PVD、ALD: 控制真空镀膜系统内的流量和压力

      真空镀膜腔体内的压力波动将导致镀膜不均匀以及重复性欠佳。质量流量控制器控制反应气体的同时，采用压力控制器控制腔体内惰性气体的压力，从而提升最终等离子气相沉积(PVD)的结果.

      真空镀膜腔体内 快速、精确、稳定的压力控制

      用户痛点：真空腔体内压力的波动起伏造成 镀膜不均匀、重复性欠佳 

      问题描述: 真空镀膜的过程通常在一个负压 的密闭腔体内进行。之所以抽成真 空是因为环境气体会对参与镀膜 的各物质间的反应过程造成干扰， 而在真空环境下，汽化了的金属、 电离分子、等离子反应化合物等镀 层就能与其它材料的被镀表面融合了。

      简单点来说，真空镀膜系统通常包 含两个主要部分：首先是与真空泵 连接的真空室，通常用节流阀调节 真空程度并控制关断以防止泄漏。 另一部分则是气源，气体经过质量 流量控制器后输入到真空腔内，形 成适宜镀膜的气体密度等级。其中 的一些为非反应类的惰性气体，仅 用于维持真空腔体的负压环境，不 会对参与反应的化学物质的浓度 造成任何影响。接下来就是反应气 体了，比如氧化涂层过程中用的氧 气。有些真空镀膜过程会将非反应 类气体作为载气或对反应气体进 行稀释。镀膜材料可以是经过融化 和电场装置后被电离的汽化了的 金属。一些系统中还会有一部分 “净化气体”用于对反应结束的过 程腔体进行“清洁”。

      镀膜原理也是五花八门。有些相对 保守的比如让汽化了的金属在被 镀表面缓慢沉淀，还有一些则包含 溶胶，通过形成等离子蒸汽云弧与 被镀表面融合，又或者通过对被镀 物体充电的方式使其对目标离子 产生吸附力。

      在这类空气稀薄的环境中，压力的 波动会被放大化，一个十分微弱的 起伏可能引起一系列的蝴蝶效应。 随着各类惰性气体、反应气体的引 入，再加上真空泵的启停，各种控 制部件之间的相互作用并参与不 同时段的反应，所有这些都将影响 整个过程系统的压力和平衡。

      更细致些来讲，由于真空泵启停操 作不当引起的短暂压力波动、或者 控制进气量的质量流量控制器到 达控制点所用时间过长，这些因素 都将使得真空反应腔内微妙的化 学平衡失效，从而影响镀层的均匀 性、黏附力及厚度。根据不同的镀 膜应用，气体流量的控制响应时间 是否在100毫秒以内将从本质上影 响膜层的厚度、均匀一致性以及整 个镀膜过程的重复性。

      解决方案:

      采用ALICAT压力控制器(外部传感器31-EXTSEN-D 系列)控制往真 空腔体内充入的惰性气体的压力 以营造一个控制良好的镀膜环境。 与反应腔体直接连接的外置真空 计测量持续的过程压力，该压力读 数通过模拟信号传输到压力控制 器并显示。

      进入腔体内的参与反应的气体的 流量由质量流量控制器控制。因为 上述的压力控制器可以测得腔体 内的压力、并通过调节非反应类气 体的含量实时调节过程压力，从而 使腔体内形成最利于沉积的镀膜 环境。

       快速的控制响应速度是在减少腔 体内压力波动起伏、形成最佳沉积 环境的至关重要的因素。根据不同 应用中各不相同的过程条件定制化地调节质量流量控制器和压力 控制器的 PID 值，有效消除过充、 缩短到达设定值的时间、将控制响 应时间控制在 20~30 毫秒内，从而 形成腔体内稳定的压力和气体交 换。

      压力控制器和质量流量控制器均 采用常规的控制界面、标准化的命 令和程序，支持串口通讯和模拟通 讯。

      可通过串口命令或显示屏面板操 作快速、简易地切换质量流量控制 器的气体，无需耗 K 系数换算，且 切换气体后仍保持出厂时的 NIST 可溯源精度，无需重新校准。

      小流量和微流量的(满量程 0.5sccm) 的质量流量控制器设计独特，具有 最大的灵活性，并提供定制化的管 路接口及功能。

      方案优势：

      一般来说，真空镀膜过程中反应气 体流量的变化会扰乱反应腔体内 的压力，最终导致镀膜不均及前后 不一致。

      质量流量控制器分别控制腔体内 各种参与反应的气体的同时，压力 控制器将腔体内的压力精密地控 制在指定范围内。

      质量流量控制器分别控制腔体内 各种参与反应的气体的同时，压力 控制器将腔体内的压力精密地控 制在指定范围内。

      据采用上述方案的真空镀膜系统 集成商反馈，响应速度极快的艾里 卡特质量流量控制器和压力控制 器通过精密稳定的控制而形成的 良好的镀膜环境，大大提升了镀膜 结果的质量和重复性。

      另一个性能优势是整套真空镀膜 系统的高精度且极易进行介质切换。

      主要参数：

      压力控制器： 

      重复性：±0.08% F.S. 

      量程可调比：0.5%~100% F.S. 

      典型响应时间：100 毫秒(可调节) 

      质量流量控制器 21V 和 21E 系列： 

      调零后精度：±(0.4% Rd + 0.2% F.S) NIST 可溯源 

      重复性：±0.2% F.S. 

      量程可调比：0.5%~100% F.S. 

      典型响应时间：50~100 毫秒(可调节) 

      兼容 98 种常用气体，可随时切换 

      有条件的终身质保

      备注： 

      1. 如需更详细的设备参数，请联系上海屿金仪器科技有限公司

      2. 21V 系列与 MKS 2179A 接口形式、功能均相同；21E 系列与 MKS 1179A 接口形式、功能均相同。

上图从左至右依次为：压力控制器(31-EXTSEN-D)，质量流量控制器 21V-100SCCM， 质量流量控制器 21E-100SCCM。