CN106756814B - 电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法 - Google Patents

电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法，该装置包括角度准直装置、基片安装夹具、连接螺柱、连接筒、步进电机、步进电机驱动器和计算机，特点在于由基片安装夹具、角度准直装置及其连接螺柱构成倾斜沉积镀膜装置，具有多个不同角度倾斜的电子束蒸发沉积通道，本发明一次镀膜可以实现多片倾斜角度一致或者不一致的“雕塑”薄膜，具有结构简单，性能稳定，可操作性强等特点。

Description

电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法
技术领域
本发明涉及镀膜，特别是一种用于电子束蒸发镀膜机内镀制“雕塑”薄膜的电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法。
背景技术
随着镀膜技术的不断完善和发展，电子束蒸发镀膜技术在工业上成为一项非常广泛应用的镀膜技术，电子束蒸发镀膜机是常用的光学镀膜设备。该设备主要有三大部分组成：真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统，镀膜过程是在真空室内进行的。图1是现有电子束蒸发镀膜机的真空室的结构示意图，主要包括真空系统1、进气装置2、排气阀门3、步进电机4、连接筒5、基片安装夹具6、活动挡板7、角度准直装置8和电子束蒸发源9。
在镀膜前，关好排气阀门3和进气装置2，用真空系统1进行抽真空，得到所需的本底真空度。用进气装置2通入适量的氩气和氧气等，达到所需的比例和真空度，并对基片进行预加热。然后，打开步进电机4，通过连接筒5带动旋转基片安装装置6，打开电子束蒸发源9对膜料加热以蒸发出膜料粒子。打开活动挡板7，膜料粒子沉积到基片上，当沉积了一定厚度的膜层后，关闭挡板7，关闭电子束蒸发源9，冷却后取片，这就完成了单层膜的制备。电子束蒸发镀膜技术成熟，薄膜生长致密均匀，这种常规镀膜方法和设备镀制的薄膜表面均匀，光学性质各向同性。
“雕塑”薄膜是一种采用倾斜沉积技术制备的功能性薄膜。在镀制过程中，控制基片的旋转速度和倾斜角度，可以得到不同形貌和性能的薄膜，如光学各向异性薄膜，双折射薄膜等。“雕塑”薄膜在光学器件和功能器件上都有着广泛的使用前景，在国际上，这种用倾斜沉积技术制备的倾斜纳米柱状结构受到了广大科学工作者的青睐。
目前，采用的倾斜沉积镀膜装置都是通过两个步进电机进行控制。由于镀膜的需要，基片必须固定，每次在倾斜基底上只能放置一个基片，如图6所示。不同实验之间的工艺参数由于设备稳定性的影响，往往是不一样的，对于探索不同的制备工艺对“雕塑”薄膜性能的影响有巨大的挑战。而且，每次只做一片固定倾斜角度的样品对于人力和时间来说都是极大的浪费。一般步进电机本身的使用温度不能超过135摄氏度，限制了实验的温度范围。因此，如何缩短“雕塑”薄膜的研究与开发周期，加快“雕塑”薄膜新产品的产业化进程，是“雕塑”薄膜工作者比较关心的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有倾斜沉积技术镀制雕塑薄膜的缺点和困难，提供一种电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置及使用方法，以实现一次抽真空过程实现不同沉积角度的多片样品。该装置具有简单、实用、灵活、变化自由和可操作性强的特点。
本发明的设计思想是：主动引入带有多个直径相同和不同的基片安装圆孔的基片安装夹具和具备倾斜沉积角度准直作用的角度准直装置，将二者连接构成镀膜倾斜沉积的条件：角度准直装置的圆孔设计精准控制入射粒子流倾斜角度；通过圆盘形基片安装夹具的设计保证各基片之间互不遮挡，增加单次镀制基片的数量；引入步进电机保证镀制基片的同步转动，在保证了原有的三维运动特性和缩短镀制周期的同时减少步进电机的数量，并且镀制温度无高温限制。
