CN104404452B - 一种真空镀膜系统的样品室结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空镀膜系统的样品室结构，包括：真空腔，该真空腔的顶部固定连接有基准板；所述基准板上均布有若干个定位孔；安装于所述基准板下表面的真空纳米定位平台，真空纳米定位平台通过基准板将热量传递给真空腔的腔壁；所述真空纳米定位平台上安装有基片；真空纳米定位平台的下方设有掩膜支架，掩膜支架与基准板固定连接，且掩膜支架具有掩膜安装孔；所述真空腔的侧面设有激光尺光路口和多个功能接口；该真空腔还具有腔体门。本发明通过设计全新的样品室结构，实现了特定形状的镀膜沉积。

Description

一种真空镀膜系统的样品室结构

技术领域

本发明涉及真空镀膜领域，具体的说，是涉及一种真空镀膜系统的样品室结构。

背景技术

薄膜是一种物质形态，它所使用的膜材料非常广泛，可以是单质无素或化合物，也可以是无机材料或有机材料。薄膜与块状物质一样，可以是单晶态的、多晶态的或非晶态的。近年来功能材料薄膜和复合薄膜也有很大发展。镀膜技术及薄膜产品在工业上的应用非常广泛，尤其是在电子材料与元器件工业领域中占有极其重要的地位。制膜(或镀膜)方法可以分为气相生成法、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法和液相生长法等。气相生成法又可以分为物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition)简称PVD法、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)简称CVD法和放电聚合法等。

物理气相沉积法真空镀膜技术，由于这种方法基本上都是处于真空环境下进行的，因此称它们为真空镀膜技术。真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。真空镀膜技术是使置待镀金属和被镀塑料制品位于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使金属蒸发或升华，金属蒸汽遇到冷的塑料制品表面凝聚成金属薄膜。在真空条件下可减少蒸发材料的原子、分子在飞向塑料制品过程中和其他分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应(如氧化等)，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与附着力。通常真空蒸镀要求成膜室内压力等于或低于10^-2Pa，对于蒸发源与被镀制品和薄膜质量要求很高的场合，则要求压力更低(10^-5Pa)。镀层厚度在0.04-0.1μm之间时，镀层太薄，反射率低；若镀层太厚，附着力差，易脱落。镀层厚度为0.04μm时反射率为90％。适宜的镀层厚度会使固体表面具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、防辐射、导电、导磁、绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能，达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。

真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸发镀膜法当中，蒸发源是蒸发装置的关键部件，根据蒸发源不同，真空蒸发镀膜法又可以分为下列几种：

1.电阻蒸发源蒸镀法；

2.电子束蒸发源蒸镀法；

3.高频感应蒸发源蒸镀法；

4.激光束蒸发源蒸镀法。

现有的真空镀膜技术都是将被蒸镀材料置于真空室中通过电阻加热或者电阻束加热的方法使得被蒸镀材料的原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，然后直接沉积到基片上，如果想在基片上形成特定形状的薄膜，则还需要借助其他刻写工艺包括甩胶、烘胶、显影、金属化、去胶等多道加工工序，这些工序在工件处理中会带来无法避免的杂质污染，使得镀膜后的效果不理想。

目前技术水准较高的真空镀膜方法为在镀膜室内将蒸发上来的原子束通过掩膜板后进行汇聚准直，并且通过真空纳米定位平台控制基片相对汇聚准直后的原子束进行特定轨迹运动则可以沉积出特定形状的薄膜。由此可见真空腔中的真空纳米定位平台和掩膜板对于实现特定形状薄膜沉积至关重要。

