CN112342513A - 一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备及镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备及镀膜方法，所述设备包括真空腔以及设置于所述真空腔内的移动机构、样品架以及多个靶枪机构，所述移动机构位于真空腔底部，贯穿真空腔，所述样品架设置于移动机构上，所述多个靶枪机构沿所述样品架移动方向排列设置，形成镀膜区域，以实现掠靶式直线镀膜；各所述靶枪机构包括沿溅射方向依次设置的靶枪基座、磁控溅射靶枪、气动挡板和掩膜板，所述磁控溅射靶枪通过多功能连接件安装于靶枪基座上，所述气动挡板连接有控制该气动挡板打开或关闭的控制件，所述掩膜板连接有升降件。与现有技术相比，本发明能够实现在同一块反射镜分区镀制不同结构膜系，降低制备周期，能满足实现不同尺寸反射镜的镀制。

Description

一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备及镀膜方法
技术领域
本发明属于纳米级光学薄膜制备领域，尤其是涉及一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备及镀膜方法。
背景技术
随着极紫外、X射线薄膜光学研究和光学设备研制的不断发展，薄膜反射镜作为重要光学元件的需求不断增加，其设计与制备的要求不断提高。当光学薄膜反射镜应用于多通道能点反射时，需要设计系列薄膜结构，即不同材料不同结构的多层膜，以及相应的大量成品制备。现有的镀膜机在面对该情况下，不但需要统一固定尺寸的靶材，而且只能单次制备单一结构的薄膜反射镜，通过更换样品基底和靶材实现多块不同结构的薄膜反射镜的镀制，整体制备周期较长，其生产效率无法满足大批量制备需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷、满足高效制备多种结构的薄膜反射镜的要求而提供一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备及镀膜方法，降低制备周期。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备，该设备包括真空腔以及设置于所述真空腔内的移动机构、样品架以及多个靶枪机构，所述移动机构位于真空腔底部，贯穿真空腔，所述样品架设置于移动机构上，所述多个靶枪机构沿所述样品架移动方向排列设置，形成镀膜区域，以实现掠靶式直线镀膜；
各所述靶枪机构包括沿溅射方向依次设置的靶枪基座、磁控溅射靶枪、气动挡板和掩膜板，所述磁控溅射靶枪通过多功能连接件安装于靶枪基座上，所述气动挡板连接有控制该气动挡板打开或关闭的控制件，所述掩膜板连接有升降件。
进一步地，所述靶枪机构设置于真空腔的竖直方向上，实现水平方向溅射。
进一步地，所述真空腔包括通过中间阀阻隔的样品室和溅射室，保证独立真空，所述移动机构贯穿所述样品室和溅射室，所述多个靶枪机构设置于溅射室内。
优选地，所述溅射室横向长度为3m左右。
进一步地，所述靶枪基座通过所述多功能连接件适配多种尺寸的磁控溅射靶材。
进一步地，所述移动机构包括轨道基座和可移动的滑轨，所述样品架安装于滑轨上。
进一步地，所述气动挡板和掩膜板间的距离为1-2cm。
进一步地，所述控制件为气动快门，该气动快门通过气动连接件与气动挡板连接。
进一步地，所述升降件为穿出所述真空腔的螺杆连接件。
进一步地，所述真空腔内还设有用于测量所述掩膜板升降距离的量尺。
进一步地，所述磁控溅射靶枪通过靶枪压片固定于靶枪基座上。
进一步地，所述样品架上设置有用于安装样品的样品基座。
本发明还提供一种基于所述的镀膜设备的直线型多功能磁控溅射镀膜方法，包括以下步骤：
