CN111394699B - 一种单一电子束蒸发源的镀膜机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单一电子束蒸发源的镀膜机，包括公转夹具（1）、真空室腔体（6）、真空室门（9），在真空室腔体（6）内设置有单一电子束蒸发源（4），在真空室腔体（6）内公转夹具（1）的下方和电子束蒸发源（4）所在蒸发平面（5）的上方设置有可升降的修正板系统，且修正板系统包括可独立工作的内侧修正板（2）和外侧修正板（3），能够在降低成本的同时，有效提高镀膜的均匀性，并使得光学膜厚均匀性得到有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜制备技术等领域，具体的说，是一种单一电子束蒸发源的镀膜机。
背景技术
光学薄膜的膜厚均匀性是衡量镀膜机性能的一项重要指标，它影响着光学元件的光谱特性，决定了能达到要求的实际有效镀膜面积。薄膜厚度分布均匀性是指在公转夹具上放置的待镀膜镜片表面所沉积的薄膜厚度的分布情况。对于高精度、高性能的光学系统，或大口径的光学元件和批量生产的光学元件，膜厚的均匀分布尤其重要。
电子束蒸发镀膜机一般由真空室腔体、修正板、公转夹具、真空室门等所组成，且真空室腔体侧的内侧门闭合面与真空室门侧的外侧门闭合面相配合可使真空室腔体和真空室门形成一个有机的整体，对于几乎所有的电子束蒸发镀膜机，的需要在镀膜机内添加修正板对膜厚分布进行严格的校正。这是真空镀膜中改善膜厚分布均匀性的一种重要方法。
在以往的理论研究和实际生产中，当涉及到改善均匀性分布时，最常见的做法是将修正板置于蒸发源的正上方[唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术.杭州：浙江大学出版社，2006:271-278]。大部分情况下，光学介质薄膜由交替沉积的高低折射率材料组成，由于高低折射率材料蒸发特性不同，很难用一块修正板同时改善两种材料的膜厚分布均匀性。此时，通常采用双蒸发源，双修正板，修正板置于对应材料正上方的做法，来改善多层膜的膜厚分布。但在实际应用中，考虑到成本和效率等因素，也存在着数量不少的单一蒸发源配置的真空镀膜设备，一般皆采用单一电子束蒸发源对应一个修正板的设计形式，从而往往会导致镀膜不均匀的情况发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单一电子束蒸发源的镀膜机，能够在降低成本的同时，有效提高镀膜的均匀性，并使得光学膜厚均匀性得到有效控制。
本发明通过下述技术方案实现：一种单一电子束蒸发源的镀膜机，包括公转夹具、真空室腔体、真空室门，在真空室腔体内设置有单一电子束蒸发源，在真空室腔体内公转夹具的下方和电子束蒸发源所在蒸发平面的上方设置有可升降的修正板系统，且修正板系统包括可独立工作的内侧修正板和外侧修正板。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板和外侧修正板在蒸发平面的投影位于真空室腔体的半径方向上，且在膜厚相对待镀膜样品到真空室腔体中心距离最不敏感的角度。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述真空室腔体内，所述内侧修正板远离真空室门设置，所述外侧修正板靠近真空室门设置。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板和外侧修正板能同步升降或异步升降或一升一降。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述电子束蒸发源在蒸发两种不同折射率的材料时，内侧修正板和外侧修正板交替升降。当所述电子束蒸发源在蒸发高折射率材料时，所述内侧修正板升起，低折射率材料对应的外侧修正板降落；当所述电子束蒸发源蒸发低折射率材料时，外侧修正板升起，高折射率材料对应的内侧修正板降落。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板和外侧修正板可进行材料更换。
进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板和外侧修正板在蒸发平面的投影与起始线的夹角，是膜厚分布相对样品到真空腔体中心距离最不敏感的角度。起始线和角度的定义如下：以电子束蒸发源所在平面为蒸发平面，以真空室腔体中心为原点，以电子束蒸发源与真空室腔体中心连线为起始线，内侧修正板投影与起始线夹角小于90°，外侧修正板投影与起始线夹角大于270°。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明解决了单电子束蒸发时，膜厚均匀性系统修正板的放置位置问题。
