CN103789743B - 一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种斜角入射沉积系统，包括圆柱状的腔体，腔体的上方设有顶盖，腔体内由下至上依次设有电子束蒸发器、环形液态氮存储装置以及样品操作装置；所述电子束蒸发器由腔体外伸入腔体内，电子束蒸发器位于腔体内的端部上设置蒸发源材料；所述环形液态氮存储装置用于冷却操作装置，环形液态氮存储装置上设有液氮进管和液氮出管，液氮进管和液氮出管分别延伸出顶盖；环形液态氮存储装置中部设有气动快门，用于控制蒸发源材料与样品操作装置之间的通路。本发明两个轴向旋转运动以及沉积高度的调整，形成不同沉积角度，得到了多种形态的微纳米薄膜结构，很好解决了光学和电子刻蚀形成微纳米薄膜费用高、适用材料有限、制作时间较长的缺点。

Description

一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统

技术领域

本发明涉及一种薄膜沉积系统，更具体的涉及一种通过改变入射沉积角度和沉积高度进行镀膜来达到相应的薄膜性能要求，可满足各种行业的镀膜要求的斜角入射微纳米薄膜沉积系统。

背景技术

目前薄膜制备技术广泛的应用于各种器件的制作上，例如汽车玻璃，建筑装潢、金属和陶瓷的上色等。由于现代科技发展的要求，微纳米薄膜、超硬薄膜和耐腐蚀薄膜等一系列高性能薄膜被制造用来改变工件的表面性能；微纳米薄膜的传统制造方法是通过光学和电子刻蚀来得到相应的薄膜表面图案，但这种方法的缺点是成本高，无法进行多角度调整，特别是斜角度沉积，生产时间较长以及有限的刻蚀能力极大的限制了适用材料的使用范围。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，包括圆柱状的腔体，腔体的上方设有顶盖，腔体内由下至上依次设有电子束蒸发器、环形液态氮存储装置以及样品操作装置；所述电子束蒸发器由腔体外伸入腔体内，电子束蒸发器位于腔体内的端部上设置蒸发源材料；所述环形液态氮存储装置用于冷却操作装置，环形液态氮存储装置上设有液氮进管和液氮出管，液氮进管和液氮出管分别延伸出顶盖；环形液态氮存储装置中部设有气动快门，用于控制蒸发源材料与样品操作装置之间的通路；所述样品操作装置包括设置在法兰盘上的第一旋转装置和升降装置、与第一旋转装置连接的第二旋转装置，以及第二旋转装置下方的工作台；所述第一旋转装置包括穿过所述法兰盘的第一齿轮步进电机以及与第一齿轮步进电机连接的第一旋转轴；所述升降装置包括顶端设有水平齿轮的竖直螺纹轴，穿过所述法兰盘的升降摇杆、以及连接螺纹轴和所述第二旋转装置的升降连接杆；所述升降摇杆前端设有与所述竖直螺纹轴的水平齿轮啮合的齿槽，所述升降连接杆一端嵌套在所述竖直螺纹轴上，另一端连接所述第二旋转装置，所述竖直螺纹轴外设有与所述第一旋转轴连接的壳体，壳体上设有用于连接杆升降的槽；所述第二旋转装置包括第二齿轮步进电机以及与第二齿轮步进电机连接的第二旋转轴；第二旋转轴下方连接工作台；工作台包括与；第二旋转轴连接的金属壳，金属壳内由上至下设有热电偶和钨丝加热器，第二旋转轴通过连接杆连臂以及调节螺母连接样品台杆，样品台杆下方连接用于放置基底的样品台板，样品台板位于钨丝加热器下方。

所述的样品操作装置安装在水平方向，通过调整样品台板上的调节螺母实现基底材料的装卸；通过两个独立的齿轮步进电机实现样品操作装置在两个方向的旋转运动；将升降摇杆向里推入，手动旋转升降摇杆通过齿轮的啮合实现沉积高度的调整，沉积时应将升降摇杆收回，升降摇杆上的定位螺母在推入和收回过程中起定位作用；样品的台板安装时离基底较远，并设计成较小的轮廓，在沉积过程中最大化的避免对蒸发源的遮挡；钨丝加热器安装在样品台板的上方，用来将基底加热到相应的温度；钨丝加热器背面安装有热电偶，提供参考温度用以校准基底的测量温度；一个环形液氮装置围绕在加热器组件周围，在基底加热过程中起来持续冷却的作用；电子束蒸发器位于腔体的下段，蒸发源材料位于电子束蒸发器中蒸发器上端，基底材料下方500mm处，在沉积过程中提供了稳定的来源；电子束发射器内置于蒸发器内，蒸发速率通过手动开关发射器电源来控制；气动快门位于电子束蒸发器上方，通过气动快门的开关来控制沉积过程中薄膜的厚度。通过手动开关其内部的电子束发射器开控制蒸发速率；放气阀在镀膜结束时起放真空作用。