1)根据镀膜要求通过多功能连接件安装相应靶材尺寸的磁控溅射靶枪和相应孔状的掩膜板，通过升降件调节掩膜板的位置；
2)样品安装于样品架上，由滑轨带动运行至样品室，对真空腔抽真空至设定真空度；
3)充入工作气压的目标值，稳定启辉至靶材的目标溅射功率，气动挡板处于关闭状态；
4)当溅射功率稳定时，镀膜开始，滑轨移动到镀膜区域时气动挡板打开，在掩膜板限制下，实现同一块反射镜不同结构膜系的分区镀制。
上述镀膜设备能够实现分区镀膜、高效制备、稳定生产，为一种多功能大型磁控溅射镀膜机，可制备多种结构的反射镜。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、多功能：以掠靶式直线运行镀膜方式，实现了分区镀制，制备兼具多种结构的薄膜反射镜，可实现通过调节反射镜中心位置达到不同应用能段的反射需求，降低由于更换反射镜所增加的调试时间；还可以通过更换不同型号尺寸的靶材，降低采购硬条件，满足实现不同尺寸反射镜的镀制。该设计进一步极大提高了镀膜设备的应用范围。
2、高效率：横向长度3m的溅射室可以提供长尺寸样品和多个短尺寸样品的镀制空间，经过一次抽真空实现多个样品镀制，降低制备周期；通过分区镀制，降低反射镜的镀制周期和装调过程中的调试时间。
3、高质量：真空腔体溅射室和样品室由中间阀阻隔，保证两个腔室独立真空。真空腔室的本底真空可达到10-5Pa量级，实现超高真空镀制薄膜，降低氧等杂质气体对薄膜的影响，提高膜层质量和光学性能。
4、高精度：以直流磁控溅射方式制备薄膜，即使应用于大尺寸靶材镀制，膜层的厚度精度也能达到0.01nm，实现高精度要求的纳米薄膜。
附图说明
图1为本发明真空腔内部俯视图；
图2为本发明溅射室内部结构左视图；
图3为本发明使用单孔掩模板的分区镀膜示意图；
图4为本发明使用双孔掩模板的分区镀膜示意图；
图5为本发明不同尺寸靶材结构图；
图6为实施例1中的周期厚度曲线图；
图7为实施例2中的周期厚度曲线图；
1为样品室，2为溅射室，3为磁控溅射靶枪，4为气动挡板，5为掩模板，6为轨道基座，7为滑轨，8为样品架，9为量尺，10为螺杆连接件，11为样品基底，12为样品镀膜区，13为靶枪基座，14为靶材压片，15为靶材。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本发明提供一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备，该设备包括真空腔以及设置于真空腔内的移动机构、样品架8以及多个靶枪机构，移动机构位于真空腔底部，贯穿真空腔，样品架8设置于移动机构上，多个靶枪机构沿样品架8移动方向排列设置，形成镀膜区。该镀膜设备在掠靶式直线运行镀膜方式下，通过靶材外侧上下移动的掩膜板实现分区镀膜，降低制备周期，同时可根据设计的薄膜材料更换多种尺寸型号的靶材，增加制备选择性。
真空腔包括通过中间阀阻隔的样品室1和溅射室2，移动机构贯穿样品室1和溅射室2，多个靶枪机构设置于溅射室2内。靶枪机构设置于溅射室2的竖直方向上，实现水平方向溅射。
各靶枪机构包括沿溅射方向依次设置的靶枪基座13、磁控溅射靶枪3、气动挡板4和掩膜板5，磁控溅射靶枪3通过多功能连接件安装于靶枪基座13上，气动挡板4连接有控制该气动挡板4打开或关闭(左右移动)的控制件，以确定镀膜起始，掩膜板5连接有升降件，通过掩膜板5一次实现不同镀膜区域的均匀性要求。如图5所示，磁控溅射靶枪3通过靶枪压片14固定于靶枪基座13上。
靶枪基座13通过多功能连接件适配多种尺寸的磁控溅射靶材15，通过更换不同尺寸的靶材，降低采购硬条件，满足实现不同尺寸反射镜的镀制。靶枪溅射面可为直径100mm的圆型靶、128mm×378mm的矩形靶等，如图5所示。
气动挡板4的控制件为气动快门，该气动快门通过气动连接件与气动挡板连接。
