CN105887020B - 多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法 - Google Patents

多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及真空镀膜技术领域，尤其是一种多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法，其特征在于：在所述真空镀膜室内设置有多个膜厚控制仪，其中一个所述膜厚控制仪设置在所述工件伞架的中心位置用于监控所述镀膜基片上的镀膜速率，其余的所述膜厚控制仪与所述蒸发源构成一一对应以分别监控和调节每个所述蒸发源的蒸发速率。本发明的优点是：实现多蒸发源同时镀膜，精确控制蒸发源的镀膜速率和蒸发角；装置结构简单合理，使用方便，自动化程度高，所镀的多组分膜层均匀性好，质量高。

Description

多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，尤其是一种多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法。
背景技术
在真空镀膜技术领域，往往需要将多种膜料进行同时镀膜以制备具有特定光学、电学等物理特性的功能薄膜。比如，在光学薄膜制备过程中，为了得到中间折射率的膜层，可以将高折射率材料（如 Ta2O5、Nb2O5和ZrO2）和低折射率材料（如SiO2和MgF2）同时蒸镀来得到所需折射率的材料。对于不同的膜料，其熔点和导电性等往往不同，因此，需要将不同膜料分别置于不同的坩埚，并采用不同的蒸发条件同时镀膜。在这种情况下，如何实时地监测和控制不同膜料的蒸发速率是能否得到理想的多组分薄膜所需要解决的技术问题。很多情况下，技术人员采用调节不同蒸发源镀膜参数的方法，通过多次试验来确定理想的工艺条件。但上述经验性方法具有较大的盲目性，不满足可控和节约的镀膜要求；同时也无法对镀膜过程中各种膜料的蒸发速率进行实时监控和调节。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了多蒸发源镀膜装置及其镀膜方法，通过膜厚检测仪对膜料的蒸发速率和蒸发角进行实时地精确监控，实现多蒸发源同时镀膜，提高了多组分膜层的镀膜精度。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种多蒸发源镀膜装置，所述装置包括一真空镀膜室，所述真空镀膜室内固定设置有工件伞架，所述工件伞架上承载有若干镀膜基片，所述工件伞架下方设置有至少两个蒸发源，其特征在于：在所述真空镀膜室内设置有多个膜厚控制仪，其中一个所述膜厚控制仪设置在所述工件伞架的中心位置用于监控所述镀膜基片上的镀膜速率，其余的所述膜厚控制仪与所述蒸发源构成一一对应以分别监控和调节每个所述蒸发源的蒸发速率。
与所述蒸发源构成一一对应的所述膜厚控制仪由膜厚控制探头、角度调节机构、安装法兰、位置控制机构和信号发生器构成，其中所述膜厚控制探头朝向所述蒸发源，所述角度调节机构连接控制所述膜厚控制探头转动，所述安装法兰用于将所述膜厚控制仪固定安装到所述真空镀膜室上，所述位置控制机构用于控制所述膜厚控制探头中的多个探头单元的转动，所述信号发生器与所述膜厚控制探头相连接以激发所述探头单元。
一种涉及上述的一种多蒸发源镀膜装置的镀膜方法，该方法用于真空镀膜室中多蒸发源共同蒸发时的镀膜，其特征在于：所述镀膜方法至少包括以下步骤：
将第一种膜料放入第一蒸发源，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制仪的入射角度，通过与第一蒸发源相对应的第一膜厚控制仪以及设置于工件伞架中心处的膜厚控制仪测量第一蒸发源的镀膜速率，并计算两个镀膜速率之间的比值；
将第二种膜料放入第二蒸发源，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制仪的入射角度，通过与第二蒸发源相对应的第二膜厚控制仪以及设置于工件伞架中心处的膜厚控制仪测量第二蒸发源的镀膜速率，并计算两个镀膜速率之间的比值；