本发明的技术解决方案如下：
一种电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置，包括真空系统、进气装置、排气阀门、步进电机、连接筒、基片安装夹具、活动挡板、角度准直装置和电子束蒸发源、步进电机驱动器和计算机，其特点在于由基片安装夹具、角度准直装置及其连接螺柱构成倾斜沉积镀膜装置:
所述的基片安装夹具为圆盘状，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设一个第一基片安装圆孔、连接筒连接螺孔、多个第二基片安装圆孔、多个第三基片安装圆孔、……、多个第m基片安装圆孔和连接螺柱的连接螺孔，所述的第一基片安装圆孔的圆心与基片安装夹具的圆心重合；
所述的角度准直装置是一个和所述的基片安装夹具的直径相同的圆盘，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设有与所述的第一基片安装圆孔、第二基片安装圆孔、多个第三基片安装圆孔、……、多个第m基片安装圆孔相对应的第一圆孔、多个第二圆孔、多个第三圆孔、……、多个第m圆孔和连接螺柱的连接螺孔；
所述的连接螺柱通过所述的基片安装夹具的连接螺孔和所述的角度准直装置的连接螺孔将所述的基片安装夹具和所述的角度准直装置连接在一起后，所述的基片安装夹具的第一基片安装圆孔和所述的角度准直装置第一圆孔构成电子束蒸发0度倾斜沉积通道，所述的第二圆孔与第二基片安装圆孔构成电子束蒸发第二角度倾斜沉积通道，所述的第三圆孔和第三基片安装圆孔构成电子束蒸发第三角度倾斜沉积通道，…、k、…，所述的第m圆孔和第m基片安装圆孔构成电子束蒸发第m角度倾斜沉积通道；
所述的连接筒的下端具有与所述的基片安装夹具的多个螺孔相对应的螺孔，用于连接筒与基片安装夹具的连接；所述的连接筒的侧端具有一对螺孔与步进电机的连接，该步进电机经驱动器与所述的计算机相连；
所述的电子束蒸发源位于基片安装夹具和角度准直装置的中心的正下方位置。
所述的第k基片安装圆孔应满足以下约束关系：
ak＝(h+h1)tanβk (1)
ak1＝h1tanβk (2)
dk＝2[ak-(h+h1)tanαk] (3)
dk1＝2[ak1-h1tanαk] (4)
其中，k＝1、2、…、m；
ak为第k基片安装圆孔的中心到基片安装夹具中轴线的距离；
ak1为角度准直装置中第k圆孔到角度准直装置中轴线的距离；
h为基片安装夹具与角度准直装置之间的垂直距离；
h1为电子束蒸发源到角度准直装置的垂直距离；
dk为基片安装夹具的第k基片安装圆孔的直径；
dk1为角度准直装置的第k圆孔的直径；
βk为沉积角度，即第k基片安装圆孔的中心和角度准直装置第k圆孔的中心的连线与所述的基片安装夹具的中轴线的角度；
αk为辅助分析角度，即第k基片安装圆孔边缘过角度准直装置边缘的连线与所述的基片安装夹具中轴线的角度。
上述电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置的使用方法，该方法的步骤如下：
1)根据电子束蒸发倾斜沉积镀膜的沉积角度βk和h,h1,ak,ak1,dk,dk1的约束关系，设计并加工所述的基片安装夹具、角度准直装置及其连接螺柱；
2)用连接螺柱通过基片安装夹具的连接螺孔和角度准直装置的连接螺孔将基片安装夹具和角度准直装置连接固定成一个整体，然后将这个整体通过连接筒与步进电机连接在一起，即把基片安装夹具上对称分布的连接螺孔与连接筒底部的螺孔用螺钉连接起来，将连接筒侧面的螺孔与步进电机相连；
3)将电子束蒸发源改装到基片安装夹具和角度准直装置的中心正下方位置；
4)将待镀膜的基片安装在相应的第k基片安装圆孔内，按常规抽真空、充入氩气等，打开电子束蒸发源对膜料加热，打开活动挡板，电子束流经过角度准直装置蒸发到基片安装夹具上，步进电机带动角度准直装置和基片安装夹具匀速旋转，保证镀膜均匀。
本发明的技术效果：