同时，真空纳米定位平台在工作过程中，会产生一定的热量，相应的会影响自身的运动精度，最终导致成型薄膜与设计要求存在较大的误差。

申请号为201410081835.4的中国专利文献记载了一种真空镀膜装置，该装置包括：用于承载及移动基板的基板驱动机构；用于承载及移动第一掩膜板的第一掩膜板驱动机构，所述第一掩膜板位于所述基板的下方；用于承载及移动第二掩膜板，以与所述第一掩膜板驱动机构配合，改变所述第一掩膜板与所述第二掩膜板的掩膜板图形区的相互交叠状态的第二掩膜板驱动机构，所述第二掩膜板位于所述第一掩膜板的下方；以及蒸发源，所述蒸发源位于所述第二掩膜板的下方。该方案通过设置至少两块掩膜板，根据基板表面待蒸镀图形区的图形特征，改变至少两块掩膜板上的掩膜板图形区的相互交叠状态，以与基板表面待蒸镀图形区的图形相适配，从而实现各层蒸镀薄膜的图形化，降低了掩膜板的制造成本。但是，该方案较难以控制镀膜沉积的形状，其具体原因为：其控制镀膜沉积形状是通过调整两个掩膜板的相对位置，并且其还需依赖于掩膜孔的形状，这样子只能实现简单形状的变化，难以实现诸如圆环、椭圆之类复杂镀膜沉积形状的调节。

因此，如何设计一种全新结构的样品室结构，来易于控制镀膜沉积的形状，是本领域技术人员函需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种真空镀膜系统的样品室结构。本方案通过设计全新的样品室结构，来实现镀膜沉积形状的精确控制。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术手段：

一种真空镀膜系统的样品室结构，包括：

真空腔，该真空腔的顶部固定连接有基准板；

所述基准板上均布有若干个螺纹孔；

安装于所述基准板下表面的真空纳米定位平台，真空纳米定位平台通过基准板将热量传递给真空腔的腔壁；

所述真空纳米定位平台上安装有基片，来实现特定形状镀膜的沉积。

所述真空纳米定位平台的下方被掩膜支架覆盖，掩膜支架与基准板固定连接，且掩膜支架具有掩膜安装孔。

所述真空腔的侧面设有激光尺光路口和多个功能接口。

该真空腔还具有腔体门。

优选的，所述真空纳米定位平台驱动基片运动，来实现特定形状镀膜的沉积。

优选的，所述掩膜支架上分布有4个深度互不相同的用于安装掩膜板的掩膜安装孔，来实现一次镀膜得到多种不同形状特征的镀膜沉积层。

优选的，所述掩膜支架的正投影将所述真空纳米定位平台完全覆盖，使得真空纳米定位平台在镀膜过程中不会受到真空蒸镀上来的原子或分子的影响。

优选的，掩膜支架相互垂直的两个侧面分别设置有与所述激光尺光路口对应的掩膜支架光路口，来实现对真空纳米平台运动状态的精确非接触实时监测。

优选的，所述基准板到掩膜支架内表面的距离减去基准板到基片表面的距离即为掩膜板与基片之间的距离。

优选的，所述掩膜安装孔呈直线排列，直线排列的好处是通过掩膜支架的位置可以方便的变换掩膜安装位置。

优选的，所述真空腔还设置有观察孔。

优选的，所述真空纳米定位平台包括带有中央凹槽的底座，中央凹槽内设有基片台，基片台的X轴方向经X向柔性铰链固定于底座上，基片台的Y轴方向经Y向柔性铰链固定于底座上，X向柔性铰链上设有X向压电陶瓷驱动器，Y向柔性铰链上设有Y向压电陶瓷驱动器；基片台的X向侧沿上设置有X向光路反射镜，基片台的Y向侧沿上设置有Y向光路反射镜。

本发明的有益效果是:

(1)通过真空纳米定位平台带动基片运动实现镀膜沉积形状特征的精确控制。并掩膜支架上两个相互垂直的侧面开有方形孔，用来通过激光尺的测量光束，从而可以实现对真空纳米平台运动状态的精确非接触实时监测，这使得镀膜形状特征可以被实时监测。

(2)掩膜支架正投影将真空纳米定位平台完全覆盖，使得真空纳米定位平台在镀膜过程中不会受到真空蒸镀上来的原子或分子的影响。

(3)真空纳米定位平台在工作中产生的部分热量通过基准板传递给真空腔壁，进一步保证了真空纳米定位平台的运动精度，为镀膜沉积达到较高形状精度提供了保证。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的侧面剖视图；

