本發(fā)明涉及鍍膜，特別是一種用于電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)內(nèi)鍍制“雕塑”薄膜的電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

隨著鍍膜技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在工業(yè)上成為一項非常廣泛應(yīng)用的鍍膜技術(shù)，電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)是常用的光學(xué)鍍膜設(shè)備。該設(shè)備主要有三大部分組成：真空系統(tǒng)、熱蒸發(fā)系統(tǒng)、膜層厚度控制系統(tǒng)，鍍膜過程是在真空室內(nèi)進(jìn)行的。圖1是現(xiàn)有電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)的真空室的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括真空系統(tǒng)1、進(jìn)氣裝置2、排氣閥門3、步進(jìn)電機(jī)4、連接筒5、基片安裝夾具6、活動擋板7、角度準(zhǔn)直裝置8和電子束蒸發(fā)源9。

在鍍膜前，關(guān)好排氣閥門3和進(jìn)氣裝置2，用真空系統(tǒng)1進(jìn)行抽真空，得到所需的本底真空度。用進(jìn)氣裝置2通入適量的氬氣和氧氣等，達(dá)到所需的比例和真空度，并對基片進(jìn)行預(yù)加熱。然后，打開步進(jìn)電機(jī)4，通過連接筒5帶動旋轉(zhuǎn)基片安裝裝置6，打開電子束蒸發(fā)源9對膜料加熱以蒸發(fā)出膜料粒子。打開活動擋板7，膜料粒子沉積到基片上，當(dāng)沉積了一定厚度的膜層后，關(guān)閉擋板7，關(guān)閉電子束蒸發(fā)源9，冷卻后取片，這就完成了單層膜的制備。電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)成熟，薄膜生長致密均勻，這種常規(guī)鍍膜方法和設(shè)備鍍制的薄膜表面均勻，光學(xué)性質(zhì)各向同性。

“雕塑”薄膜是一種采用傾斜沉積技術(shù)制備的功能性薄膜。在鍍制過程中，控制基片的旋轉(zhuǎn)速度和傾斜角度，可以得到不同形貌和性能的薄膜，如光學(xué)各向異性薄膜，雙折射薄膜等?！暗袼堋北∧ぴ诠鈱W(xué)器件和功能器件上都有著廣泛的使用前景，在國際上，這種用傾斜沉積技術(shù)制備的傾斜納米柱狀結(jié)構(gòu)受到了廣大科學(xué)工作者的青睞。

目前，采用的傾斜沉積鍍膜裝置都是通過兩個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。由于鍍膜的需要，基片必須固定，每次在傾斜基底上只能放置一個基片，如圖6所示。不同實驗之間的工藝參數(shù)由于設(shè)備穩(wěn)定性的影響，往往是不一樣的，對于探索不同的制備工藝對“雕塑”薄膜性能的影響有巨大的挑戰(zhàn)。而且，每次只做一片固定傾斜角度的樣品對于人力和時間來說都是極大的浪費。一般步進(jìn)電機(jī)本身的使用溫度不能超過135攝氏度，限制了實驗的溫度范圍。因此，如何縮短“雕塑”薄膜的研究與開發(fā)周期，加快“雕塑”薄膜新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，是“雕塑”薄膜工作者比較關(guān)心的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有傾斜沉積技術(shù)鍍制雕塑薄膜的缺點和困難，提供一種電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置及使用方法，以實現(xiàn)一次抽真空過程實現(xiàn)不同沉積角度的多片樣品。該裝置具有簡單、實用、靈活、變化自由和可操作性強(qiáng)的特點。

本發(fā)明的設(shè)計思想是：主動引入帶有多個直徑相同和不同的基片安裝圓孔的基片安裝夾具和具備傾斜沉積角度準(zhǔn)直作用的角度準(zhǔn)直裝置，將二者連接構(gòu)成鍍膜傾斜沉積的條件：角度準(zhǔn)直裝置的圓孔設(shè)計精準(zhǔn)控制入射粒子流傾斜角度；通過圓盤形基片安裝夾具的設(shè)計保證各基片之間互不遮擋，增加單次鍍制基片的數(shù)量；引入步進(jìn)電機(jī)保證鍍制基片的同步轉(zhuǎn)動，在保證了原有的三維運動特性和縮短鍍制周期的同時減少步進(jìn)電機(jī)的數(shù)量，并且鍍制溫度無高溫限制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置，包括真空系統(tǒng)、進(jìn)氣裝置、排氣閥門、步進(jìn)電機(jī)、連接筒、基片安裝夾具、活動擋板、角度準(zhǔn)直裝置和電子束蒸發(fā)源、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和計算機(jī)，其特點在于由基片安裝夾具、角度準(zhǔn)直裝置及其連接螺柱構(gòu)成傾斜沉積鍍膜裝置:

所述的基片安裝夾具為圓盤狀，自該圓盤的中心至外沿，在不同直徑的圓上中心對稱地依次布設(shè)一個第一基片安裝圓孔、連接筒連接螺孔、多個第二基片安裝圓孔、多個第三基片安裝圓孔、……、多個第m基片安裝圓孔和連接螺柱的連接螺孔，所述的第一基片安裝圓孔的圓心與基片安裝夾具的圓心重合；

所述的角度準(zhǔn)直裝置是一個和所述的基片安裝夾具的直徑相同的圓盤，自該圓盤的中心至外沿，在不同直徑的圓上中心對稱地依次布設(shè)有與所述的第一基片安裝圓孔、第二基片安裝圓孔、多個第三基片安裝圓孔、……、多個第m基片安裝圓孔相對應(yīng)的第一圓孔、多個第二圓孔、多個第三圓孔、……、多個第m圓孔和連接螺柱的連接螺孔；

