[发明专利]一种高精度膜厚测量系统及方法

说明书

一种高精度膜厚测量系统及方法，本发明的膜厚仪、振荡包、编码器、滑环安装于真空腔体外工件架的旋转轴顶部，晶片探头、石英晶体和温度传感器安装于真空腔体内工件架表面，晶片探头、温度传感器信号通过真空馈入法兰引出，工件架的旋转轴带动上述部件水平旋转；所述膜厚仪根据编码器数据选择石英晶体的最佳测试位置，所述膜厚仪根据温度传感器数据对石英晶体频率进行温度校准，所述膜厚仪利用校准后频率准确计算真实膜厚，通过滑环实现膜厚仪与腔体外静态工控机的数据传输。实现旋转镀膜时膜厚的准确测量，有效消除温度影响，确保运动与非运动部件之间的数据可靠传输。

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，尤其涉及采用石英晶体检测薄膜厚度的真空镀膜领域。

背景技术

在真空材料表面处理或真空镀膜的时候，通常需要实时监测每一层薄膜的厚度，如镀制光学薄膜产品时，薄膜厚度的精确控制对保障光学薄膜的性能尤为重要。目前真空镀膜过程中，薄膜厚度的控制手段主要分三种。第一种是镀膜时长控制法，即通过事先计算一定条件下的沉积速率，然后控制薄膜沉积时间，采用时间乘以沉积速率得到薄膜的厚度。第二种是石英晶体膜厚检测法，即通过监测镀膜过程中，石英晶体振荡频率的变化来计算相应的沉积上的薄膜质量，采用材料厚度等于该材料质量除以该材料密度，再除以本石英晶体的面积的方式计算出薄膜厚度。第三种是光学干涉控制法，利用光学干涉法特性，发射一束光至薄膜表面，利用光入射不同界面发生反射和透射而产生干涉条纹的原理，测量薄膜的厚度。

石英晶体膜厚检测法具有控制精度高（0.1nm），易于实现自动控制，可直接监控成膜速度，便于工艺稳定重复，可控制任意膜层厚度等优点，被广泛应用于各种真空镀膜设备，如蒸发镀膜设备、磁控溅射镀膜设备、分子束外延镀膜设备等。

石英晶体膜厚检测系统主要包括：石英晶体、晶片探头、振荡包、膜厚仪、冷却部件、真空法兰馈入部件等。石英晶体安装在晶片探头内，晶片探头安装在真空腔体内，振荡包及膜厚仪放置于真空腔体外。对于传统的真空蒸发镀膜设备，晶片探头、冷却部件通过真空法兰馈入部件安装在真空腔体内，振荡包、膜厚仪都静止不动，如图1所示。晶片探头一般安装在腔体顶端馈入的中心轴底面，不旋转，伞状工件架安装在腔体顶端馈入的中心轴上，由轴带动其360^o旋转，蒸发源材料安装在腔体底端。蒸发沉积时，蒸发源材料连续不断沉积在石英晶体与工件上。随着石英晶体表面沉积厚度增加，其晶片固有频率会相应的减小。晶片的频率变化与膜厚变化近似为线性关系，通过测量频率的变化，计算出镀膜厚度的变化，实现对膜厚的测量。

对于水平溅射式真空磁控溅射镀膜设备，溅射源（靶材）垂直安装在真空腔体一侧或两侧，工件只有在旋转到正对溅射源位置时，才能接收到沉积材料。为了保证工件膜厚的均匀性，工件架一般需要360^o旋转。如果需要准确获取基片沉积厚度，需要将石英晶体像工件一样紧贴工件架安装，随工件架360^o旋转，即安装石英晶体的晶片探头需要随工件架同步旋转。晶片探头旋转带来以下几个问题：1）晶片探头原来的水冷部件不太适合旋转工作，导致石英晶体频率受温度影响较大。在镀膜加工过程中，随着溅射源的热量释放，真空腔体的温度逐步升高，腔体温度的升高将导致石英晶体的振荡频率升高，将直接影响膜厚测量准确性。2）运动中膜厚仪与真空腔体外静止的工控机数据传输存在问题。已有方案（CN104131261B）使用铜环-碳刷机构实现电源引入，用WIFI实现膜厚数据传输，但WIFI传输在干扰环境可靠性差，信号中断会引起几秒内主机无法获取膜厚数据，如果发生在膜层加工快结束时，会导致不能及时停止沉积，膜厚多沉积几纳米，严重影响产品光学特性。

经过研究分析，由于晶片探头安装在工件架上，当晶片探头随工件架旋转时，只能断续接收到沉积物质，当探头旋转接近溅射源，瞬时溅射源热冲击将引起石英晶体频率升高，导致膜厚仪错误测量为膜厚降低。当处于溅射源正面位置接收沉积时，沉积物将导致晶控片厚度增加，频率降低，膜厚仪测量为正常的膜厚增加。当探头处于非溅射位时，晶控片不受热冲击影响，频率基本不变，此时测量的膜厚最可靠。

发明内容