上下移动的掩模板5安装在气动挡板外侧，气动挡板4和掩膜板5间的距离为1-2cm。掩膜板5的孔状数量可为单孔或双孔，孔状由薄膜周期厚度和均匀性要求确定，如图3和图4所示。通过掩膜板5的镂空区域限制溅射粒子的沉积速率，实现溅射粒子在镀膜层上纵向和横向的均匀分布。
掩膜板5的升降件可为穿出真空腔的螺杆连接件10。优选地，真空腔内还设有用于测量掩膜板5升降距离的量尺9。
移动机构包括轨道基座6和可移动的滑轨7，样品架8安装于滑轨7上，通过调控滑轨7移动速率控制样品镀膜过程。轨道基座6内设有用于控制滑轨7的移动速度以实现区域镀膜和膜层厚度调控的控制器。样品架8上设置有用于安装样品的样品基座。
镀膜开始后，气动挡板交替开关，与此同时，滑轨以一定速率减速进入镀膜前区域，然后匀速运行进入镀膜区域，然后加速至一定速率离开镀膜范围。在分区镀制时，掩模板的孔结构对应不同镀膜区域，在滑轨反向运行后，通过调节螺杆，下移掩模板，掩模板的孔结构对应下层镀膜区域，重复气动挡板打开样品变速运行镀制。当预制备一块上下兼具同种材料不同周期厚度的薄膜反射镜时，可通过调节单孔掩模板上下移动，实现同一块反射镜分区镀制不同结构膜系；当预制备两块同种材料不同均匀性的薄膜反射镜时，可通过调节双孔掩模板(梯形/矩形)上下移动，实现同一块反射镜分区镀制不同均匀性的膜系。
基于上述镀膜设备进行直线型多功能磁控溅射镀膜的方法包括以下步骤：
1)在实验前，根据镀膜要求通过多功能连接件安装相应靶材尺寸的磁控溅射靶枪3和相应孔状的掩膜板5，验证气动挡板4的快门使用正常，通过螺杆连接件10调节掩膜板5的位置，使掩膜板5孔状中心先对应上层镀膜区域；
2)样品安装于样品架8上，由滑轨7带动运行至样品室1，打开真空泵对真空腔室抽真空，用压力计监控真空腔内的真空度，直至到达设定真空度；
3)充入工作气压的目标值，稳定启辉至靶材的目标溅射功率，气动挡板4处于关闭状态；
4)当溅射功率稳定时，镀膜开始，滑轨7移动到镀膜区域时气动挡板4打开，在掩膜板5限制下，实现同一块反射镜不同结构膜系的分区镀制。
步骤4)中，滑轨7以一定速率靠近镀膜区域，当气动挡板4开关打开，同时滑轨7减速进入镀膜前区域，匀速运行进入镀膜区域。在掩膜板5限制下，完成样品上层结构膜系的镀制。气动挡板关闭，滑轨7加速至一定速率离开镀膜范围。在滑轨7离开溅射范围后，通过螺杆连接件10调节穿腔的螺杆，移动的距离由附属的量尺9确定。掩模板的孔状对应下层镀膜区域。滑轨7反向运动至镀膜区域12时，重复气动挡板4打开样品变速运行镀制。
实施例1
制备一块兼具不同周期厚度的W/Si多层膜反射镜，长度0.3m，横向0.06m，镀制周期分别为d＝3.9nm与d＝2.8nm的W/Si多层膜，应用于X射线工作能段。使用靶距为90mm，本底真空优于10-4Pa，向真空腔体内充入溅射气体Ar气，充入量为1.1mTorr，溅射材料为W、Si，靶枪溅射功率分别为20W与100W。先镀制周期d＝3.9nm的膜系。将单孔掩模板的中心对应样品上层镀膜区域中心，当样品运动至工作靶枪溅射区域时，气动挡板打开，完成上层镀膜区域镀制。当样品运行至导轨末端则反向运行。后镀制周期d＝2.8nm的膜系。将调节螺杆下移掩模板，其中心对应样品下层镀膜区域中心，然后更改滑轨移动参数，重复镀制上层膜系的步骤，完成薄膜的镀制。对样品60mm纵向区域内进行40mm中心区域反射率测试，通过软件拟合得到，40mm中心区域的周期厚度偏差为±2％，实现高均匀性双结构薄膜反射镜的制备，如图6所示。
实施例2
