CN1624191A - 有定向及自控制功能的真空镀膜机 - Google Patents
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Abstract
本发明的有定向及自控制功能的真空镀膜机属改进型的真空镀膜装置。其结构有：平台34上的真空罩15、真空泵33、支架2、基板托架12、钨丝35；加装的定向装置由蒸发器1、玻璃漏斗4和漏斗托架3组成；加装的膜厚控制装置由微量天平13、压力传感器37和控制电路组成；加装的淀积速率控制装置由上极板16和下极板23及直流高压电源构成。还加装有加热器17、基板传动装置和蒸发源与基板间距控制装置。本发明能避免蒸汽分子散射造成的浪费，防止大颗粒熔融物影响薄膜的质量；膜层与基板结合得更致密、膜层更均匀；能够控制镀膜的厚度；控制和加快淀积速率。本发明是在原设备基础上的改进，所以设备简单，投资较小。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜装置，尤其是一种具有定向控制及自控制功能的改进型真空镀膜机。
背景技术
在过去的15-20年中，光学薄膜镀制设备出现了令人瞩目的变化。现有真空蒸发镀膜技术一般是在10-2Pa～10-3Pa的真空中加热金属、金属化合物或其他镀膜材料，使其在极短时间内蒸发，从而把纯净的原子沉积到基板表面上形成镀膜层，属于物理气相沉积(PVD)。由于镀制过程中几乎无杂质进入，可以使镀层质量十分优异。真空镀膜室的真空度、镀膜材料的蒸发速率、基板和蒸发源的间距，以及基板表面状态和温度等都是影响镀膜层质量的因素。
最常见的现有真空蒸发镀膜机结构如图1，其结构有：放置在平台34上的真空罩15、通过平台34上的开孔连接的真空泵33、置于真空罩15内的支架2、置于支架2上端的带有圆孔的基板托架12、置于真空罩15内基板14下方的钨丝35；真空泵33通过平台34上的开孔与平台34和真空罩15构成封闭的空间——真空室。
镀膜时，基板14放置于基板托架12上，真空室由真空泵33抽真空，再由通电的钨丝35加热镀膜材料使其在极短时间内蒸发，把纯净的镀膜材料的原子沉积到基板表面上，形成镀膜层。
现有的真空镀膜机具有设备简单、制备工艺容易、多数物质均可以蒸镀的优点，但也存在一些不足：
1、镀膜时，镀膜材料大面积挥发，浪费将是非常严重的，而且使得每镀一次都得清洗钟罩。
2、镀层与基板表面结合力太弱。
3、淀积速度较慢。
4、膜层厚度不十分均匀，且膜厚难以控制。
5、受宏观颗粒影响比较严重。伴随熔融镀膜材料液滴的蒸发，少量未完全熔化的镀膜材料和同时蒸发的钨及其它杂质分子也会淀积在基板表面上，从而增大薄膜表面粗糙度，降低薄膜附着力，使薄膜密度不均匀，膜层中宏观颗粒与连续薄膜之间存在明显的分解面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术的不足，在现有真空蒸发镀膜机基础上进行改进，使得镀膜材料蒸镀更加集中，镀层与基板表面结合力大大增强，加快淀积速度，膜层厚度更加均匀且膜厚可以控制，所镀的薄膜密度更加均匀，纯度提高，从而可以控制并提高镀膜的质量。
本发明的有定向及自控制功能的真空镀膜机的结构保留了背景技术的所有部件，增加设计了定向装置和3个控制装置：膜厚控制装置、淀积速率控制装置、基板传动装置。
所说的定向装置由蒸发器1、玻璃漏斗4和漏斗托架3组成。蒸发器1呈椭球壳状，中间开孔，开孔处具有凹陷卡口22；玻璃漏斗4由漏斗托架3支撑，其下端套于蒸发器1凹陷卡口22处，其上端靠近挡板基座5的下面与基板14相对(如图2)。
所说的膜厚控制装置由膜厚检测装置和挡板自动控制装置组成。膜厚检测装置安装在基板托架12上，由微量天平13加装一个高灵敏度压力传感器37和控制电路(如图5)而成。挡板自动控制装置(如图3、4)包括中心有镀膜孔29的挡板基座5、其上安有卡座a 26和卡座b 24，带转动柄28的活动挡板6能盖住挡板基座5上的镀膜孔29、沿转动柄28轴向开有滑槽25，挡板基座5上固定有转动轴27、滑槽25套在转动轴27上，弹簧B 7一端固定在挡板基座5上，另一端连接点36固定在转动柄28靠近活动挡板6和滑槽25的地方，弹簧A 8一端固定在转动轴27上，另一端固定在转动柄28远离活动挡板6的端头，电磁铁9安装在转动柄28的端头、且在在挡板开启时与其处在同一高度并固定于钟罩外的永磁铁10相对，电磁铁9的线圈11通过控制电路与微量天平13中的压力传感器37相连，控制电路主要由线圈11、微量天平13、压力传感器37、继电器开关38、电键42、导电触片39、40、41及电源等组成。