(2)本发明提升了工程师的工作效率，在修正膜厚的时候，同样的遮挡角度，沿球面夹具分布的方向上，所遮挡的膜厚最接近，这意味着修正板的修剪效率会得到明显提升。
(3)本发明也适用于单一蒸发源状态下，两种或两种以上材料的膜厚均匀性修正系统，可以明显提高镀膜机的膜厚均匀性性能，具有适用范围广、品质高、简单易行，良品率高的特点。
(4)本发明简单易行，针对性强，适用范围广；有利于薄膜精确制备，可大幅度提升产品的良品率。
附图说明
图1为本发明结构示意图(剖视图)。
图2为本发明结构示意图(俯视图)。
图3为本发明结构示意图(立体图)。
图4为非余弦膜厚计算的几何示意图。
图5为瞬时膜厚的极坐标图示(t为归一化后数据)。
图6为沉积面上不同位置的瞬时膜厚分布。
图7为H4沉积面上不同位置的瞬时膜厚分布。
图8为MgF2沉积面上不同位置的瞬时膜厚分布。
图9为H4和MgF2最终修正板的形状。
其中，1-公转夹具、2-内侧修正板、3-外侧修正板、4-电子束蒸发源、5-蒸发平面、6-真空室腔体、7-内侧门闭合面、8-外侧门闭合面、9-真空室门。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，的属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，的属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本发明设计出一种单一电子束蒸发源的镀膜机，能够在降低成本的同时，有效提高镀膜的均匀性，并使得光学膜厚均匀性得到有效控制，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：包括公转夹具1、真空室腔体6、真空室门9，在真空室腔体6内设置有单一电子束蒸发源4，在真空室腔体6内公转夹具1的下方和电子束蒸发源4所在蒸发平面5的上方设置有可升降的修正板系统，且修正板系统包括可独立工作的内侧修正板2和外侧修正板3。
作为优选的设置方案，本发明所设计的镀膜机，采用单一的电子束蒸发源 4设计，主要由公转夹具1、真空室腔体6、真空室门9所构成，在真空室腔体 6内，该电子束蒸发源4的蒸发平面5上方与公转夹具1的下方设置一套主要由内侧修正板2和外侧修正板3所构成的用于进行膜厚均匀性修正的修正板系统，修正板系统内的内侧修正板2和外侧修正板皆可以实现独立工作，并在相应的管控系统的作用下实现上升和下降操作，真空室门9上的外侧门闭合面8 余真空室腔体6侧的内侧门闭合面7配合设置，使得真空室门9和真空室腔体6能够形成一个完整的可形成真空环境的腔体。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板2和外侧修正板3在蒸发平面的投影位于真空室腔体6的半径方向上，且在膜厚相对待镀膜样品到真空室腔体6中心距离最不敏感的角度。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述真空室腔体6内，所述内侧修正板2远离真空室门9设置，所述外侧修正板3靠近真空室门9设置。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板2和外侧修正板3能同步升降或异步升降或一升一降，即在进行镀膜时，根据实际需要，内侧修正板2和外侧修正板3可以实现同时升或降，或者一个快过一个的升或降，或一个升同时另一个处于降的状态。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述电子束蒸发源4在蒸发两种不同折射率的材料时，内侧修正板2和外侧修正板3交替升降；优选的，当所述电子束蒸发源4在蒸发高折射率材料时，所述内侧修正板2升起，低折射率材料对应的外侧修正板 3降落；当所述电子束蒸发源4蒸发低折射率材料时，外侧修正板3升起，高折射率材料对应的内侧修正板2降落。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板2和外侧修正板3可进行材料更换，使得镀膜机能够进行两种及两种以上的待镀膜产品的蒸发处理，即在进行镀膜处理之前，可以根据需要将内侧修正板2和/或外侧修正板3进行材料更换，当更换号所需都材料修正板后，则进行镀膜操作，克服两现有技术中，一台镀膜机只能进行设定的修正板材料所能够进行镀膜的产品的镀膜处理，当需要对产品进行该台镀膜机内所用修正板不同材料的镀膜时，则需要另外用一台镀膜机进行镀膜的不足之处。