CN109136861B - 一种高精度直写式真空镀膜设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度直写式真空镀膜设备及方法，它解决了现有技术中存在的镀膜精度无法保证，镀膜特性较为单一的问题，具有满足镀膜过程中高精度，微尺度等特性的有益效果，其方案如下：一种高精度直写式真空镀膜设备，包括掩膜基座，掩膜基座设置通孔；微动平台，微动平台设置通槽，且微动平台支撑于掩膜基座端面；基片架，基片架端部设置基片，且基片架部分卡设于通槽内，基片朝向通孔设置，在微动平台的带动下，基片架及基片在设定平面内微动运动，靶材通过掩膜孔进入从而将靶材沉积于基片表面。

Description

一种高精度直写式真空镀膜设备及方法

技术领域

本发明涉及高精密的真空镀膜装置，特别是涉及一种高精度直写式真空镀膜设备及方法。

背景技术

真空镀膜作为一种端面镀膜加工方式，其原理是将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积在特定衬底上实现金属化沉积成型，可实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移。真空镀膜作为一种新型的增材制造的加工工艺，可获得具有膜/基结合力好、薄膜密度均匀、薄膜厚度可控、薄膜成分稳定和薄膜宽度具有纳米级分辨力等优点的膜层。

现有的真空镀膜装置存在很大的局限性。其中大多数的真空镀膜装置多用于大型镀件，其镀膜精度无法保证；现有的可加工纳米级精度的真空镀膜装置，其只能对衬底基片的表面镀膜，无法加工出具有不同形式特性的膜层。

因此，需要对一种高精度直写式真空镀膜设备进行新的研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高精度直写式真空镀膜设备，可实现不同特性膜层的设置，而且可满足镀膜过程中高精度，微尺度等特性。

一种高精度直写式真空镀膜设备的具体方案如下：

一种高精度直写式真空镀膜设备，包括：

掩膜基座，掩膜基座设置通孔；

微动平台，微动平台设置通槽，且微动平台支撑于掩膜基座端面；

基片架，基片架端部设置基片，且基片架部分卡设于通槽内，基片朝向通孔设置，在微动平台的带动下，基片架及基片在设定平面内微动运动，靶材通过通孔进入从而将靶材沉积于基片表面。

进一步地，所述微动平台包括平台基体，所述通槽开设于平台基体中心，平台基体通槽的至少一侧安装有驱动器以驱动基片架的运动。

进一步地，所述平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置安装槽，所述驱动器通过安装槽进行安装，安装槽与通槽通过通槽壁隔开，驱动器安装于X方向和Y方向，用于带动推动基片架的XY平面内运动。

进一步地，所述驱动器为压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器与基于柔性铰链结构的放大机构连接，从而放大输入端位移，实现微纳尺度的运动，放大机构为杠杆放大机构，其与通槽壁(与平台基体为一体)接触或连接，以通过通槽壁带动基片架的运动，基于柔性铰链结构的放大机构的输出位移方向(XY平面)垂直于压电陶瓷驱动器的安装方向。

进一步地，所述平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置用于测定基片架移动位移的位移传感器，位移传感器为光栅传感器，通过检测微动平台的 X、Y方向的输出位移，相应实现基片架的移动位移；

进一步地，同一方向所述位移传感器与所述的驱动器分别设于所述基片架的两侧。

进一步地，所述基片架包括用于与所述微动平台连接的安装块和与安装块连接的凸块，凸块与所述的通槽配合。

进一步地，所述凸块端部开有基片安装槽，基片安装槽内安装所述的基片，基片的外表面与所述凸块端面平齐，基片与基片架的凸块胶连在一起，实现基片在XY平面内的自由运动。

进一步地，所述掩膜基座一端通过掩膜安装座设置掩膜，掩膜开孔使靶材粒子束流通过掩膜开孔，形成微米级直径的粒子束。掩膜安装座设于掩膜基座内凹处，掩膜和掩膜安装座设置与通孔处于同一中心轴线的开孔，安装后的掩膜与基片具有设定的距离；膜层的高度与长度是纳米级别的精度，膜层宽度的精度是由掩膜开孔的尺寸决定，膜层宽度的精度是在微米级别。

