第３５卷第１０期２００８年ｌＯ月中国激光Ｖ０１．３５。Ｎｏ．１０Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００８ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＩ。ｏＦＬＡＳＥＲＳ文章编号：０２５８—７０２５（２００８）１０－１５９１－０４电子束蒸发镀膜速率控制王善成１’２方明１易葵１邵淑英１范正修１（１中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００Ｉ２中国科学院研究生院，北京１０００３９）摘要介绍了电子束蒸发镀膜速率控制的基本原理和方法，选取实际生产中大量使用且蒸发特性较难控制的Ｓｉ０２和Ｈｆ０２，对两者的电子束蒸发速率控制分别进行了实验研究。采用比例积分微分（ＰＩＤ）闭环反馈控制，通过Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ工程经验公式进行原始参量整定，并在实验的基础上对控制器的原始参量进行调整以及对积分作用和微分作用进行分区处理，速率控制的实验结果表明，采用该参量整定方法并结合工艺流程的改进，能获得良好的速率控制。针对速率控制中存在的难点问题进行了分析，并提出改进措施：将速率控制和电子枪扫描控制相结合能进一步改善速率控制。关键词薄膜；薄膜工艺；速率控制；比列积分微分控制中图分类号０４８４文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２００８３５１０．１５９１ＲａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎ—ＢｅａｍＥｖａｐｏｒａｔｅｄＯｐｔｉｃａｌＣｏａｔｉｎｇｓＷａｎｇ／１Ｓｈａｎｃｈｅｎ９１·２ＦａｎｇＭｉｎ９１ＹｉＫｕｉｌＳｈａｏＳｈｕｙｉｎ９１ＦａｎＺｈｅｎｇｘｉｕｌＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ、、ＡｂｓｔｒａｃｔｅｏｎｔｒｏｌｔＯｓｅｔＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａｒａｔｅ／ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＲａｔｅＴｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｎｅ－ｂｅａｍｅｖａｐｏｒａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｃｏａｔｉｎｇｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂａｓｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆＳｉ０２ａｎｄＨｆ０２，ｗｈｏｓｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｒｄｃｏｎｔｒ０１．Ｕｓｉｎｇｂｙｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（ＰＩＤ）ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ。ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｆｏｒｍｕｌａ．ＴｈｅｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌＺｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｒａｔｅｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｄｊｕｓｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｌａｎｄｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｒｏｌｅｓｗｅｒｅｄｅｌｔｗｉｔｈｉｎｓｕｂａｒｅａｂａｓｅｄｇｏｏｄｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｌｏｗ．Ｔｈｅｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｈｉｓｔｕｎｉｎｇｗａｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｂｌｅｍｅｘｉｓｔｉｎｇｒａｔｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｒａｔｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｒａｔｅｅｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｅ－ｇｕｎｓｗｅｅｐｃａｎｆｕｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｈｉｎｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｐｒｏｃｅｓｓ；ｒａｔｅＫｅｙｗｏｒｄｓｆｉｌｍ；ｆｉｌｍｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ１引言真空度和基板温度的测控比较容易，已满足实际镀膜的要求［７３；膜厚控制的研究和应用也比较成熟［８，９］，而蒸发速率则成为工艺控制的难点和重点。