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摘 要
在光电技术突飞猛进发展的今天，镀膜设备与技术也在不断发展与进步。在镀膜技术中，目前已经实用化软X射线多层膜制备方法主要有三种： 电子束蒸发（EB）、射频磁控溅射（MS）和离子束溅射（IBS）。由于原来的制备过程中存在如制膜人员劳动强度大，制膜质量差等等问题，因此本课题主要研究离子束溅射镀膜机在软X射线多层膜元件制备过程中利用计算机实时监控膜厚的变化，来解决原制备过程中存在的问题。本论文主要研究内容包括：膜厚测量原理与膜厚控制技术的研究；智能化控制设备的研制。根据离子束溅射镀膜机的工作原理及课题要求，系统由计测频率部分（完成频率计的功能）、步进控制部分（完成靶材料的切换）及控制主机部分组成。由于本设计方案采用了等精度频率测量，智能化自动控制，使频率的测量精度提高，控制更加精确，镀膜质量大大提高。
本篇论文包括系统整体设计方案（原制备方案和改进方案），系统硬件设计方案，系统软件设计方案几个部分。http://www.16sheji8.cn/
关键词 离子束溅射镀膜 等精度频率测量
步进电机控制 智能化控制
ABSTRACT
Advance by leaps and bounds today in development in photoelectric technology,plate membrane equipment and technology being developed and progresses constantly too. In plate membrane among the technology,practical soft X ray multilevel membrane prepare method have 3 kinds mainly already at present: The electron beam is evaporated(EB),the radio frequency magnetism accuses of sputter(MS) and ion beam sputter(IBS). Because makes personnel's labour intensity of membrane greatly in the original preparation course, Make membrane quality and wait a moment for the question poorly, So a subject is studied and plates the membrane machine and utilizes the computer to control the change of thick membrane in real time while soft X ray multilevel film component prepares in the ion beam sputter, Solve and exist in the course of preparing originally the problem. This thesis main research contents include: The membrane measures the research of the principle and film thick control technology thick; Control the reseach of the equipment intelligently. Plate according to the operation principle of ion beam sputter membrane machine and subject require, System count and examine frequency part(finish function of cymometer),walk into and control partly(finish target material switch over)and control part of the host computer make up. Because this plan of design has been adopted same precision of measurement of frequency, which automatically control intelligently, make the precision of measurement of frequency improve,it is more accurate to control,plate film quality to improve greatly .
This page thesis including whole plan of design of system(prepares the scheme and improves the scheme originally), The plan of design of the systematic hardware,several parts of plan of design of systems soft ware.
KEYWORDShttp://www.16sheji8.cn/
ion beam sputter membrane same precision of measurement of frequency
walking into electrical machine and control control intelligently
目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
第一章 绪 论 5
第二章 系统总体设计 6
§2．1 离子束溅射镀膜机的工作原理 6
§2．2 系统总体方案设计 8
§2．2．1原多层膜元件的加工过程及存在的问题 8