传统的电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置，一次只能镀制一片某个角度的薄膜样品，本发明有以下优点：
1.本发明方便易行，取下真空室内原有的常规夹具，换上本发明的发明装置即满足倾斜沉积镀膜条件；
2.本发明的基片安装夹具和角度准直装置满足单次工作镀制多片相同沉积角度和不同沉积角度的样品，包括基片的水平常规镀膜；
3.本发明装置在满足倾斜沉积控制精度的条件下，还满足加热条件下制备“雕塑”薄膜。
4.本发明使用步进电机通过连接筒驱动基片安装夹具的转动，精确控制镀膜过程中的旋转速度。
附图说明
图1是现有电子束蒸发镀膜机的真空室结构示意图
图2是本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置带步进电机二维几何关系示意图
图3是本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置不带步进电机的三维示意图
图4是本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置的角度准直装置的俯视图
图5是本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置的连接筒实施例的正视图和俯视图
图6是传统电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置
具体实施方式
请先参阅图1、图2，从图看出，本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置，包括真空系统1、进气装置2、排气阀门3、步进电机4、连接筒5、基片安装夹具6、活动挡板7、角度准直装置8和电子束蒸发源9、步进电机驱动器和计算机，由基片安装夹具6、角度准直装置8及其连接螺柱10构成倾斜沉积镀膜装置:
参阅图3，所述的基片安装夹具6为圆盘状，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设一个第一基片安装圆孔61、连接筒连接螺孔65、多个第二基片安装圆孔62、多个第三基片安装圆孔63、……、多个第m基片安装圆孔和连接螺柱的连接螺孔64，所述的第一基片安装圆孔61的圆心与基片安装夹具6的圆心重合；
参阅图4，所述的角度准直装置8是一个和所述的基片安装夹具6的直径相同的圆盘，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设有与所述的第一基片安装圆孔61、第二基片安装圆孔62、多个第三基片安装圆孔63、……、多个第m基片安装圆孔相对应的第一圆孔81、多个第二圆孔82、多个第三圆孔83、……、多个第m圆孔和连接螺柱的连接螺孔84；
所述的连接螺柱10通过所述的基片安装夹具6的连接螺孔64和所述的角度准直装置8的连接螺孔84将所述的基片安装夹具6和所述的角度准直装置8连接在一起后，所述的基片安装夹具6的第一基片安装圆孔61和所述的角度准直装置8第一圆孔81构成电子束蒸发0度倾斜沉积通道，所述的第二圆孔82与第二基片安装圆孔62构成电子束蒸发第二角度倾斜沉积通道，所述的第三圆孔83和第三基片安装圆孔63构成电子束蒸发第三角度倾斜沉积通道，…、k、…，所述的第m圆孔和第m基片安装圆孔构成电子束蒸发第m角度倾斜沉积通道；
所述的连接筒5的下端具有与所述的基片安装夹具的多个螺孔65相对应的螺孔，用于连接筒5与基片安装夹具6的连接；所述的连接筒5的侧端具有一对螺孔与步进电机4的连接，该步进电机4经驱动器与所述的计算机相连；
所述的电子束蒸发源9位于基片安装夹具6和角度准直装置8的中心的正下方；
参阅图2，所述的第k基片安装圆孔应满足以下约束关系：
ak＝(h+h1)tanβk (1)
ak1＝h1tanβk (2)
dk＝2[ak-(h+h1)tanαk] (3)
dk1＝2[ak1-h1tanαk] (4)
其中，k＝1、2、…、m；
ak为第k基片安装圆孔的中心到基片安装夹具中轴线的距离；