依此往复，计算每种膜料的蒸发源的镀膜速率及其比值；
选择共同蒸发的多种膜料形成的多组分膜层所需的每种蒸发源在位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪的镀膜速率；
利用已经测量得到的每种膜料的蒸发源的镀膜速率与位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪的镀膜速率的比值计算每种膜料的蒸发源的在其所对应的所述膜厚控制仪上的镀膜速率，并选择相应的所述膜厚控制仪的入射角度；
将每种膜料的蒸发速率设置到与其所对应的所述膜厚控制仪之中，将所述多组分膜层所需的镀膜厚度设置到位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪之中；
将每种膜料分别放入对应的蒸发源内，开始共同蒸发进行镀膜，直至所述多组分膜层的镀膜厚度满足需要。
调整所述膜厚控制仪的入射角度指的是，通过角度调节机构转动所述膜厚控制仪中的膜厚控制探头，从而改变膜料进入所述膜厚控制探头的入射角度。
在所述蒸发源的上方设置有膜厚修正板，通过调整膜厚修正板的位置和结构实现膜层在整个工件伞架上的均匀分布。
本发明的优点是：实现多蒸发源同时镀膜，精确控制蒸发源的镀膜速率和蒸发角；装置结构简单合理，使用方便，自动化程度高，所镀的多组分膜层均匀性好，质量高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中膜厚控制仪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-2所示，图中标记1-17分别表示为：真空镀膜室1、第一蒸发源2、第二蒸发源3，第一挡板4、第二挡板5、第一膜厚控制仪6、第二膜厚控制仪7、第三膜厚控制仪8、工件伞架9、镀膜基片10、离子源11、膜厚修正板12、膜厚控制探头13、角度调节机构14、安装法兰15、位置控制机构16、振荡包17。
实施例：如图1所示，本实施例中的多蒸发源镀膜装置包括一真空镀膜室1，真空镀膜室1的内部腔室作为镀膜的空间。以两个蒸发源为例，在真空镀膜室1的底部分别设置有第一蒸发源2和第二蒸发源3，在镀膜时，在第一蒸发源2和第二蒸发源3内分别放入不同的膜料以蒸镀多组分膜层。在第一蒸发源2和第二蒸发源3的上方分别设置有第一挡板4和第二挡板5，第一挡板4和第二挡板5上分别设置有开口，开口满足只允许从蒸发源发射的部分蒸发角度的膜料分子从开口通过的要求，同时，经过开口的膜料分子至少能够覆盖整个工件伞架9，即第一挡板4和第二挡板5分别用于控制第一蒸发源2和第二蒸发源3的蒸发角，与没有开口的情形相比较，两个蒸发源的膜料发射角经过各自开口调节后，两个膜料发射角存在较大的不重叠区域。
在真空镀膜室1的顶部设置有工件伞架9，若干镀膜基片10均匀承载在工件伞架9上。工件伞架9于使用时由一转动机构驱动，使其在真空镀膜室1内转动，从而使膜料均匀蒸镀在若干镀膜基片10的表面。
为了满足镀膜的均一性要求，在第一蒸发源2、第二蒸发源3与工件伞架9之间设置有两块膜厚修正板12，两块膜厚修正板12的一侧端部分别连接固定在真空镀膜室1的内壁上。膜厚修正板12用于遮挡部分膜料分子，从而使整个工件伞架9上的镀膜基片10的膜层均一。在第一蒸发源2和第二蒸发源3之间设置辅助蒸发的离子源11，离子源11固定设置在真空镀膜室1的底部。
在真空镀膜室1的两侧分别固定设置有第一膜厚控制仪6和第二膜厚控制仪7，第一膜厚控制仪6和第二膜厚控制仪7的设置位置分别与第一蒸发源2和第二蒸发源3的位置相对应，即第一膜厚控制仪6位于第一蒸发源2的膜料分子能够到达的位置，第二膜厚控制仪7位于第二蒸发源3的膜料分子能够达到的位置，从而使第一膜厚控制仪6和第二膜厚控制仪7可分别监控和调节第一蒸发源或第二蒸发源的蒸发速率。