§2．2．1．1 原来的制备过程 8
§2．2．1．2 制备过程存在的问题 8
§2．2．1改进方案与系统工作过程 9
第三章 系统硬件设计 11
§3．1 频率测量单元 11
§3. 1. 1 测频原理及误差分析 12
§3. 1. 2 硬件设计 14http://www.16sheji8.cn/
§3．2 系统控制电路设计 17
§3．2．1步进电机的基本介绍 17
§3．2．2步进电机工作原理 18
§3．2．3步进电机的工作控制系统原理 19
§3．2．4步进电机的驱动部分 20
§3.2.5 MCS-51与IBM-PC机的串行通讯接口设计 21
第四章 系统软件设计 23
§4. 1 自检部分 23
§4. 2 频率测量部分 24
§4. 2. 1 除法子程序 24
§4. 2. 2 小数点位置、单位和字长的确定 25
§4. 2. 3 四舍五入操作 26
§4. 3 步进控制部分 27
§4. 4 显示数据的处理与通信 27
结 论 30
致 谢 31http://www.16sheji8.cn/
参 考 文 献 32
第一章 绪 论
离子束溅射镀膜是七十年代后发展起来的一种镀膜技术。与传统的真空热蒸发镀膜相比，离子束溅射镀膜具有如下几大特点：(1)依据动量交换机理，由气体放电形成的高速带电粒子或中性原子轰击靶材料，使靶材料溅射到基板上去。不受材料的熔点、化学组成的限制，任何材料可以用溅射方法镀膜。(2)镀膜材料的原子（或分子、分子团）动量大，比热蒸发大一个数量级以上。膜层致密、牢固、附着性好。(3)镀膜速率可以通过工作条件（如放电气压、束流密度、加速电压等）方便地控制。镀膜过程稳定。(4)可以高速率、大面积的溅射，便于实现工业规模的生产性镀膜。
离子束溅射镀膜同射频磁控溅射方法相比，它的工作气压要低一数量级以上，成膜质量较好，没有电磁波干扰，易于对镀膜过程进行实时控制。目前人们普遍认为这种方法是制备软X射线多层膜最有效、最有发展前途的方法。由于以上特点，八十年代中溅射镀膜在光学薄膜、大规模集成电路镀膜、建筑材料镀膜、装饰材料镀膜、超硬刀具镀膜等行业中得到广泛的应用。国外已有能够做溅射镀膜的工业生产用设备出售，但价格十分昂贵（数百万美圆）。http://www.16sheji8.cn/
我国从八十年代初起，不少研究所和大学也开始研究溅射镀膜。八十年代中期以后，一些单位搞出了溅射镀膜机。但由于研究与生产脱节，应用发展不够。从整体来说我国的溅射镀膜尚处在起步阶段。
进入九十年代以后，随着我国经济的发展，国内对溅射镀膜的需要急剧增大，目前已有引进的镀膜设备，一些单位还在考虑引进。
随着大规模集成电路的发展，智能化的控制设备的研制在国内外得到了迅猛发展。智能化的镀膜设备也得到了不同程度的引进与应用。同时研制适合我国行情、高水平、高可靠性的智能化镀膜机也是势在必行。
第二章 系统总体设计
§2．1 离子束溅射镀膜机的工作原理
离子束溅射镀膜机采用Kaufman型离子枪，进入离子枪中的工作气体（Ar气）被电离后产生离子流Ar﹢。离子流经限流板限束后轰击靶材料，溅射出的靶材料沉积在镀膜样品上。靶材料在沉积在镀膜样品上的同时也沉积在样品旁边的石英晶体震荡器探头上。利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应，进行膜厚监控。石英是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，能产生电极化现象，即压电现象。石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于几何尺寸，切割类型，而且还取决于晶片的厚度。当晶片上镀了某种膜层，使晶片的厚度增大，则晶片的固有频率会相应的降低。
用于石英膜厚监控用的石英晶片选用AT切型，AT切型的晶体片其震荡频率对质量的变化极其灵敏。且其具有较好的温度特性，即此切型的晶体的固有震动频率的温度系数在很宽频率内趋于零。
AT切型的石英晶体压电效应的固有频率f为：http://www.16sheji8.cn/
（2-1）
式中：
n: 谐波数，=1，3，5…；
Dq:石英晶体厚度；
C：切变弹性系数；
：石英晶体密度（2.56x103Kq/m3）
显然谐振频率f与 Dq、 C 、 等量有直接关系。由于很多的外界影响，比如晶体温度、温度梯度、激发电场等都会影响到谐振频率，这是因为上述的因素会影响到Dq、 C 、 等参数值。
对于常用的基波（n=1）来说（2-1）可以化为
f=N/dq (2-2)
式中:N=0.5(C/ )1/2=1670KHZ.mm称为晶体的频率常数， dq为晶体的厚度。
对（2-2）式微分得http://www.16sheji8.cn/
(2-3)
上式的物理意义是，若厚度为dQ 的石英晶体增加厚度△dQ，则晶体的振动频率变化了△f，式中的负号表示晶体的频率随着膜厚的增加而降低。然而在实际镀膜时，淀积的是各种膜料，而不都是石英晶体材料。所以需要把石英晶体厚度增量△dQ 通过质量变换表示成膜层厚度增量 。即
(2-4)
把（2-4）式代入（2-3）式中，
则 △f=S△dQ （2—5）， 式中S称为变换灵敏度。
对于某一种确定的镀膜材料， 为常数，膜层不很厚时，即淀积的膜层质量远小于晶体质量。
石英质量不变，固有频率变化不会很大。这样可以近似地把S看成为常数，于是由（2--5）式表达的石英晶体频率的变化与淀积薄膜厚度就有了一个线性关系。因此可以借助检测石英晶体固有频率的变化，实现对膜厚的控制。通过Talystep(英国的触针式表面粗糙度检测轮廓仪)标定，可知镀膜样品在当前位置上镀1A°靶材料频率的变化量，然后人工根据（2—5）式计算出镀膜所需厚度靶材料频率的变化量。由于靶材料（镀膜材料的切换由挡板的开闭和靶架的旋转完成）可以为多种，不同的靶材料镀1A°降低的频率数又不同，因此膜层频率变化量不同。根据频率的变化控制靶材料的替换，从而实现多层膜的制备。http://www.16sheji8.cn/
§2．2 系统总体方案设计
根据原制备软X射线多层膜元件的加工过程及存在的问题，根据实际需要给出了改进的方案设计及具体实现方法。http://www.16sheji8.cn/