图2为真空腔右侧视图；

图3为真空腔后侧视图；

图4为真空腔前侧视图；

图5为基准板的结构示意图；

图6为掩膜支架的主视图；

图7为掩膜支架的等轴测侧视图；

图8为本发明中真空纳米定位平台的结构示意图；

其中：1、掩膜支架，2、基准板，3、真空纳米定位平台，4、基片，5、真空腔，2-1、第一气体通路口，2-2、第二气体通路口，2-3、第一激光尺光路口，2-4、启停挡板接入口，3-1、第二激光尺光路口，3-2、晶振膜厚仪接口，3-3、压力控制器接口，3-4、分子泵接口，3-5、腔体门，4-1、镀膜状态观测口，4-2、真空计接口，4-3、机械泵接口，4-4、附加设备接口，6-1、掩膜安装孔，7-1、第一掩膜支架光路口，7-2、第二掩膜支架光路口；8-1、基片台，8-2、X向光路反射镜，8-3、X向压电陶瓷驱动器，8-4、Y向光路反射镜，8-5、Y向压电陶瓷驱动器，8-6、底座。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1所示：一种真空镀膜系统的样品室结构，包括：真空腔5，该真空腔5的顶部通过螺栓与基准板2相连接，真空腔5与基准版2相互接触的表面具有良好的表面粗糙度，基准板2上均布有若干个螺纹孔(盲孔)；基准板2通过螺栓与真空纳米定位平台3相连接，实现真空纳米定位平台3的基准定位，该真空纳米定位平台3上安装有基片4；掩膜支架1也通过相同的螺栓固定于基准板2上，掩膜支架1具有掩膜安装孔6-1；掩膜支架1安装时也要以基准板2为定位基准，来保证掩膜支架1内表面到基准板1的距离达到设计需要。

本方案中，真空纳米定位平台3与基准板2直接接触，基准板2与真空腔5直接接触，根据热传导原理，则真空纳米定位平台3产生的热量可以传递到外面，从而解决了在真空条件下真空纳米定位平台没有传热介质的问题。

基片4与真空纳米定位平台3的连接方式可选择沉孔螺栓或者真空胶。如果基片4与掩膜之间的距离精度要求不高时则使用真空胶固定比较方便，如果需要较好的保证基片4与掩膜之间的距离精度，则需要保证基片4表面到基准板2的距离，通过精密螺栓连接显然是一种更可靠的选择。

非常重要的一个结构特征是，基准板2到掩膜支架1内表面的距离减去基准板2到基片4表面的距离即为掩膜板与基片4之间的距离。

为了进一步调整基片4到掩膜板的距离，可以通过在掩膜支架1与基准板2接触面之间添加超薄垫片进行实现。

基准板2与真空纳米定位平台3和掩膜支架1的装配过程在真空腔5外进行，达到较高装配精度，然后再将装配好的整体由真空腔5侧面的腔体门3-5放入真空腔内，固定于真空腔内顶部。

在使用过程中需要更换掩膜或者基片4时，需将基准板2、真空纳米定位平台3和掩膜支架1作为整体一同取下拿出真空腔5外面，再更换新的基片或掩膜，更换完毕后，在真空腔室外面装配好后作为整体装入真空腔5内部上顶面。

需要注意的是，真空腔5侧面的腔体门3-5的形状大小要适宜，如果腔体门3-5的尺寸较小则可能导致无法将内部结构放进去或者装配时不方便，腔体门3-5的尺寸如果比较大的话，则会给真空密封带来困难，尤其是真空腔5内部需要达到高真空的环境。

腔体门3-5的密封可以选用橡胶圈密封或者使用铜圈密封，铜圈密封可以得到较好的密封效果，但是每次开启腔体门3-5后则需要更换铜圈，会使得使用成本增加；使用橡胶圈密封的话可以重复使用但是密封效果较差，有可能达不到真空腔内所需的真空度要求。因此如何选择密封圈可由实际需求来决定。

如图2所示，真空腔5的左侧面分布有多个功能接口。具体而言，真空腔5的左侧面分布有四个真空CF法兰接口，分别是第一气体通路口2-1、第二气体通路口2-2、第一激光尺光路口2-3和启停挡板接入口2-4。其中，第一气体通路口2-1和第二气体通路口2-2用来通入N₂或其他惰性气体，沿第一激光尺光路口2-3通向真空腔5内部为激光尺测量光路的一个方向上的通道，第一激光尺光路口2-3处安装有高透射玻璃，使得测量光路可以很好的通过。启停挡板接入口2-4用于介入启停挡板，当需要停止镀膜时，由电机驱动挡板轴做转动，使其遮挡蒸发上来的原子，可以及时的停止镀膜，从而保证需要的膜厚值。