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、图2、图3所示，进一步为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述内侧修正板2和外侧修正板3在蒸发平面5的投影与起始线的夹角，是膜厚分布相对样品到真空腔体中心距离最不敏感的角度。起始线和角度的定义如下：以电子束蒸发源4所在平面为蒸发平面5，以真空室腔体6中心为原点，以电子束蒸发源4与真空室腔体6中心连线为起始线，内侧修正板2投影与起始线夹角小于90°，外侧修正板3投影与起始线夹角大于270°。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，一种单电子束蒸发源的镀膜机，让图1、图2、图3所示，镀膜机的电子束蒸发源4只有一个，其膜厚均匀性修正系统包含有两个可独立工作的修正板(内侧修正板2和外侧修正板3)。当电子束蒸发源4蒸发高折射率材料时，远离真空室门9的内侧修正板2升起，低折射率材料对应的靠近真空室门9的外侧修正板3降落；当蒸发源蒸发低折射率材料时，靠近真空室门9的外侧修正板3升起，高折射率材料对应的内侧修正板2降落。
优选的，真空室腔体6结合真空室门9为一个圆柱体。电子束蒸发源4所在的水平面可以称之为蒸发平面5；蒸发平面5与真空室腔体6交汇形成一个标准的圆，圆心就是圆柱体的中心轴与蒸发平面5的交点；修正板(内侧修正板2和外侧修正板3)在蒸发平面5上方，一端在真空室腔体6内壁上，另一端指向真空室腔体6圆柱的中心轴。在蒸发平面5上，以圆心为原点，以电子束蒸发源4与圆心连线为起始线，内侧修正板2投影与起始线夹角小于90°，外侧修正板3投影与起始线夹角大于270°。
两个修正板在蒸发平面4的投影与起始线的夹角，可由以下计算得到。
迄今为止，已经证实大部分蒸发分子在工件盘上的膜厚分布遵守非余弦分布，对于公转球面夹具(公转夹具)的面源蒸发，有如下形式：
式中m是蒸发材料的质量，μ是其密度，特性参数n与蒸发材料和工艺有关，当旋转角度ψ＝0时，即样品点S位于蒸发源正上方平面时，式中各物理量的关系如图4所示；
图中E为蒸发源(电子束蒸发源4)，h为S点距蒸发源的高度，ρ为S 点到腔体中心的距离，L为蒸发源到腔体中心的距离，A是S点与球面夹具球心点连线与腔体中心轴线的夹角。
式(1)也可以认为是沉积面上的某点的瞬时膜厚。对于几何配置固定的真空镀膜机，蒸镀某一材料时，S点处上述参数均为已知量，故瞬时膜厚t可以表示为旋转角度ψ的函数，式(1)可以表述为如下形式。
式中，
c＝h2+L2+ρ2，
d＝2Lρ，
如果将t看做极径，并做归一化处理，ψ看做极角，当样品距离腔体中心的距离为0.3m时，式(2)可以用极坐标图更加直观的进行表述。其中，O位于蒸发源所在的平面，处于设备的中心位置，角度ψ是球面夹具旋转过的角度。角度ψ为0时，取样点位于蒸发源正上方平面。对于公转球面夹具，如果要计算此点旋转一圈后的总膜厚，需要对公式1积分。按照常规计算，积分的难度很大且不方便。极坐标图可以很清楚的表达这一物理意义。图5中椭圆的面积可以认为是正比于S点旋转一周后沉积的膜厚。
对于每个样品距离腔体中心的距离，都有一个类似的曲线。见图6所示，给出的是不同距离的膜厚分布曲线汇总图。从图6可以得出，在0°这个地方的曲线密集度比较疏松，意味着此处是膜厚梯度变化最敏感的区域，膜厚分布对修正板的仰角变化、蒸发源的位置变化以及蒸发源蒸镀特性的变化很敏感。但在ψ＝64.4°和295.6°方向附近，瞬时膜厚对距离ρ最不敏感。对于任一材料，其膜厚分布都存在着这样两个角度，这就是修正板的安装位置。
利用该单电子束蒸发源都镀膜机，假设蒸发H4和MgF2两种材料。设典型尺寸如下：
机器直径D＝1.5m；
蒸发源到腔体中心的距离L＝0.5m；
公转夹具为球面机构，曲率半径R＝1.1m；
高折射率材料H4的蒸发特性n是2.1；
低折射率材料MgF2的蒸发特性n是3.0；
式(1)中蒸发材料的质量m，密度μ，为了简化计算，统统记做1；
在任一点S，h，ρ，R，r，A，Ψ，φ，θ之间的几何关系满足：
sinA＝ρ/R
cosθ＝(h cos A+(ρ+Lcosψ)sin A)/r
r2＝h2+(L+ρ)2-4Lρsin2(ψ/2)
把上述关系代入公式(1)和公式(2)，可以得出H4和MgF2两种膜料的瞬时膜厚分布图，详细见图7和图8。可以发现H4修正板的位置角度应该是59.4°和300.6°，MgF2修正板的位置角度应该是54.8°和305.2°。为了防止修正板打架，可选择59.4°和305.2°位置，分别安装H4和MgF2修正板。实际获得的修正形状，可以参见图9。