所述基片架端部、基片外表面和微动平台的端面在同一平面，微动平台与掩膜基座固定后，因掩膜基座端侧内凹，掩膜安装后距离掩膜基座端面有设定距离，这个距离就等于掩膜与基片的距离。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种高精度直写式真空镀膜设备的装配方法，具体步骤如下：

1)将基片安装于基片架端部，且基片外表面与基片架靠近基片的外端面处于同一平面；

2)将基片架与微动平台通过过渡装配的方式进行连接；

3)在掩膜基座端面通过掩膜安装座设置掩膜，掩膜外端面与掩膜基座靠近掩膜的端面之间的距离为设定值；

4)将微动平台安装于掩膜基座；

其中，步骤3)可在步骤1)、步骤2)之前操作。

此外，步骤3)中保证掩膜外端面与掩膜基座靠近掩膜的端面之间的距离为设定值的方法如下：

采用胶连的方式将掩膜与掩膜安装座端面连接在一起。在掩膜端面覆盖厚度为3um的薄膜(掩膜端面与基片的距离由薄膜的厚度决定)，将掩膜基座、掩膜与薄膜翻转静置在大理石平面。长时间静置之后，薄膜与掩膜基座端面在同一平面，揭掉掩膜端面的薄膜。装配完成后，基片下表面与掩膜上端面之间的垂直距离为3um。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种高精度镀膜方法，采用所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，具体步骤如下：

1)对设定的靶材电子束加热蒸发形成气态靶材束；

2)将气态靶材束通过掩膜基座的通孔喷向基片；

3)控制微动平台做设定的轨迹运动，实现纳米精度金属化沉积成型的膜层制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的整个镀膜方法，在镀膜过程中蒸发源固定，微动平台带动基片架运动，在基片表面实现具有不同特性的膜层镀设。

2)本发明通过微动平台的设置，可满足镀膜过程中高精度，微尺度等特性，从而使得镀膜形状，宽度，厚度完全可控。

3)本发明通过基片架端面与基片保持在同一水平面上，从而确定了基片在 Z方向具体位置。

4)本发明提供的装配方法，可实现基片架反复拆卸，保证了基片架与微动平台在装配后不存在任何的装配间隙，可使基片精确的跟随微动平台的运动，消除基片架的运动跟随误差。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的微动平台结构图；

图3为本发明的基片架结构图；

图4为本发明的掩膜基座结构图；

图5为本发明的整体结构剖视图；

其中，1-微动平台，101-X向光栅传感器，103-Y向光栅传感器，102-X向光栅安装基座，104-Y向光栅安装基座，105-装配螺纹孔，106-X向压电陶瓷安装凸台，114-Y向压电陶瓷安装凸台，107-固定螺纹孔，108-X向压电陶瓷驱动器，112-Y 向压电陶瓷驱动器，109-装配光孔，110-基于柔性铰链结构的放大机构，111-压电陶瓷安装孔，113-压电陶瓷预紧螺钉。

2-基片架，201-第一装配光孔，203-第二装配光孔，202-第一装配螺纹孔， 204-第二装配螺纹孔，205-基片安装槽，206-安装块，207-凸块，208-基片。

3-掩膜基座，301-通孔，302-平台装配螺纹孔，303-掩膜安装座，304-基座上端面，305-掩膜。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高精度直写式真空镀膜设备。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种高精度直写式真空镀膜设备，包括掩膜基座3，掩膜基座3设置通孔301；微动平台1，微动平台1设置通槽，且微动平台1支撑于掩膜基座3上端面；基片架2，基片架2端部设置基片，且基片架部分卡设于通槽内，基片208朝向通孔301设置，在微动平台1 的带动下，基片架2及基片208在设定平面内微动运动，靶材通过通孔301进入从而将靶材沉积于基片208表面。