目前对速率的控制主要有两种方法，一种是人工控制，但这种方法反应慢，调节凭个人经验而缺乏一种理论上的根据，效果不理想且存在很大波动性；另外一种是采用商用的膜层沉积控制仪，由于是面对一般性且控制算法不灵活、参量调整困难［１０。，在具体的一台镀膜机上使用时缺乏针对性，控制效果也不蒸发速率是电子束蒸发制备光学薄膜［１］的重要工艺参量之一，影响着薄膜的微观结构和化学成分，对薄膜的光学和机械性质产生很大影响［２］，直接影响厚度均匀性和应力分布踟。蒸发速率失控将导致薄膜应力失控，不可能得到厚度均匀的薄膜。其他如薄膜的光学常数等，也对蒸发速率有明显的依赖关系‘扣引。收稿日期：２００８—０３—１０；收到修改稿日期：２００８－０４－１０基金项目：国家自然科学基金面上项目（１０７０４０７８）资助课题。作者简介：王善成（１９８０一），男，湖北人，硕士研究生，主要从事光学薄膜工艺控制的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｓｅｈｕｓｔ＠ｓｉｏｍ．ａｃ．ｃａ导师简介：易葵（１９７０一），男，湖南人，研究员，硕士生导师，主要从事光学薄膜制备工艺和测试技术的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｙｉ＠ｓｉｏｍ．ａｃ．ｃｎ万方数据 １５９２中国理想。采用石英晶振探测蒸发速率，并用计算机进行处理就可方便地实现对速率控制的研究，目前国外有些单位已有应用哺’１１。。ＳｉＯ。和Ｈｆｏ：是光学镀膜中大量使用的膜料。Ｓｉ０。是局部升华蒸发，Ｈｆｏ：是局部熔融蒸发∞］，对它们的速率控制较金属材料难度大。本文选取这两种膜料进行了速率控制的研究，其他膜料的速率控制可作为借鉴。由于可根据不同膜料和镀膜机系统对算法进行修改，速率控制效果大大改善。２原理及方法采用闭环反馈控制，其原理如图１［６］所示。ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ和ｐｒｏｃｅｓｓ分别代表控制器和被控对象。不断测量被控对象的输出Ｙ并和设定的目标值ｒ比较，通过控制器输出一个合适的控制量Ｕ给被控对象，使得被控对象的输出Ｙ能在输入扰动ｄ；和输出扰动ｄ。出现的情况下达到设定的目标值，．。图１蒸发速率闭环控制原理图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｒａｔｅｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｏｌ控制器采用工业上广泛应用的比例一积分一微分（ＰＩＤ）控制器，其控制算法为１ｒＵ＝Ｋ。化＋三Ｉｅｄｔ＋＂Ｌ＇ｄｅ＼，（１）＼霸Ｊ，其中ｅ为设定值ｒ（￡）与实际输出值ｙ（￡）构成的偏差信号Ｐ（￡）一ｒ（￡）一ｙ（￡），Ｋ。为比例系数，霸为积分时间常数，翻为微分时间常数。当采用计算机控制时，（１）式算法进行离散化处理为数字ＰＩＤ控制器。速率控制的难点就在于针对一个具体被控对象（由Ｋ，，０和ｒ决定，其中Ｋ。为过程增益，０为滞后时间，ｒ为时间常数）找到一组合适的ＰＩＤ控制器参量（Ｋ。，ｒｉ，ｌ＇ｄ）以达到良好的控制目的。被控对象为电子束蒸发镀膜系统，可近似用一阶惯性加纯延迟环节表示［６］，传递函数为Ｇｐ（ｓ）一Ｋ。ｅ－＃’／ｒｓ＋１，（２）在控制原理图中被控对象的特性由Ｋ，，口和ｒ这三个参量决定。ｓ是由时域ｔ经拉普拉斯变换为频域所得变量。对于式（１）的控制器，可采用Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ工程经验整定公式进行参量整定［１２］万 方数据激光ｒＫ。＝１．２ｒ／Ｋｐ０ｔ翟５护’（３）由式（３）可知，若能得到式（２）表示的被控电子束蒸发镀膜系统的特性参量Ｋ。，口和ｒ，则可以计算出相应ＰＩＤ控制器的参量Ｋ。，ｒｉ，Ｖｄ。一个简便易行的方法是得到被控系统的阶跃响应曲线，通过作图法得式（２）的参量Ｋ。、０和ｒ。作图法的原理如图２［１２１所示。图２阶跃响应曲线作图法示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｄｒａｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅ镀膜机采用的是北京光学仪器厂的ｚｚｓ－８００，带两把电子枪，分别装载ＳｉＯ。和Ｈｆｏｚ膜料，Ｔｅｌｅｍａｒｋ８６０晶控仪探测的实时蒸发速率通过串口传给程序控制的计算机，进行记录和处理。对装载膜料为ｓｉ０。和ＨｆＯ。的电子束蒸发镀膜系统分别做阶跃响应，其响应曲线如图３所示。图３中，上部的曲线代表蒸发速率，下部的曲线则是对应的灯丝电压。在图３的基础上结合式（２）通过作图法分别拟合装载膜料为Ｓｉ０：和Ｈｆｏｚ的电子束蒸发镀膜系统的传递函数，得式（２）中的Ｋ。，口和ｒ，结果如表１所示。作图法虽然拟合程度较差，但简单实用且实践证明它可以成功用于ＰＩＤ控制器参量整定［１引。表１对ＺＺＳ一８００ＥＳｉ０２和Ｈｆ０２阶跃响应曲线用作图法处理结果Ｔａｂｌｅ１．ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＳｉ０２ａｎｄＨｆＯｚａｔＺＺＳ一８００ｂｙｄｒａｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄ因为膜料蒸发特性参量随着蒸发材料温度非线性变化‘１３］，而束流是影响蒸发温度的决定性参量之一，因此对电子束蒸发镀膜系统做阶跃响应应在和实际镀膜的束流相近的条件下进行。以上ＳｉＯ：和１０期王善成等：电子束蒸发镀膜速率控制ＨｆＯ：的阶跃响应曲线分别是在采用１００ｍＡ和１８０ｍＡ的束流预融的条件下做的。