所说的淀积速率控制装置由固定于支架2上的上极板16和下极板23，及外接直流高压电源构成。上极板16水平放置于基板托架12之上，下极板23水平放置于蒸发器1之下。
所说的基板传动装置由安装于基板托架12上的电动机19、垫于基板14下的滑圈30、固定圈32、传动带18和滚珠31组成，固定圈32同心的固定在基板托架12上的圆孔外，滑圈30通过滚珠31同心的放置于固定圈32上，并能在电动机19通过传动带18带动下转动(如图6、图7)。
膜厚控制装置中的微量天平13，可选用石英振荡器式微量天平。采用石英振荡器式微量天平作为膜厚检测装置的原因是因其不但价格比较低廉，而且装置简单。
为了进一步提高镀膜的质量，本发明还可以加装基板温控装置和蒸发源与基板间距控制装置。
所说的基板温控装置由位于上极板16和基板托架12间的加热器17构成。
所说的蒸发源与基板间距控制装置，由分别置于基板托架12上面和下面并拧于支架2上的调高螺母21组成，支架2上对应的螺纹20仅刻于加热器17所在高度与挡板基座5所在高度之间。
本发明的有定向及自控制功能的真空镀膜机，由于加装了定向装置使蒸发出的膜材分子定向扩散到基板14表面，避免了蒸汽分子散射造成的浪费；又可防止在气化时大颗粒的膜材熔融物飞溅到基板14上，影响薄膜的质量；同时，蒸发器提供了一种半封闭环境，使得各部分蒸发出的气体分子的温度近似相同，从而使膜层与基板结合得更均匀，更致密。本发明能够通过膜厚控制装置测量并控制镀膜的厚度；通过淀积速率控制装置，使金属膜材蒸汽的离子化程度大大增高，而且在一定程度上使蒸发出的膜材蒸汽分子方向性更高，并加速淀积过程，通过控制与调节正负两极间的电压，实现控制与调节膜材淀积到基板上的速率快慢；通过基板传动装置、基板温控装置、定向装置、蒸发源与基板间距控制装置、和淀积速率控制装置等的协同工作，从而保证了膜层均匀性，也使膜层与基板附着得更加紧密。本发明设计的六个装置并不只具各自的单一功用，而是互有裨益的，如淀积速率控制装置中正负电极产生的电场也使得蒸发出的膜材蒸汽方向性更好，定向装置也使得膜层的均匀性和致密性更好。同时本发明只是在原有设备的基础上改进而实现的，所以设备简单，投资较小。
附图说明
图1是背景技术的真空镀膜机结构示意图。
图2是本发明的可定向控制的真空镀膜机整体结构示意图。
图3是本发明的膜厚控制装置中挡板部分开启状态结构示意图。
图4是本发明的膜厚控制装置中挡板部分关闭状态结构示意图。
图5是本发明的膜厚检测装置的控制电路图。
图6是本发明的基板传动装置俯视图。
图7是图6的基板传动装置纵截面图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构和工作过程。
实施例1 本发明的整体结构
见图2，与背景技术相同的结构部分有：放置在平台34上的真空罩15、通过平台34上的开孔连接的真空泵33、置于真空罩15内的支架2、置于支架2上端的带有圆孔的基板托架12、置于真空罩15内并在基板托架12下方的钨丝35。图1、图2中14为基板。
增加设计的定向装置由带凹陷卡口22的蒸发器1、放置在漏斗托架3上的玻璃漏斗4、钨丝35构成。
增加设计的膜厚控制装置由基板托架12上、加装了一个高灵敏度压力传感器37和控制电路的石英振荡器式微量天平13和挡板自动控制装置构成。其中的挡板自动控制装置由挡板基座5、带转动柄28的活动挡板6、弹簧A8、弹簧B7和电磁铁9、永磁铁10等组成。
增加设计的淀积速率控制装置由上极板16、下极板23，外接直流高压电源构成。
增加设计的基板传动装置由电动机19、垫于基板14下的滑圈30、固定圈32、传动带18和滚珠31构成。图2中滑圈30、固定圈32和滚珠31未画出。
增加设计的基板温控装置由辅助加热器17构成。