本发明中，所述的液态氮通过腔体顶端的液氮进出管实现通入和排出，储存在腔体下段的环形密封装置中。

本发明中，所述的离子压力表安装在腔体中部，位于气动快门左边，系统工作时用来测量腔内气压，以满足相应镀膜时所需的气压要求。

本发明中，所述的离子泵位于腔体中部，第一阶段首先通过涡轮分子泵抽真空到相应气压，第二阶段关闭分子泵并打开离子泵，抽真空到6X10^-4Pa的工作气压。

本发明中，所述的观察端口用来观察腔内的沉积情况以及样品操作装置的运动状态，并用特制的光学滤波端口，避免了金属熔化的高亮度对眼睛的伤害。

本发明中，腔体的上段，在液态氮进出口的下方，样品操作台上方设有微天平沉积速率监视器，用以测量沉积的速率，具体的沉积情况也可通过观察端口进行观察。

本发明中，所述的取样窗口用来实现基底的装卸。

本发明中，所述的红外测温仪位于腔体中部，用以精确的测量沉积时腔内的温度。

本发明中，钨丝加热器、热电偶和两个齿轮步进电机与外部电源的连接。

本发明中，所述的热电偶安装在钨丝加热器背面，提供参考温度用以校准基底的测量温度。

有益效果：本发明的优点是通过基底的两个轴向旋转运动以及沉积高度的调整，形成不同沉积角度，得到了多种形态的微纳米薄膜结构，很好解决了光学和电子刻蚀形成微纳米薄膜费用高、适用材料有限、制作时间较长的缺点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为实施例斜角入射沉积系统的俯视图。

图2为实施例斜角入射沉积系统主视图的半剖图。

图3为实施案例斜角入射沉积系统的示意图。

图4为样品操作装置的示意图。

图5和图6为样品操作装置头部示意图。

图7和图8为调整沉积高度时，升降摇杆位置示意图。

图9和图10为连接装置结构图。

具体实施方式

本发明公开了一种斜角入射沉积系统，包括顶盖、圆柱状的腔体、腔内设有电子束蒸发器、样品操作装置、微天平沉积速率监视器、红外测温仪、钨丝加热器、热电偶、离子压力表、离子泵、观察窗口、气动快门、放气阀以及内置的环形液氮冷却装置；所述的样品操作装置安装在水平方向，通过调整样品台板上的调节螺母实现基底材料的装卸；通过两个独立的齿轮步进电机实现样品操作装置在两个方向的旋转运动；将升降摇杆向里推入，手动旋转升降摇杆通过齿轮的啮合实现沉积高度的调整；通过基底的两个轴向旋转运动，形成不同沉积角度，得到了多种形态的微纳米薄膜结构；红外测温仪位于腔体中部，用以精确的测量沉积时腔内的温度；钨丝加热器安装在样品台板的上方，用来将基底加热到相应的温度；钨丝加热器背面安装有热电偶，提供参考温度用以校准基底的测量温度；离子泵位于腔体中部，第一阶段首先通过涡轮分子泵抽真空到相应气压，第二阶段关闭分子泵并打开离子泵，抽真空到6X10^-4Pa的工作气压；离子压力表安装在腔体中部，位于气动快门左边，系统工作时用来测量腔内气压；一个环形液氮装置围绕在钨丝加热器组件周围，在基底加热过程中起来持续冷却的作用；电子束蒸发器位于腔体的下段，蒸发源材料位于蒸发器上端，基底材料下方500mm处，在沉积过程中提供了稳定的来源；电子束发射器内置于蒸发器内，蒸发速率通过手动开关发射器电源来控制；气动快门在电子束蒸发器上方，用来打开和阻断蒸发的进程。放气阀在镀膜结束时起放真空的作用。

实施例

本实施例中对应部件标号如下：液氮进出口1，样品操作装置2，电子束蒸发器3，气动快门4，取样窗口5，顶盖6，红外测温仪7，观察端口8，涡轮分子泵端口9，微天平沉积速率监视器10，离子泵端口11，环形液态氮存储装置12，电子束发射器13，蒸发源材料14，离子压力表15，放气阀16，基底17，腔体18，升降摇杆19，定位螺母20，第一齿轮步进电机21，定位螺母22，齿槽23，通电装置24，升降连接杆25，样品台板26，调节螺母27，第二齿轮步进电机28，水平齿轮29，金属壳30，热电偶31，钨丝加热器32，螺纹轴33、法兰盘34、第一旋转轴35、第二旋转轴36。