营磊夏ＳａｍｐｌｉｎｇｐｏｉｎｔｓＳａｍｐｌｉｎｇｚｚｓ－８００镀膜机上的Ｓｉ０２（ａ）Ｈ［０２（ｂ）的阶跃响应ＳｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＳｉ０２（ａ）ＨＩＯｚ（ｂ）ａｔｚｚｓ－８００ｐｏｉｎｔｓ图３Ｆｉｇ．３３闭环控制实验在ＺＺＳ一８００设备上对Ｓｉ０。和ＨｆＯ。进行了实际的蒸发速率闭环控制实验。根据表１的数据用式（３）来计算得ＰＩＤ控制器的原始参量。在具体的实验中可根据实际的速率控制表现，以原始参量为调节起点进行不断调整，以得到满意的控制。以下实验中提到的焦斑移动幅度在半个焦斑直径到一个焦斑直径之间，大幅度焦斑移动幅度在一个焦斑直径以上。蒸发速率首次到达目标速率的调整时间过长，其次在焦斑移动的扰动下速率恢复稳态时间过长。镀膜机经现场实验一实验数据分析－ＰＩＤ控制器调整这样一个反复的实验过程，速率控制得到改善，如图４（ｂ）所示，其中的ＰＩＤ控制器调整主要是对微分作用和积分作用分别进行区间处理以及对ＰＩＤ系数进行微调，同时对工艺流程进行改进。观察图４（ｂ）可见，在大幅度移动焦斑情况下，速率稳定慢。为达到良好的速率控制，需要防止大幅度移动焦斑的扫描方式。对ｓｉｏ。的蒸发速率控制经过相同的过程后得到如图５所示速率控制曲线。戳！己２．８晕２．４皇２．０蛊Ｉ．６量１．２鞠凸０４Ｏ３６３２２８２４Ｏ６２图５ｚｚｓ－８００上的＆０２的速翠ＰＩＤ控制曲线，２；●Ｏ８Ｏ４Ｏ控制器经过调整，目标速率８．ｓ／（１０－１０ｍ／ｓ）Ｆｉｇ．５ａｔＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒＳ／０２ｚｚｓ－８００，ＰＩＤａｄｊｕｓｔｅｄ，８．５／（１０—１０ｍ／ｓ）ｓｅｔｐｏｉｎｔ图４ｚｚｓ－８００上的ＨｆＯｚ的速率ＰＩＤ控制曲线，原始参量，目标速率３．３／（１０－１０ｍ／ｓ）（ａ）控制器经过调整，目标速率３．５／（１０－１０ｍ／ｓ）（ｂ）由图５可见，ＳｉＯ：的速率控制曲线中可看到初始过程调节时间短，焦斑移动的情况下速率恢复快。但大幅度移动焦斑从坩埚的远阴极到近阴极时（如Ｆｉｇ．４ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒＨｆＯｚａｔ图６中的Ａ处移动到Ｂ处）速率波动较大，焦斑移回到远阴极时速率又恢复稳定。在反复的实验中均发现这一现象。造成这一现象的原因是阶跃响应对应的是坩埚的中间偏远阴极位置的材料蒸发特性，而焦斑在远阴极和近阴极的聚焦特性差别较大［１１‘，ｚｚｓ－８００ＰＩＤｏｒｉｇｉｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒ，３．３／（１０－１０ｍ／ｓ）（ａ）３．Ｓ／（１０－１０ｍ／ｓ）ｓｅｔｐｏｉｎｔ（ｂ）图４（ａ）为原始参量控制的结果，从中可看到速率控制需要注意的两个基本问题。首先是开挡板到万方数据 １５９４中国造成材料的蒸发特性也差别较大。因此在焦斑从远阴极移动到近阴极的过程中，材料蒸发特性变化较大，而ＰＩＤ控制器的参量没有相应的改变，故控制效果变差。解决这一问题必须对坩埚进行分区，如远阴极区和近阴极区，对焦斑聚焦特性差别比较大的这些区域分别进行阶跃响应，重复本文所述的过程，以得到各自区域的最佳ＰＩＤ控制器参量；并将电子枪的扫描控制参量反馈给速率控制程序，当焦斑移动到某一区域时则速率控制程序采用相应的ＰＩＤ控制器参量。图６坩埚分区示意图Ｆｉｇ．６ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｃｒｕｃｉｂｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎ４结论对当前镀膜实践中广泛使用的真空电子束镀膜的蒸发速率控制进行了研究，采用工业上广泛使用的ＰＩＤ控制器，并对控制器参量采用Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ经验公式进行整定得初始的参量，在此基础上通过实验对ＰＩＤ控制器及其参量进行修改和调节得到了满意的控制表现。针对ＳｉＯ。和Ｈｆｏ：的另外，还针对速率控制中存在的问题进行了分析，并参考文献１ＬｕＪｉｎｊｕｎ，ＬｉｎＷｅｉｇｕｏ．ＯｐｔｉｃａｌＴｈｉｎＦｉｌｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｘｉ’ａｎ：ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，２００５，１２３卢进军，刘卫国．光学薄膜技术［Ｍ］．西安：西安工业大学出版社，２００５，１２３２ＴａｎｇＪｉｎｆａ，ＧｕＰｅｉｆｕ，ＬｉｕＸｉｕ西ａ１．．ＭｏｄｅｒｎＯｐｔｉｃａｌＴｈｉｎ万 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作者：作者单位：
王善成， 方明， 易葵， 邵淑英， 范正修， Wang Shancheng， Fang Ming， Yi Kui，Shao Shuying， Fan Zhengxiu
王善成,Wang Shancheng(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800;中国科学院研究生院,北京,100039)， 方明,易葵,邵淑英,范正修,Fang Ming,Yi Kui,Shao Shuying,FanZhengxiu(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800)中国激光
CHINESE JOURNAL OF LASERS2008,35(10)
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