增加设计的蒸发源与基板间距控制装置由调高螺母21和旋刻在支柱2上的与调高螺母21对应的螺纹20构成。
通常支架2有三根立柱，所以调高螺母21可以有三个。
实施例2 本发明的定向装置
见图2，定向装置由蒸发器1、玻璃漏斗4和漏斗托架3组成。蒸发器1呈椭球壳状，并具凹陷卡口22，中间开孔；套于蒸发器1凹陷卡口22处的玻璃漏斗4是可拆卸的，并由漏斗托架3支撑，以方便镀膜材料的装填；镀膜材料熔在蒸发器内的钨丝上。加热时，气化的膜材蒸汽经由中间圆孔扩散出，沿玻璃漏斗4到达基板14表面，淀积为薄膜。
这样，由于蒸发器1提供了一种半封闭环境，膜材分子沿玻璃漏斗4定向的扩散到基板14表面，避免了蒸汽分子散射造成的浪费；又可防止在气化时大颗粒的膜材熔融物飞溅到基板14上，影响薄膜的质量。同时，由于蒸发器1中的半封闭环境，还使得各部分蒸发出的气体分子的温度近似相同，从而使膜层与基板结合得更均匀，更致密。
实施例3 本发明的膜厚控制装置
膜厚控制装置由膜厚检测装置和挡板自动控制装置组成。
膜厚检测装置安装在基板托架12上，由石英振荡器式微量天平13加装一个高灵敏度压力传感器37和控制电路而成。
挡板自动控制装置见图3和图4，由电磁铁9、与其处在同一高度并固定于钟罩外的永磁铁10，和挡板部分组成。其中电磁铁9安装在活动挡板转动柄28的末端，在挡板开启时，其线圈11正对着钟罩外的永磁铁10，且此时两磁铁的轴向近似在一直线上；同时，此线圈11通过控制电路与微量天平13中的高灵敏度压力传感器37相连。挡板部分包括挡板基座5、活动挡板6、含滑槽25的转动柄28、弹簧A8和弹簧B7等组成。弹簧A8一端连接转动柄28，另一端连接固定在挡板基座5上的转动轴27处；弹簧B7两端分别连接转动柄28与挡板基座5；弹簧B7的弹性系数kB大于弹簧A8的弹性系数kA；其中挡板基座5在图3位置加装卡座a26和卡座b24，并在中间开设镀膜孔29。
当开始镀膜时，先将活动挡板转动柄28置于卡座a26处(如图3-开启状态)。此时，将电键42闭合，电磁铁线圈11中接通电流，使其产生的磁场与钟罩外永磁铁10产生的磁场方向相同，即它们将相互吸引，弹簧A8处于轻微拉伸状态；弹簧B7虽然处于高度压缩状态，但由于其位于转动柄28上的连接点36与活动挡板6的转动轴27距离非常近，所以它对活动挡板6的转动力矩接近于0，并完全被卡座a26对转动柄28的转动力矩抵消，故活动挡板6扣于卡座a26处不动，挡板处于稳定开启状态。当达到实验所需膜厚时，即由石英振荡器式微量天平13测定，并触动装在上面的高灵敏度压力传感器37，将继电器开关38从导电接触片39、40处，拨至与触片40、41相接触，从而使电磁铁线圈11中电流反向。由于此时电磁铁9与永磁铁10相互间的排斥作用，使得转动柄28被推离卡座a26，同时弹簧B7对活动挡板6的转动力矩增大，而且由于弹簧B的弹性系数较大，故转动柄28瞬间被转至卡座b24处，活动挡板6挡住了挡板基座5上的镀膜孔29，挡板处于关闭状态，镀膜停止(如图4-关闭状态)。
镀膜完成后，可以用光学膜厚监控仪对膜厚进行更精密检验。
见图5，控制电路主要由线圈11、微量天平13、压力传感器37、继电器开关38、电键42、导电触片39、40、41及电源等组成。
实施例4 本发明的淀积速率控制装置
淀积速率控制装置由上极板16、下极板23，外接直流高压电源而成。上下极板分别位于加热器17之上和蒸发器1之下。若蒸镀的是金属膜，因为一般金属离子带正电，所以上极板16加负偏压，下极板23加正偏压，极性标示如图2。在原有实验设备上，通过加一高压变压器，并经硅整流器整流变为直流高压后引入真空室，加到上下极板上，这样，金属膜材蒸汽的离子化程度大大增高，而且在一定程度上使蒸发出的膜材蒸汽分子方向性更高，并加速淀积过程。通过控制与调节正负两极间的电压，即可控制与调节膜材淀积到基板上的速率快慢。
实施例5 本发明的基板传动装置
见图6和图7，基板传动装置主要由安装于基板托架12上的小电动机19、垫于基板14下的滑圈30、固定圈32、传动带18和滚珠31组成，俯视图见图6，中心部分的纵截面如图7。滑圈30为钢制圆环状，可以通过滚珠31绕基板托架12上固定圈32转动；而传动带18的一端套在滑圈30上，另一端由小电动机19带动而匀速转动，从而使基板14在镀膜时各个部分的膜层更加均匀。