更具体的说，如图1、图2和图3所示，本实施例所述的斜角入射沉积系统包括圆柱状的腔体18，腔体18上方设有顶盖6，腔体内右侧由下至上依次设有电子束蒸发器3、环形液态氮存储装置12、离子泵端口11以及样品操作装置2；电子束蒸发器3由腔体18外伸入腔体内，电子束蒸发器3位于腔体内的端部上设置蒸发源材料14；环形液态氮存储装置12用于冷却操作装置2，环形液态氮存储装置12上设有液氮进管和液氮出管1，液氮进管和液氮出管1分别延伸出顶盖6；环形液态氮存储装置12中部设有气动快门4，用于控制蒸发源材料14与样品操作装置2之间的通路；离子泵端口11与离子泵连接，用于第二阶段抽真空；观察端口8和取样窗口5与样品操作装置2位于同一水平线上，红外测温仪7位于观察端口8和取样窗口5的中间；腔体内左侧由下至上依次设有离子压力表15、放气阀16、涡轮分子泵端口9和微天平沉积速率监视器10；离子压力表15位于环形液态氮存储装置12上方和放气阀16的下方，测量部分位于腔体18内，用以测量腔内的气压；放气阀16在沉积结束后起放真空作用；涡轮分子泵端口9与涡轮分子泵连接，用于第一阶段抽真空；微天平沉积速率监视器10位于顶盖6和涡轮分子泵端口9中间，测量部分位于腔体18内部，用来监视沉积速率。

如图4、图5和图6所示，样品操作装置2包括设置在法兰盘34上的第一旋转装置和升降装置、与第一旋转装置连接的第二旋转装置，以及第二旋转装置下方的工作台；所述第一旋转装置包括穿过所述法兰盘34的第一齿轮步进电机21以及与第一齿轮步进电机21连接的第一旋转轴35；所述升降装置包括顶端设有水平齿轮29的竖直螺纹轴33，穿过所述法兰盘34的升降摇杆19、以及连接螺纹轴33和所述第二旋转装置的升降连接杆25；所述升降摇杆19前端设有与所述竖直螺纹轴的水平齿轮啮合的齿槽23，所述升降连接杆25一端嵌套在所述竖直螺纹轴33上，另一端连接所述第二旋转装置，所述竖直螺纹轴33外设有与所述第一旋转轴35连接的壳体，壳体上设有用于连接杆25升降的槽；所述第二旋转装置包括第二齿轮步进电机28以及与第二齿轮步进电机连接的第二旋转轴36；第二旋转轴36下方连接工作台；工作台包括与；第二旋转轴36连接的金属壳30，金属壳内由上至下设有热电偶31和钨丝加热器32，第二旋转轴36通过连接杆连臂以及调节螺母27连接样品台杆，样品台杆下方连接用于放置基底17的样品台板26，样品台板26位于钨丝加热器32下方，钨丝加热器32、热电偶31、第一和第二齿轮步进电机21和28经过通电装置24与外部电源的连接。

如图7、图9和图10所示，手动推入升降摇杆19，定位螺母20确保齿槽23和水平齿轮29的啮合，旋转升降摇杆19，通过齿槽23和水平齿轮29的啮合运动实现螺纹轴33的转动，螺纹轴33和升降连接杆25为螺纹配合，升降连接杆25无法旋转，通过螺纹轴33的旋转运动实现了升降连接杆25的升降运动；如图8所示，沉积高度调整后收回升降摇杆19，定位螺母22限制了升降摇杆19的移动距离，沉积镀膜时确保了样品操作装置2与升降摇杆19不发生干涉。