第三膜厚控制仪8设置于工件伞架9的中心位置，用于监控第一蒸发源2和第二蒸发源3的共同蒸发速率，即所需的多组分膜层的镀膜速率。第三膜厚控制仪8的探头垂直向下。
本实施例中第一膜厚控制仪6和第二膜厚控制仪7的结构相同。如图2所示，第一、第二膜厚控制仪由膜厚控制探头13、角度调节机构14、安装法兰15、位置控制机构16和振荡包17组成。膜厚控制探头13接受膜料分子入射，从而探测从蒸发源蒸发出的膜料分子的镀膜速率和镀膜厚度；当改变膜料分子进入探头的入射角度且其他条件不变的情况时，膜厚控制探头13所探测到的镀膜速率和镀膜厚度会发生变化。角度调节机构14与膜厚控制探头13相连接并控制其转动，从而改变膜料分子进入膜厚控制探头13的入射角度。安装法兰15用于将装置整体固定安装在真空镀膜室1的特定位置。位置控制机构16用于连接控制膜厚控制探头13中的多个探头单元的转动，在很多情况下，膜厚控制探头13中的探头单元为多点设置，即通过位置控制机构16允许多个探头单元分别进行膜厚监控，从而保证监控精度。作为信号发生器的振荡包17用于引起设置在膜厚控制探头13内的作为探头单元的石英晶振片以特定频率振动。本实施例中的第三膜厚控制仪8由于只需要保证其膜厚控制探头13始终朝向工件伞架9，因此无需设置角度调节机构14。
本实施例中在镀膜时采用两种不同膜料共同蒸发以在镀膜基片10上形成包含两种组分的膜层。在镀膜时，具有如下镀膜方法：
1）将第一种膜料放入第一蒸发源2，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制探头13的入射角度，通过第一膜厚控制仪6和第三膜厚控制仪8分别测量第一蒸发源2的镀膜速率及两个镀膜速率之间的比值系列R1。
2）将第二种膜料放入第二蒸发源3，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制探头13的入射角度，通过第二膜厚控制仪7和第三膜厚控制仪8分别测量第二蒸发源3的镀膜速率及两个镀膜速率之间的比值的系列R2。
3）选择共同蒸发的第一种膜料和第二种膜料形成的多组分膜层所需的第一蒸发源2和第二蒸发源3在位于工件伞架中心处的第三膜厚控制仪8的镀膜速率R31和R32；此步骤中的“选择”指的是根据多组分膜层的化学配比计算R31和R32的之间的比例，根据工艺需要选择R31和R32的具体数值。
4）利用已经测量得到的每种膜料的蒸发源的镀膜速率与位于工件伞架中心处的膜厚控制仪的镀膜速率的比值，从中选择一组R1和R2，计算在满足镀膜速率R31和R32条件下，每种膜料的蒸发源的在其所对应的膜厚控制仪上的镀膜速率R1/和 R2/，其中，R1/=R31*R1和 R2/ =R32*R2，并记录R1和R2所对应的膜厚控制仪的入射角度A10和A20。
5）通过角度调节机构14调节膜厚控制探头13的入射角度为A10和A20，将 R1/和R2/ 分别设置到第一膜厚控制仪6和第二膜厚控制仪7，第一膜厚控制仪7和第二膜厚控制仪7便可根据镀膜速率R1/和 R2/分别控制第一蒸发源2和第二蒸发源3的蒸发速率。在第三膜厚控制仪8设置所需多组分膜层的镀膜厚度。调节膜厚控制探头13的目的是为了避免膜料分子入射角度的不同对于其镀膜速率测量的影响，提高了镀膜速率的测量精度，从而进一步提高了镀膜速率的控制精度。
6）将第一种膜料放入第一蒸发源2，将第二种膜料放入第二蒸发源3，开始共蒸过程直至第三膜厚控制仪8测得的多组分膜层的镀膜厚度已经达到要求。
7）镀膜过程中可以利用离子源11进行辅助镀膜。
8）可以利用膜厚修正板12实现膜层在整个工件伞架9上均匀分布。
这样一来，通过对于膜料蒸发角的选择性遮挡和膜厚监测系统的合理配置实现精确控制多蒸发源同时镀膜的目的。
本实施例在具体实施时：蒸发源的数量可根据实际需要而定，当需要在镀膜基片10上镀包含两种以上组分的多组分膜层时，在真空镀膜室1内设置与组分数量相对应的蒸发源，同时也相应设置与蒸发源数量相对应的膜厚控制仪、挡板、膜厚修正板等一系列部件；而对于每种膜料的镀膜速率的控制，均可由与其对应设置的膜厚控制仪监控和调节。