制备一块兼具不同均匀性的W/Si多层膜反射镜，长度0.3m，横向0.06m，镀制高均匀性的窄带W/Si多层膜和非均匀性的宽带W/Si多层膜，应用于X射线工作能段。使用靶距为90mm，本底真空优于10-4Pa，向真空腔体内充入溅射气体Ar气，充入量为1.1mTorr，溅射材料为W、Si，靶枪溅射功率分别为20W与100W。先镀制高均匀性的膜系。将双孔掩模板的梯形孔中心对应样品上层镀膜区域中心，当样品运动至工作靶枪溅射区域时，气动挡板打开，完成上层镀膜区域镀制。当样品运行至导轨末端则反向运行。后镀制非均匀性的膜系。将调节螺杆下移掩模板，其矩形孔中心对应样品下层镀膜区域中心，然后更改滑轨移动参数，重复镀制上层膜系的步骤，完成薄膜的镀制。对样品60mm纵向区域内进行40mm中心区域反射率测试，通过软件拟合得到，上层40mm中心区域的周期厚度偏差为2％以内，下层40mm中心区域的周期厚度偏差为7％以内，实现不同均匀性双结构薄膜反射镜的制备，如图7所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，该设备包括真空腔以及设置于所述真空腔内的移动机构、样品架(8)以及多个靶枪机构，所述移动机构位于真空腔底部，贯穿真空腔，所述样品架(8)设置于移动机构上，所述多个靶枪机构沿所述样品架(8)移动方向排列设置，形成镀膜区域，以实现掠靶式直线镀膜；
各所述靶枪机构包括沿溅射方向依次设置的靶枪基座(13)、磁控溅射靶枪(3)、气动挡板(4)和掩膜板(5)，所述磁控溅射靶枪(3)通过多功能连接件安装于靶枪基座(13)上，所述气动挡板(4)连接有控制该气动挡板(4)打开或关闭的控制件，所述掩膜板(5)连接有升降件。
2.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述真空腔包括通过中间阀阻隔的样品室(1)和溅射室(2)，所述移动机构贯穿所述样品室(1)和溅射室(2)，所述多个靶枪机构设置于溅射室(2)内。
3.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述靶枪基座(13)通过所述多功能连接件适配多种尺寸的磁控溅射靶材(15)。
4.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述移动机构包括轨道基座(6)和可移动的滑轨(7)，所述样品架(8)安装于滑轨(7)上。
5.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述气动挡板(4)和掩膜板(5)间的距离为1-2cm。
6.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述升降件为穿出所述真空腔的螺杆连接件(10)。
7.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述真空腔内还设有用于测量所述掩膜板(5)升降距离的量尺(9)。
8.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述磁控溅射靶枪(3)通过靶枪压片(14)固定于靶枪基座(13)上。
9.根据权利要求1所述的直线型多功能磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述样品架(8)上设置有用于安装样品的样品基座。
10.一种基于如权利要求1所述的镀膜设备的直线型多功能磁控溅射镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据镀膜要求通过多功能连接件安装相应靶材尺寸的磁控溅射靶枪(3)和相应孔状的掩膜板(5)，通过升降件调节掩膜板(5)的位置；
2)样品安装于样品架(8)上，由滑轨(7)带动运行至样品室(1)，对真空腔抽真空至设定真空度；
3)充入工作气压的目标值，稳定启辉至靶材的目标溅射功率，气动挡板(4)处于关闭状态；
4)当溅射功率稳定时，镀膜开始，滑轨(7)移动到镀膜区域时气动挡板(4)打开，在掩膜板(5)限制下，实现同一块反射镜不同结构膜系的分区镀制。
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