如图2所示，微动平台1包括平台基体，通槽开设于平台基体中心，平台基体通槽的至少一侧安装有驱动器以驱动基片架的运动。

平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置安装槽，驱动器通过安装槽进行安装，驱动器安装于X方向和Y方向，用于带动推动基片架的XY平面内运动。

驱动器为X向压电陶瓷驱动器108和Y向压电陶瓷驱动器112，压电陶瓷驱动器与基于柔性铰链结构的放大机构110连接，从而放大输入端位移，实现微纳尺度的运动，压电陶瓷驱动器设于安装槽内，且微动平台设置安装孔111进行压电陶瓷驱动器的辅助安装，基于柔性铰链结构的放大机构末端设置两个对称的压电陶瓷安装凸台在安装槽内，压电陶瓷驱动器的顶端与X向压电陶瓷安装凸台106或Y向压电陶瓷安装凸台114的内部楔形孔连接，压电陶瓷驱动器通过压电陶瓷预紧螺钉113(穿过平台基体)调节预紧力，消除X向压电陶瓷驱动器 108与X向压电陶瓷安装凸台106，Y向压电陶瓷驱动器112与Y向压电陶瓷安装凸台114之间的装配间隙。压电陶瓷驱动器的输出位移通过基于柔性铰链结构的放大机构110放大压电陶瓷的位移输出。其中柔性铰链的输出位移方向垂直于压电陶瓷驱动器的安装方向。

微动平台的通槽由通槽壁限定，通槽壁与平台基体一体设置，基于柔性铰链结构的放大机构为杠杆放大机构，其与通槽壁接触，以通过通槽壁带动基片架的运动。

平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置用于测定基片架(基片) 移动位移的位移传感器，位移传感器设置在通槽内侧，且分别为X向光栅传感器101和Y向光栅传感器103，这两个光栅传感器分别通过X向光栅安装基座 102、Y向光栅安装基座104进行安装，通过检测微动平台1的X、Y方向的输出位移，相应可测量基片架2的位移；同一方向位移传感器与所述的驱动器分别设于基片架2的两侧，平台基体设置用于与基片架连接的装配光孔109。

整个微动平台1采用电火花加工技术整体加工，避免由于过多装配引入的误差，整体结构紧凑，运动精度高。

如图3所示，基片架2包括用于与微动平台1连接的安装块206和与安装块连接的凸块207，安装块206的宽度大于凸块的宽度，安装孔开有对角的的第一装配光孔201和第二装配光孔203，并设置对角的第一装配螺纹孔202和第二装配螺纹孔204，凸块207与所述的通槽配合，凸块207能卡入通槽设置。凸块207 下端部开有基片安装槽205，基片安装槽205内安装所述的基片，基片的外表面与凸块端面平齐，基片208与基片架凸块207的基片安装槽205胶连在一起，实现基片在XY平面内的自由运动。

如图4所示，掩膜基座3的基座上端面304通过掩膜安装座303设置掩膜，掩膜基座3开有与平台基体连接的平台装配螺纹孔，掩膜205和掩膜安装座303 设置与通孔301处于同一中心轴线的开孔，以使靶材通过通孔、开孔喷向基片，安装后的掩膜305上端面与基片208具有设定的距离。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种高精度直写式真空镀膜设备的装配方法，具体步骤如下：

1)将基片安装于基片架端部，且基片外表面与基片架靠近基片的外端面处于同一平面；

2)将基片架与微动平台通过过渡装配的方式进行连接；

其中，为保证镀膜精度，保证基片架与微动平台之间不存在装配间隙，在加工基片架的定位孔时，首先加工出基片架的第一装配光孔201和第二装配光孔 203，并将基片架与微动平台通过螺栓连接固连在一起。随后加工出基片架的第一装配螺纹孔202和第二装配螺纹孔204。在基片架的装配过程中，通过第一装配螺纹孔202和第二装配螺纹孔204使用螺钉连接，随后通过第一装配光孔201 和第二装配光孔203使用螺栓连接，将基片架2与微动平台1整体固连在一起。此时基片架与微动平台可以视为整体，进而消除了装配过程中产生的间隙，同时方便基片的拆卸，进一步提高了镀膜效率。

