離子體,4-真空室,5-光纖,6-單色儀,7-光電倍增器,8-磁電管,9-控制器,10-光譜儀,11-光探頭。

      下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

      具體實施方式

      本發(fā)明的實施例1:如圖1所示,一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng),由磁控濺射裝置和反饋控制裝置組成,磁控濺射裝置包括反應(yīng)氣體存儲裝置1和真空室4,反應(yīng)氣體存儲裝置1通過導(dǎo)氣管和真空室4連通,真空室4內(nèi)設(shè)有磁電管8,磁電管8上設(shè)有放電等離子體3;反饋控制裝置由光探頭11、光譜儀10、控制器9和電磁閥2組成,光探頭11位于所述真空室4內(nèi),光譜儀10通過光纖5和光探頭11相連,控制器9和光譜儀10電連接,控制器9和電磁閥2電連接。

      光譜儀10包括單色儀6和光電倍增器7,光探頭11和單色儀6通過光纖5相連,單色儀6和光電倍增器7通過光纖5相連,光電倍增器7和所述控制器9電連接。

      控制反應(yīng)磁控濺射法鍍膜時反應(yīng)氣體的噴射速率要求時間先對準(zhǔn)確,如果延時過長則不會達(dá)到預(yù)期的效果,本實施例中,所述電磁閥2的型號為:ZCK。型號為ZCK的電磁閥反應(yīng)時間夠快,所以產(chǎn)生的效果也相對較好。

      如圖4所示,所述光譜儀10具有顯示屏,通過顯示屏顯示所述采集到的光線的光強(qiáng)信號設(shè)定值、實際值、光電倍增器高壓輸出電壓值以及設(shè)定值與實際值的偏差,操作人員可以更加直觀的觀察到采集到的光線的相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)。

      顯示屏的顯示面板:SP為目標(biāo)設(shè)定光強(qiáng)值;AP為實測光強(qiáng)值;高壓HV可通過HV旋鈕調(diào)節(jié)PMT增益;PV為OEM輸出到壓電閥的電壓值;RM代表計算機(jī)遠(yuǎn)程控制;AUTO代表控制模式為自動控制;OEM裝置的Gain值用右下角“86”位置的數(shù)字表示,Reset值用右下角“133”位置的數(shù)字標(biāo)示,不同OEM裝置的Gain和Reset值可能不同。液晶面板下方的圖形可顯示光強(qiáng)實際值與設(shè)定值的偏差方向。

      所述控制器9上具備串口RS232/485的通訊接口,以便于與計算機(jī)相連,通過計算機(jī)對控制器進(jìn)行編程、控制等。如圖2所示Power旋鈕:為該OEM控制器電源開關(guān)。Auto旋鈕:為控制模式選擇開關(guān),Auto模式下正常工作,進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)。Local/Remote旋鈕:為本地/遠(yuǎn)程模式開關(guān),用于選擇本地手動控制還是計算機(jī)遠(yuǎn)程控制,兩者只能選擇其中,選擇后另一種控制方式失效。SP旋鈕:本地模式下,用于手動設(shè)置光強(qiáng)值。HV旋鈕:用于調(diào)節(jié)光電倍增管PMT增益使得PMT輸出值,用于初始設(shè)定;Gain旋鈕:比例調(diào)節(jié)旋鈕,用于調(diào)節(jié)OEM裝置的系統(tǒng)偏差,一般設(shè)定好后,使用過程不可隨意調(diào)節(jié)。Reset旋鈕:積分調(diào)節(jié)旋鈕,用于改善OEM裝置的響應(yīng)時間,一般設(shè)定好后,使用過程不可隨意調(diào)節(jié)。PIEZO按鈕:壓電閥發(fā)生粘滯而不能正常開啟時,可借助該按鈕產(chǎn)生脈沖信號,幫助粘滯壓電閥順利開啟。

      如圖3所示,AC220V為帶保險絲的電源插座;RS232/485為DB9遠(yuǎn)程通信插座,用于與計算機(jī)串口進(jìn)行通信,用于OEM內(nèi)部程序修改和升級;EP200為DB9光譜儀插座,用于連接光譜儀;PIZEO為TNC插座,用于連接壓電閥;Remote為DB9插座,用于與PLC控制接口連接,實現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)程控制。

      設(shè)計本發(fā)明的基本思路是將反應(yīng)濺射作為負(fù)反饋控制回路中的一環(huán),探測某個能夠反映濺射狀態(tài)的物理量Y,與設(shè)定為工作點(diǎn)的量相比較,得到的差分信號經(jīng)PID電路處理后輸入控制單元,控制單元調(diào)節(jié)可以影響濺射狀態(tài)的物理量,起到控制濺射狀態(tài)的功能。

      本發(fā)明還公開了一種磁控濺射反應(yīng)氣氛自反饋控制系統(tǒng)的使用方法,用于控制反應(yīng)磁控濺射法鍍膜時反應(yīng)氣體的噴射速率,包括下述方法:通過光探頭11采集真空室4內(nèi)濺射過程中發(fā)出的光線,光探頭11將采集到的光線導(dǎo)向單色儀6,單色儀6將采集到的光線過濾成單色光;通過光電倍增器7將單色光轉(zhuǎn)換放大為電信號,然后將所述電信號發(fā)送給控制器9;控制器9根據(jù)收到的電信號控制電磁閥2開啟、關(guān)閉、增大開度或減小開度。通過光譜儀10的顯示屏顯示所述采集到的光線的光強(qiáng)信號設(shè)定值、實際值、光電倍增器7高壓輸出電壓值以及設(shè)定值與實際值的偏差。

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