ak1为角度准直装置中第k圆孔到角度准直装置中轴线的距离；
h为基片安装夹具与角度准直装置之间的垂直距离；
h1为电子束蒸发源到角度准直装置的垂直距离；
dk为基片安装夹具的第k基片安装圆孔的直径；
dk1为角度准直装置的第k圆孔的直径；
βk为沉积角度，即第k基片安装圆孔的中心和角度准直装置第k圆孔的中心的连线与所述的基片安装夹具的中轴线的角度；
αk为辅助分析角度，即第k基片安装圆孔边缘过角度准直装置边缘的连线与所述的基片安装夹具中轴线的角度。
参阅图5，所述的连接筒5的下端具有与所述的基片安装夹具的多个螺孔65相对应的螺孔，用于连接筒5与基片安装夹具6的连接；所述的连接筒5的侧端具有一对螺孔与步进电机4的连接，该步进电机4经驱动器与所述的计算机相连。
所述的电子束蒸发源9位于所述的基片安装夹具6和角度准直装置8的中心正下方位置，在镀膜前，将基片安装夹具和角度准直装置通过连接螺柱用垫圈和六角螺帽固定成一个整体，通过连接筒连接步进电机，这样操作简单、灵活且实用。
本发明电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置的实施例1，基片安装夹具每一种规格的圆孔对应一种倾斜沉积角度，改变倾斜角度可通过改变基片安装夹具和角度准直装置的设计参数实现，本实施例三种倾斜沉积角度分别为0度、30度和60度每种沉积角度可放置的样品基片分别为1片、6片和12片。使用中间的6个第二基片安装圆孔62，镀制倾斜角度为30度的“雕塑”薄膜样品，使用12个第三基片安装圆孔63，镀制倾斜角度为60度的“雕塑”薄膜样品。第二、三基片安装圆孔的中心到基片安装夹具中轴线的距离为a2、a3，第二、第三基片安装圆孔的直径为d2、d3，角度准直装置中第二、三圆孔到角度准直装置中轴线的距离为a21,a31,角度准直装置的第二、三圆孔的直径为d21＝d31,第二、三基片的倾斜沉积角度为β1＝30°，β2＝60°，它们与已知的参数h,h1,d21＝d31满足关系：a2＝(h+h1)tan30°、a21＝h1tan30°、a3＝(h+h1)tan60°、a31＝h1tan60°、d2＝2[a2-(h+h1)(a21-0.5d21)/h1]、d3＝2[a3-(h+h1)(a31-0.5d31)/h1]，并且满足d2<0.5(h+h1)、d3<0.5(h+h1)。
第一步：选择需要镀膜的空白基片，把基片清洗处理后放在已经设计好的第二、三基片安装圆孔62和63上，并用螺钉固定好。
第二步：用连接螺柱10通过基片安装夹具6的连接螺孔64和角度准直装置8的连接螺孔84将基片安装夹具和角度准直装置连接固定成一个整体，然后将这个整体通过连接筒5与步进电机4连接在一起，即把基片安装夹具6上对称分布的连接螺孔65与连接筒底部的螺孔12，13，14，15用螺钉连接起来，将连接筒侧面的螺孔11与步进电机4相连；
第三步：将电子束蒸发源9放置在到基片安装夹具6和角度准直装置8的中心正下方位置；
第四步：按常规抽真空、充入氩气等，打开电子束蒸发源9对膜料加热，打开活动挡板7，电子束流经过角度准直装置8蒸发到基片安装夹具6上，步进电机4带动角度准直装置8和基片安装夹具6匀速旋转，保证镀膜均匀。一定的时间后，完成镀膜，关闭活动挡板，关闭电子束蒸发源。
第五步：冷却后取片。
综上所述，本发明通过设计基片安装夹具、角度准直装置、连接螺柱，结合计算机控制步进电机转动，实现一次性可以镀制多片不同倾斜角度的“雕塑”薄膜，方便使用且操作简单，解决了雕塑薄膜实际制备的难题，节省了时间。

Claims (2)

1.一种电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置，包括真空系统(1)、进气装置(2)、排气阀门(3)、步进电机(4)、连接筒(5)、基片安装夹具(6)、活动挡板(7)、角度准直装置(8)和电子束蒸发源(9)、步进电机驱动器和计算机，其特征在于由基片安装夹具(6)、角度准直装置(8)及其连接螺柱(10)构成倾斜沉积镀膜装置：