3)在掩膜基座端面通过掩膜安装座设置掩膜305，掩膜上端面与掩膜基座靠近掩膜的上端面之间的距离为设定值；

4)将微动平台安装于掩膜基座；

其中，步骤3)可在步骤1)、步骤2)之前操作。

此外，步骤3)中保证掩膜上端面与掩膜基座靠近掩膜的上端面()之间的距离为设定值的方法如下：

采用胶连的方式将掩膜205与掩膜安装座303端面连接在一起。在掩膜端面覆盖厚度为3um的薄膜(掩膜上端面与基片的距离由薄膜的厚度决定)，将掩膜基座、掩膜与薄膜翻转静置在大理石平面。长时间静置之后，揭掉掩膜端面的薄膜。装配完成后，基片下表面与掩膜上端面之间的垂直距离为3um。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种高精度镀膜方法，采用所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，具体步骤如下：

1)在掩膜基座的下方间隔设定距离设置靶材蒸发源，对设定的靶材电子束加热蒸发形成气态靶材束，且气态靶材束喷出位置可调节或固定；

2)将气态靶材束通过掩膜基座的通孔喷向基片；

3)控制微动平台做设定的轨迹运动，实现纳米精度金属化沉积成型的膜层制备。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，包括：

掩膜基座，掩膜基座设置通孔；

微动平台，微动平台设置通槽，且微动平台支撑于掩膜基座端面；

基片架，基片架端部设置基片，且基片架部分卡设于通槽内，基片朝向通孔设置，在微动平台的带动下，基片架及基片在设定平面内微动运动，靶材通过通孔进入从而将靶材沉积于基片表面；

所述基片架包括用于与所述微动平台连接的安装块和与安装块连接的凸块，凸块与所述的通槽配合；

所述凸块端部开有基片安装槽，基片安装槽内安装所述的基片，基片的外表面与所述凸块端面平齐。

2.根据权利要求1所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，所述微动平台包括平台基体，所述通槽开设于平台基体中心，平台基体通槽的至少一侧安装有驱动器以驱动基片架的运动。

3.根据权利要求2所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，所述平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置安装槽，所述驱动器通过安装槽进行安装。

4.根据权利要求2所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，所述驱动器为压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器与基于柔性铰链结构的放大机构连接。

5.根据权利要求2所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，所述平台基体在所述通槽的X方向和Y方向分别设置用于测定基片架移动位移的位移传感器；

进一步地，同一方向所述位移传感器与所述的驱动器分别设于所述基片架的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，其特征在于，所述掩膜基座一端通过掩膜安装座设置掩膜，掩膜安装座设于掩膜基座内凹处，掩膜和掩膜安装座设置与通孔处于同一中心轴线的开孔，安装后的掩膜与基片具有设定的距离；

所述基片架端部、基片外表面和微动平台的端面在同一平面。

7.权利要求1-6中任一项所述的一种高精度直写式真空镀膜设备的装配方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将基片安装于基片架端部，且基片外表面与基片架靠近基片的外端面处于同一平面；

2)将基片架与微动平台通过过渡装配的方式进行连接；

3)在掩膜基座端面通过掩膜安装座设置掩膜，掩膜外端面与掩膜基座靠近掩膜的端面之间的距离为设定值；

4)将微动平台安装于掩膜基座；

其中，步骤3)在步骤1)、步骤2)之前操作。

8.一种高精度镀膜方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的一种高精度直写式真空镀膜设备，具体步骤如下：

1)对设定的靶材电子束加热蒸发形成气态靶材束；

2)将气态靶材束通过掩膜基座的通孔喷向基片；

3)控制微动平台做设定的轨迹运动，实现纳米精度金属化沉积成型的膜层制备。

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