镀膜过程中，当蒸发H4时，59.4°位置修正板升起，305.2°修正板落下；当蒸发MgF2时，59.4°位置修正板落下，305.2°修正板升起。实测两种膜料的膜厚均匀性均优于0.3％，可以证明这种结构的镀膜机，膜厚均匀性很好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种单一电子束蒸发源的镀膜机，包括公转夹具（1）、真空室腔体（6）、真空室门（9），其特征在于：在真空室腔体（6）内设置有单一电子束蒸发源（4），在真空室腔体（6）内公转夹具（1）的下方和电子束蒸发源（4）所在蒸发平面（5）的上方设置有可升降的修正板系统，且修正板系统包括可独立工作的内侧修正板（2）和外侧修正板（3），内侧修正板（2）和外侧修正板（3）可进行材料更换；当电子束蒸发源（4）蒸发高折射率材料时，远离真空室门（9）的内侧修正板（2）升起，低折射率材料对应的靠近真空室门（9）的外侧修正板（3）降落；当蒸发源蒸发低折射率材料时，靠近真空室门（9）的外侧修正板（3）升起，高折射率材料对应的内侧修正板（2）降落；真空室腔体（6）结合真空室门（9）为一个圆柱体；电子束蒸发源（4）所在的水平面称之为蒸发平面（5）；蒸发平面（5）与真空室腔体（6）交汇形成一个标准的圆，圆心就是圆柱体的中心轴与蒸发平面（5）的交点；内侧修正板（2）和外侧修正板（3）在蒸发平面（5）上方，一端在真空室腔体（6）内壁上，另一端指向真空室腔体（6）圆柱的中心轴；在蒸发平面（5）上，以圆心为原点，以电子束蒸发源（4）与圆心连线为起始线，所述内侧修正板（2）和外侧修正板（3）在蒸发平面的投影位于真空室腔体（6）的半径方向上，内侧修正板（2）和外侧修正板（3）两块修正板在蒸发平面（5）的投影与起始线的夹角由以下计算得到：
对于公转夹具（1）的面源蒸发，有如下形式：
式中m是蒸发材料的质量，μ是其密度，特性参数n与蒸发材料和工艺有关，当旋转角度ψ=0时，即样品点S位于单一电子束蒸发源（4）正上方平面时，h为S点距单一电子束蒸发源（4）的高度，ρ为S点到腔体中心的距离，L为单一电子束蒸发源（4）到腔体中心的距离，A是S点与公转夹具（1）球心点连线与腔体中心轴线的夹角；
式（1）也认为是沉积面上的某点的瞬时膜厚，蒸镀某一材料时，S点处上述参数均为已知量，故瞬时膜厚t表示为旋转角度ψ的函数，式（1）则表述为如下形式：
式中，
，
，
，
，
，
如果将t看做极径，并做归一化处理，ψ看做极角，当样品距离腔体中心的距离为0.3m时，式（2）可以用极坐标图更加直观的进行表述；其中，O位于蒸发源所在的平面，处于设备的中心位置，角度ψ是公转夹具（1）旋转过的角度；角度ψ为0时，取样点位于蒸发源正上方平面；对于公转夹具（1），如果要计算此点旋转一圈后的总膜厚，需要对公式（1）积分；按照常规计算，积分的难度很大且不方便，极坐标图可以很清楚的表达这一物理意义；
对于每个样品距离腔体中心的距离，都有一个类似的曲线，不同距离的膜厚分布形成曲线汇总，在0°这个地方的曲线密集度比较疏松，意味着此处是膜厚梯度变化最敏感的区域，膜厚分布对修正板的仰角变化、蒸发源的位置变化以及蒸发源蒸镀特性的变化很敏感；但在ψ=64.4°和295.6°方向附近，瞬时膜厚对距离ρ最不敏感；对于任一材料，其膜厚分布都存在着这样两个角度，这就是两块修正板的安装位置；
利用该单一电子束蒸发源的镀膜机，假设蒸发H4和MgF2两种材料；设典型尺寸如下：
机器直径D=1.5m；
蒸发源到腔体中心的距离L=0.5m；
公转夹具为球面机构，曲率半径R=1.1m；
高折射率材料H4的蒸发特性n是2.1；
低折射率材料MgF2的蒸发特性n是3.0；
式（1）中蒸发材料的质量m，密度μ，为了简化计算，统统记做1；
在任一点S，h，ρ，R，r，A，Ψ，φ，θ之间的几何关系满足：
把上述关系代入公式（1）和公式（2），可以得出H4和MgF2两种膜料的瞬时膜厚分布图，可以发现H4的两块的位置角度应该是59.4°和300.6°，MgF2的两块修正板的位置角度应该是54.8°和305.2°；为了防止修正板打架，选择59.4°和305.2°位置，分别安装H4的两块修正板和MgF2的两块修正板；
镀膜过程中，当蒸发H4时，59.4°位置修正板升起，305.2°修正板落下；当蒸发MgF2时，59.4°位置修正板落下，305.2°修正板升起；实测两种膜料的膜厚均匀性均优于0.3%，可以证明这种结构的镀膜机，膜厚均匀性很好。
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