所述的基片安装夹具(6)为圆盘状，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设一个第一基片安装圆孔(61)、连接筒连接螺孔(65)、多个第二基片安装圆孔(62)、多个第三基片安装圆孔(63)、……、多个第m基片安装圆孔和连接螺柱的连接螺孔(64)，所述的第一基片安装圆孔(61)的圆心与基片安装夹具(6)的圆心重合；
所述的角度准直装置(8)是一个和所述的基片安装夹具(6)的直径相同的圆盘，自该圆盘的中心至外沿，在不同直径的圆上中心对称地依次布设有与所述的第一基片安装圆孔(61)、第二基片安装圆孔(62)、多个第三基片安装圆孔(63)、……、多个第m基片安装圆孔相对应的第一圆孔(81)、多个第二圆孔(82)、多个第三圆孔(83)、……、多个第m圆孔和连接螺柱的连接螺孔(84)；
所述的连接螺柱(10)通过所述的基片安装夹具(6)的连接螺孔(64)和所述的角度准直装置(8)的连接螺孔(84)将所述的基片安装夹具(6)和所述的角度准直装置(8)连接在一起后，所述的基片安装夹具(6)的第一基片安装圆孔(61)和所述的角度准直装置(8)第一圆孔(81)构成电子束蒸发0度倾斜沉积通道，所述的第二圆孔(82)与第二基片安装圆孔(62)构成电子束蒸发第二角度倾斜沉积通道，所述的第三圆孔(83)和第三基片安装圆孔(63)构成电子束蒸发第三角度倾斜沉积通道，…、k、…，所述的第m圆孔和第m基片安装圆孔构成电子束蒸发第m角度倾斜沉积通道；
所述的连接筒(5)的下端具有与所述的基片安装夹具的多个螺孔(65)相对应的螺孔，用于连接筒(5)与基片安装夹具(6)的连接；所述的连接筒(5)的侧端具有一对螺孔与步进电机(4)的连接，该步进电机(4)经驱动器与所述的计算机相连；
所述的电子束蒸发源(9)位于基片安装夹具(6)和角度准直装置(8)的中心的正下方；
所述的第k基片安装圆孔应满足以下约束关系：
ak＝(h+h1)tanβk (1)
ak1＝h1tanβk (2)
dk＝2[ak-(h+h1)tanαk] (3)
dk1＝2[ak1-h1tanαk] (4)
其中，k＝1、2、…、m；
ak为第k基片安装圆孔的中心到基片安装夹具中轴线的距离；
ak1为角度准直装置中第k圆孔到角度准直装置中轴线的距离；
h为基片安装夹具与角度准直装置之间的垂直距离；
h1为电子束蒸发源到角度准直装置的垂直距离；
dk为基片安装夹具的第k基片安装圆孔的直径；
dk1为角度准直装置的第k圆孔的直径；
βk为沉积角度，即第k基片安装圆孔的中心和角度准直装置第k圆孔的中心的连线与所述的基片安装夹具的中轴线的角度；
αk为辅助分析角度，即第k基片安装圆孔边缘过角度准直装置边缘的连线与所述的基片安装夹具中轴线的角度。
2.权利要求1所述的电子束蒸发倾斜沉积镀膜装置的使用方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)根据电子束蒸发倾斜沉积镀膜的沉积角度βk和h,h1,ak,ak1,dk,dk1的约束关系，设计并加工所述的基片安装夹具(6)、角度准直装置(8)及其连接螺柱(10)；
2)用连接螺柱(10)通过基片安装夹具(6)的连接螺孔(64)和角度准直装置(8)的连接螺孔(84)将基片安装夹具和角度准直装置连接固定成一个整体，然后将这个整体通过连接筒(5)与步进电机(4)连接在一起，即把基片安装夹具(6)上对称分布的连接螺孔(65)与连接筒底部的螺孔(12、13、14、15)用螺钉连接起来，将连接筒侧面的螺孔(11)与步进电机(4)相连；
3)将电子束蒸发源(9)改装到基片安装夹具(6)和角度准直装置(8)的中心正下方位置；
4)将待镀膜的基片安装在相应的第k基片安装圆孔内，按常规抽真空、充入氩气，打开电子束蒸发源(9)对膜料加热，打开活动挡板(7)，电子束流经过角度准直装置(8)蒸发到基片安装夹具(6)上，步进电机(4)带动角度准直装置(8)和基片安装夹具(6)匀速旋转，保证镀膜均匀。
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