本实施例的工作原理如下：

如图1至图10所示，首先打开取样窗口5，通过调节螺母27，将基底17放入样品台板26上，如图7所示，将升降摇杆19推入，定位螺母20确保齿槽23和水平齿轮29的啮合，旋转升降摇杆19，通过齿槽23和水平齿轮29的啮合运动实现螺纹轴33的转动，螺纹轴33和升降连接杆25为螺纹配合，升降连接杆25无法旋转，通过螺纹轴33的旋转运动实现了升降连接杆25的升降运动，调整到相应沉积高度后将升降摇杆19推出，并通过定位螺母22限制其移动距离，关闭取样窗口5并确认系统为密封状态；通过连接在涡轮分子泵端口9的分子泵进行第一阶段的抽真空后，使用连接在离子泵端口11的离子泵进行第二阶段抽真空到6X10^-4Pa的工作气压，并保持在该气压值；离子压力表15在抽真空时用来监测腔内的气压值，确保达到正常的工作气压；之后是蒸发源的设置，电子束蒸发器3位于环形液态氮存储装置12的下方，蒸发源材料14位于基底17下方500mm处；通过手动开启电子束发射器13进行蒸发；气动快门4位于电子束蒸发器3上方和离子泵端口11的下方，用来打开和阻断蒸发的进程，此时是关闭的状态；在样品操作装置2中，安装在样品台板26上的基底17，通过钨丝加热器32进行加热，在基底17旋转和沉积的过程中，钨丝加热器32将加热温度保持在1000℃左右；安装在钨丝加热器32背面的热电偶31用于测量加热温度；通过两个独立的齿轮步进电机21和28，基底17可在如图4所示的两个轴向旋转，基底17通过两个轴向旋转组合，形成不同了沉积角度。

通过离子压力表15读出腔内的工作气压值，确认系统正常后通过调节电子束发射器13调整到相应蒸发速率；手动打开气动快门4开始镀膜，镀膜过程中，微天平沉积速率监视器10用来监视沉积速率，液态氮存储装置12中的液氮需不间断的冷却样品操作装置2，通过红外测温仪7以及热电偶31观察温度，保证其温度不能过高，此时根据所需的微纳米薄膜形状相应的调整基底17与蒸发方向的角度，并通过观察端口8观察镀膜情况，保持该状态直至镀膜结束；镀膜工作完成后，关闭离子泵（直至叶片停止转动为停止工作），待液态氮存储装置12将腔内、基底17以及样品操作装置2温度冷却后，打开放气阀16，待腔内外气压相等时，打开取样窗口5取出已镀好膜的基底17。

本斜角入射沉积系统通过基底两个轴向的旋转运动和沉积高度的调整，形成不同沉积角度，得到了多种形态的微纳米薄膜结构，很好解决了光学和电子刻蚀形成微纳米薄膜费用高、适用材料有限、制作时间较长的缺点。

本发明提供了一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，其特征在于，包括圆柱状的腔体，腔体的上方设有顶盖，腔体内由下至上依次设有电子束蒸发器、环形液态氮存储装置以及样品操作装置；

所述电子束蒸发器由腔体外伸入腔体内，电子束蒸发器位于腔体内的端部上设置蒸发源材料；

所述环形液态氮存储装置用于冷却操作装置，环形液态氮存储装置上设有液氮进管和液氮出管，液氮进管和液氮出管分别延伸出顶盖；环形液态氮存储装置中部设有气动快门，用于控制蒸发源材料与样品操作装置之间的通路；

所述样品操作装置包括设置在法兰盘上的第一旋转装置和升降装置、与第一旋转装置连接的第二旋转装置，以及第二旋转装置下方的工作台；所述第一旋转装置包括穿过所述法兰盘的第一齿轮步进电机以及与第一齿轮步进电机连接的第一旋转轴；所述升降装置包括顶端设有水平齿轮的竖直螺纹轴，穿过所述法兰盘的升降摇杆、以及连接螺纹轴和所述第二旋转装置的升降连接杆；所述升降摇杆前端设有与所述竖直螺纹轴的水平齿轮啮合的齿槽，所述升降连接杆一端嵌套在所述竖直螺纹轴上，另一端连接所述第二旋转装置，所述竖直螺纹轴外设有与所述第一旋转轴连接的壳体，壳体上设有用于连接杆升降的槽；所述第二旋转装置包括第二齿轮步进电机以及与第二齿轮步进电机连接的第二旋转轴；第二旋转轴下方连接工作台；工作台包括与第二旋转轴连接的金属壳，金属壳内由上至下设有热电偶和钨丝加热器，第二旋转轴通过连接杆连臂以及调节螺母连接样品台杆，样品台杆下方连接用于放置基底的样品台板，样品台板位于钨丝加热器下方。

2.根据权利要求1所述的一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，其特征在于，腔体位于样品操作装置下方的位置设有红外测温仪。

3.根据权利要求1所述的一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，其特征在于，腔体位于环形液态氮存储装置上方的位置设有离子压力表。

4.根据权利要求1所述的一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，其特征在于，腔体位于环形液态氮存储装置上方的位置设有离子泵连接端口。

5.根据权利要求1所述的一种斜角入射微纳米薄膜沉积系统，其特征在于，腔体中部设有放气阀。