如图3所示，真空腔5的后侧面分布有多个功能接口。具体而言，真空腔5的后侧面分布有四个真空CF法兰接口，分别是第二激光尺光路口3-1，晶振膜厚仪接口3-2、压力控制器接口3-3和分子泵接口3-4。沿第二激光尺光路口3-1通向真空腔5内部为激光尺测量光路的另一个方向上的通道。晶振膜厚仪接口3-2是用来检测膜厚的晶振膜厚仪的接口。压力控制器接口3-3是用于连接压力控制器的接口，作用是保证真空腔5内的压力稳定在所需要的压力值。分子泵接口3-4是用于连接分子泵的接口，用来抽取真空。

如图4所示，真空腔5的前侧面分布有多个功能接口。具体而言，真空腔5的前侧面分布有四个CF真空法兰接口，分别是镀膜状态观测口4-1，真空计接口4-2，机械泵接口4-3和附加设备接口4-4。镀膜状态观测口4-1用于直观的看到镀膜是真空腔5内部的状态。真空计接口4-2用来测量真空度；机械泵接口4-3用来抽取真空；附加设备接口4-4是为连接其他附加设备而预留的备用接口。

如图6所示，在掩膜支架1的表面呈直线分布有四个深度不同的掩膜安装孔6-1，掩膜安装孔6-1用来放置不同厚度的掩膜板。实际镀膜时，可以在这四个掩膜安装孔6-1中同时放置掩膜板，这样就可以一次镀膜得到四种不同形状特征的镀膜沉积层，避免了多次镀膜需要进行掩膜板更换步骤，大大提高了镀膜效率。当基片形状较小或者在基片上只希望得到一个镀膜沉积层时，可以用与掩膜板同样形状大小但是没有开孔的挡板放置于不需要使用的掩膜安装孔6-1内，从而避免在基片上得到不需要的沉积层。

如图7所示，在掩膜支架1的相互垂直的侧面分布有用来通过激光尺测量光路的第一掩膜支架光路口7-1和第二掩膜支架光路口7-2，第一掩膜支架光路口7-1和第二掩膜支架光路口7-2均为长方形。第一掩膜支架光路口7-1的位置与第一激光尺光路口相对应2-3，第二掩膜支架光路口7-2与第二激光尺光路口3-1的位置相对应。具体而言，第一掩膜支架光路口7-1和第二掩膜支架光路口7-2的形状、位置和尺寸需根据安装在真空纳米定位平台3上的两块平面镜的形状与位置尺寸来确定。第一掩膜支架光路口7-1和第二掩膜支架光路口7-2均需要保证激光尺入射光路与反射光路均能顺利通过，否则将会导致外部激光尺无法测量。

如图8所示，所述真空纳米定位平台3包括带有中央凹槽的底座8-6，中央凹槽内设有基片台8-1，基片台8-1的X轴方向经X向柔性铰链固定于底座8-6上，基片台8-1的Y轴方向经Y向柔性铰链固定于底座8-6上，X向柔性铰链上设有X向压电陶瓷驱动器8-3，Y向柔性铰链上设有Y向压电陶瓷驱动器8-5；基片台8-1的X向侧沿上设置有X向光路反射镜8-2，基片台8-1的Y向侧沿上设置有Y向光路反射镜8-4。真空纳米定位平台3的应用过程为：基片4安装于基片台8-1上，给X向压电陶瓷驱动器8-3施加电压后，压电陶瓷驱动器输出位移，经过X向柔性铰链放大后，驱动基片4台沿X方向运动。X向光路反射镜8-2用来反射通过第一激光尺光路口2-3射进来的光路，实现对基片台8-1运动位移的测量。Y方向运动方式与X方向相同。当X、Y向同时运动时，则基片台3-1可以做复杂轨迹运动，从而在基片4上实现复杂轨迹的沉积镀膜。