实施例6 本发明的基板温控装置
基板温控装置由位于上极板16和基板14间的辅助电阻加热器17构成。通过调节电阻器中的电流大小，即可控制基板14表面的温度，从而可以调节到适当温度使膜层与基板附着得更加紧密。
实施例7 本发明的蒸发源与基板间距控制装置
见图6，蒸发源与基板间距控制装置可以由三对夹于基板托架12上下，并拧于三根支柱2上的扁平状调高螺母21组成，其中三根支柱2上对应的螺纹20仅刻于加热器17所在高度与挡板基座5之间。拧紧这三对调高螺母21，即可固定基板托架12；而通过同时上下旋调这三对调高螺母21，即可控制基板托架12的高度，从而控制蒸发源与基板14的间距。其中调高螺母21做成比较宽的扁平状，是为了尽可能保持整个挡板基座5处于水平位置。
Claims (3)
1、一种有定向和自控制功能的真空镀膜机，其结构有：放置在平台(34)上的真空罩(15)、通过平台(34)上的开孔连接的真空泵(33)、置于真空罩(15)内的支架(2)、置于支架(2)上端的带有圆孔的基板托架(12)、置于真空罩(15)内基板(14)下方的钨丝(35)；真空泵(33)通过平台(34)上的开孔与平台(34)和真空罩(15)构成封闭的空间——真空室；其特征是，结构还有定向装置、膜厚控制装置、淀积速率控制装置和基板传动装置；
所说的定向装置由蒸发器(1)、玻璃漏斗(4)和漏斗托架(3)组成；蒸发器(1)呈椭球壳状，中间开孔，开孔处具有凹陷卡口(22)；玻璃漏斗(4)由漏斗托架(3)支撑，其下端套于蒸发器1凹陷卡口(22)处，其上端靠近挡板基座(5)的下面与基板(14)相对；
所说的膜厚控制装置由膜厚检测装置和挡板自动控制装置组成；膜厚检测装置安装在基板托架(12)上，由微量天平(13)加装压力传感器(37)和控制电路而成；挡板自动控制装置包括中心有镀膜孔(29)的挡板基座(5)、其上安有卡座a(26)和卡座b(24)，带转动柄(28)的活动挡板(6)能盖住挡板基座(5)上的镀膜孔(29)、沿转动柄(28)轴向开有滑槽(25)，挡板基座(5)上固定有转动轴(27)、滑槽(25)套在转动轴(27)上，弹簧B(7)一端固定在挡板基座(5)上，另一端连接点(36)固定在转动柄(28)靠近活动挡板(6)和滑槽(25)的地方，弹簧A(8)一端固定在转动轴(27)上，另一端固定在转动柄(28)远离活动挡板(6)的端头，电磁铁(9)安装在转动柄(28)的端头、且在在挡板开启时与其处在同一高度并固定于钟罩外的永磁铁(10)相对，电磁铁(9)的线圈(11)通过控制电路与微量天平(13)中的压力传感器(37)相连；控制电路主要由线圈(11)、微量天平(13)、压力传感器(37)、继电器开关(38)、电键(42)、导电触片(39、40、41)及电源组成；
所说的淀积速率控制装置由固定于支架(2)上的上极板(16)和下极板(23)，及外接直流高压电源构成；上极板(16)水平放置于基板托架(12)之上，下极板(23)水平放置于蒸发器(1)之下；
所说的基板传动装置由安装于基板托架(12)上的电动机(19)、垫于基板(14)下的滑圈(30)、固定圈(32)、传动带(18)和滚珠(31)组成，固定圈(32)同心的固定在基板托架(12)上的圆孔外，滑圈(30)通过滚珠(31)同心的放置于固定圈(32)上，并能在电动机(19)通过传动带(18)带动下转动。
2、按照权利要求1所述的有定向和自控制功能的真空镀膜机，其特征是，结构还有基板温控装置；所说的基板温控装置由位于上极板(16)和基板托架(12)间的加热器(17)构成。
3、按照权利要求1或2所述的有定向和自控制功能的真空镀膜机，其特征是，结构还有蒸发源与基板间距控制装置；所说的蒸发源与基板间距控制装置，由分别置于基板托架(12)上面和下面并拧于支架(2)上的调高螺母(21)组成，支架(2)上对应的螺纹(20)仅刻于加热器(17)所在高度与挡板基座(5)所在高度之间。
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