各膜厚控制仪可连接至一微机或控制器等进行自动化控制，从而实现镀膜过程中对多蒸发源的实时监控、调节，从而提高多组分膜层的镀膜质量。
本实施例中的膜厚控制仪为石英晶体膜厚控制仪，而当膜厚控制仪为光学膜厚控制仪时，振荡包17替换为光源，而探头单元为光学监控玻璃。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，如：真空镀膜室1内的布局，各辅助功能部件（如挡板5、膜厚修正板12等）的具体结构、大小等，故在此不一一赘述。

Claims (5)

1.一种多蒸发源镀膜装置的镀膜方法，该方法用于真空镀膜室中多蒸发源共同蒸发时的镀膜，所述装置包括一真空镀膜室，所述真空镀膜室内固定设置有工件伞架，所述工件伞架上承载有若干镀膜基片，所述工件伞架下方设置有至少两个蒸发源，其特征在于：在所述真空镀膜室内设置有多个膜厚控制仪，其中一个所述膜厚控制仪设置在所述工件伞架的中心位置用于监控所述镀膜基片上的镀膜速率，其余的所述膜厚控制仪与所述蒸发源构成一一对应以分别监控和调节每个所述蒸发源的蒸发速率；
所述镀膜方法至少包括以下步骤：
将第一种膜料放入第一蒸发源，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制仪的入射角度，通过与第一蒸发源相对应的第一膜厚控制仪以及设置于工件伞架中心处的膜厚控制仪测量第一蒸发源的镀膜速率，并计算两个镀膜速率之间的比值；
将第二种膜料放入第二蒸发源，然后开始镀膜过程，设置不同蒸发速率和不同的膜厚控制仪的入射角度，通过与第二蒸发源相对应的第二膜厚控制仪以及设置于工件伞架中心处的膜厚控制仪测量第二蒸发源的镀膜速率，并计算两个镀膜速率之间的比值；
依此往复，计算每种膜料的蒸发源的镀膜速率及其比值；
选择共同蒸发的多种膜料形成的多组分膜层所需的每种蒸发源在位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪的镀膜速率；
利用已经测量得到的每种膜料的蒸发源的镀膜速率与位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪的镀膜速率的比值计算每种膜料的蒸发源的在其所对应的所述膜厚控制仪上的镀膜速率，并选择相应的所述膜厚控制仪的入射角度；
将每种膜料的蒸发速率设置到与其所对应的所述膜厚控制仪之中，将所述多组分膜层所需的镀膜厚度设置到位于工件伞架中心处的所述膜厚控制仪之中；
将每种膜料分别放入对应的蒸发源内，开始共同蒸发进行镀膜，直至所述多组分膜层的镀膜厚度满足需要。
2.根据权利要求1所述的一种多蒸发源镀膜装置的镀膜方法，其特征在于：调整所述膜厚控制仪的入射角度指的是，通过角度调节机构转动所述膜厚控制仪中的膜厚控制探头，从而改变膜料进入所述膜厚控制探头的入射角度。
3.根据权利要求1所述的一种多蒸发源镀膜装置的镀膜方法，其特征在于：在所述蒸发源的上方设置有膜厚修正板，通过调整膜厚修正板的位置和结构实现膜层在整个工件伞架上的均匀分布。
4.一种实现权利要求1所述的多蒸发源镀膜装置的镀膜方法的多蒸发源镀膜装置，其特征在于：包括多个膜厚控制仪，其中一个所述膜厚控制仪设置在所述工件伞架的中心位置用于监控所述镀膜基片上的镀膜速率，其余的所述膜厚控制仪与所述蒸发源构成一一对应以分别监控和调节每个所述蒸发源的蒸发速率。
5.根据权利要求4所述的一种实现多蒸发源镀膜装置的镀膜方法的多蒸发源镀膜装置，其特征在于：与所述蒸发源构成一一对应的所述膜厚控制仪由膜厚控制探头、角度调节机构、安装法兰、位置控制机构和信号发生器构成，其中所述膜厚控制探头朝向所述蒸发源，所述角度调节机构连接控制所述膜厚控制探头转动，所述安装法兰用于将所述膜厚控制仪固定安装到所述真空镀膜室上，所述位置控制机构用于控制所述膜厚控制探头中的多个探头单元的转动，所述信号发生器与所述膜厚控制探头相连接以激发所述探头单元。
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