本发明在实际镀膜时，启停挡板接入口2-4中的启停挡板处于与掩膜支架1的下表面相垂直的位置，蒸镀材料在蒸发室中被加热逸出进入真空腔5，蒸发材料原子或分子运动到掩膜支架1处，大部分蒸发原子或分子被掩膜支架1所阻挡，只有少部分可以通过掩膜支架1上掩膜板的小孔。通过掩膜板小孔的蒸镀原子或分子汇集成为一束，继续向上运动到基片4的表面，基片4在真空纳米定位平台3的驱动下运动。当真空纳米定位平台3进行单轴的运动时，则基片4也随之做单轴运动，这样就在基片4上得到了条纹沉积层。基片4进行单轴运动时有两种方式，一种是在做简单直线运动，另一种是做往复运动。当基片4做简单直线运动时，不会涉及到重复定位精度的问题，但是随之而来的是膜厚控制的问题，所镀膜的厚度可能会不均匀；当基片4做往复运动时镀膜层厚度的均匀性比较好，而重复定位精度则较难保证，会导致所沉积条纹的长度或线宽难以满足要求。具体采用何种运动方式，则根据沉积条纹的用途折衷考虑，选择一个最优的方案。当真空纳米定位平台3进行两轴驱动时，则基片就可以实现一些复杂的运动，例如当真空纳米平台的两轴分别输入正弦信号时，则基片4就可实现圆周运动，这样镀膜沉积层就会呈现圆环形状，从而实现特定形状的镀膜。

本发明从实现条形沉积层到实现其他复杂形状的沉积层不需要更换掩膜板，只需要简单调整控制信号即可实现，大大节约了更换不同形状掩膜板所需的资金与时间成本。

因此，采用了上述结构后，本方案实现了特定形状的镀膜沉积，解决了现有技术中实现特定形状镀膜较为困难的问题。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，包括：

真空腔，该真空腔的顶部固定连接有基准板；

所述基准板上均布有若干个定位孔；

安装于所述基准板下表面的真空纳米定位平台，真空纳米定位平台通过基准板将热量传递给真空腔的腔壁；

所述真空纳米定位平台上安装有基片；

所述真空纳米定位平台的下方设有掩膜支架，掩膜支架与基准板固定连接，且掩膜支架具有掩膜安装孔；

所述真空腔的侧面设有激光尺光路口和多个功能接口；

该真空腔还具有腔体门；

所述真空纳米定位平台包括带有中央凹槽的底座，中央凹槽内设有基片台，基片台的X轴方向经X向柔性铰链固定于底座上，基片台的Y轴方向经Y向柔性铰链固定于底座上，X向柔性铰链上设有X向压电陶瓷驱动器，Y向柔性铰链上设有Y向压电陶瓷驱动器；基片台的X向侧沿上设置有X向光路反射镜，基片台的Y向侧沿上设置有Y向光路反射镜。

2.根据权利要求1所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述真空纳米定位平台驱动基片运动，来实现特定形状镀膜的沉积。

3.根据权利要求2所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述掩膜支架上分布有4个深度互不相同的用于安装掩膜板的掩膜安装孔，实现一次镀膜得到四种不同形状特征的镀膜沉积层。

4.根据权利要求2所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述掩膜支架的投影将所述真空纳米定位平台完全覆盖，使得真空纳米定位平台在镀膜过程中不会受到真空蒸镀上来的原子或分子的影响。

5.根据权利要求1所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述激光尺光路口为两个，两个激光尺光路口分别设置在真空腔的左侧面和后侧面上。

6.根据权利要求5所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，掩膜支架相互垂直的两个侧面分别设置有与所述激光尺光路口对应的掩膜支架光路口，来实现对真空纳米平台运动状态的精确非接触实时监测。

7.根据权利要求3所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述基准板到掩膜支架内表面的距离减去基准板到基片表面的距离即为掩膜板与基片之间的距离。

8.根据权利要求3或7所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述掩膜安装孔呈直线排列。

9.根据权利要求1所述的真空镀膜系统的样品室结构，其特征在于，所述真空腔还设置有观察孔。