所述的連接螺柱通過所述的基片安裝夾具的連接螺孔和所述的角度準(zhǔn)直裝置的連接螺孔將所述的基片安裝夾具和所述的角度準(zhǔn)直裝置連接在一起后，所述的基片安裝夾具的第一基片安裝圓孔和所述的角度準(zhǔn)直裝置第一圓孔構(gòu)成電子束蒸發(fā)0度傾斜沉積通道，所述的第二圓孔與第二基片安裝圓孔構(gòu)成電子束蒸發(fā)第二角度傾斜沉積通道，所述的第三圓孔和第三基片安裝圓孔構(gòu)成電子束蒸發(fā)第三角度傾斜沉積通道，…、k、…，所述的第m圓孔和第m基片安裝圓孔構(gòu)成電子束蒸發(fā)第m角度傾斜沉積通道；

所述的連接筒的下端具有與所述的基片安裝夾具的多個螺孔相對應(yīng)的螺孔，用于連接筒與基片安裝夾具的連接；所述的連接筒的側(cè)端具有一對螺孔與步進(jìn)電機(jī)的連接，該步進(jìn)電機(jī)經(jīng)驅(qū)動器與所述的計算機(jī)相連；

所述的電子束蒸發(fā)源位于基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置的中心的正下方位置。

所述的第k基片安裝圓孔應(yīng)滿足以下約束關(guān)系：

a_k＝(h+h₁)tanβ_k (1)

a_k1＝h₁tanβ_k (2)

d_k＝2[a_k-(h+h₁)tanα_k] (3)

d_k1＝2[a_k1-h₁tanα_k] (4)

其中，k＝1、2、…、m；

a_k為第k基片安裝圓孔的中心到基片安裝夾具中軸線的距離；

a_k1為角度準(zhǔn)直裝置中第k圓孔到角度準(zhǔn)直裝置中軸線的距離；

h為基片安裝夾具與角度準(zhǔn)直裝置之間的垂直距離；

h₁為電子束蒸發(fā)源到角度準(zhǔn)直裝置的垂直距離；

d_k為基片安裝夾具的第k基片安裝圓孔的直徑；

d_k1為角度準(zhǔn)直裝置的第k圓孔的直徑；

β_k為沉積角度，即第k基片安裝圓孔的中心和角度準(zhǔn)直裝置第k圓孔的中心的連線與所述的基片安裝夾具的中軸線的角度；

α_k為輔助分析角度，即第k基片安裝圓孔邊緣過角度準(zhǔn)直裝置邊緣的連線與所述的基片安裝夾具中軸線的角度。

上述電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置的使用方法，該方法的步驟如下：

1)根據(jù)電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜的沉積角度β_k和h,h₁,a_k,a_k1,d_k,d_k1的約束關(guān)系，設(shè)計并加工所述的基片安裝夾具、角度準(zhǔn)直裝置及其連接螺柱；

2)用連接螺柱通過基片安裝夾具的連接螺孔和角度準(zhǔn)直裝置的連接螺孔將基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置連接固定成一個整體，然后將這個整體通過連接筒與步進(jìn)電機(jī)連接在一起，即把基片安裝夾具上對稱分布的連接螺孔與連接筒底部的螺孔用螺釘連接起來，將連接筒側(cè)面的螺孔與步進(jìn)電機(jī)相連；

3)將電子束蒸發(fā)源改裝到基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置的中心正下方位置；

4)將待鍍膜的基片安裝在相應(yīng)的第k基片安裝圓孔內(nèi)，按常規(guī)抽真空、充入氬氣等，打開電子束蒸發(fā)源對膜料加熱，打開活動擋板，電子束流經(jīng)過角度準(zhǔn)直裝置蒸發(fā)到基片安裝夾具上，步進(jìn)電機(jī)帶動角度準(zhǔn)直裝置和基片安裝夾具勻速旋轉(zhuǎn)，保證鍍膜均勻。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

傳統(tǒng)的電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置，一次只能鍍制一片某個角度的薄膜樣品，本發(fā)明有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明方便易行，取下真空室內(nèi)原有的常規(guī)夾具，換上本發(fā)明的發(fā)明裝置即滿足傾斜沉積鍍膜條件；

2.本發(fā)明的基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置滿足單次工作鍍制多片相同沉積角度和不同沉積角度的樣品，包括基片的水平常規(guī)鍍膜；

3.本發(fā)明裝置在滿足傾斜沉積控制精度的條件下，還滿足加熱條件下制備“雕塑”薄膜。

4.本發(fā)明使用步進(jìn)電機(jī)通過連接筒驅(qū)動基片安裝夾具的轉(zhuǎn)動，精確控制鍍膜過程中的旋轉(zhuǎn)速度。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)的真空室結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置帶步進(jìn)電機(jī)二維幾何關(guān)系示意圖

圖3是本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置不帶步進(jìn)電機(jī)的三維示意圖

圖4是本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置的角度準(zhǔn)直裝置的俯視圖

圖5是本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置的連接筒實施例的正視圖和俯視圖

圖6是傳統(tǒng)電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置

具體實施方式

請先參閱圖1、圖2，從圖看出，本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置，包括真空系統(tǒng)1、進(jìn)氣裝置2、排氣閥門3、步進(jìn)電機(jī)4、連接筒5、基片安裝夾具6、活動擋板7、角度準(zhǔn)直裝置8和電子束蒸發(fā)源9、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和計算機(jī)，由基片安裝夾具6、角度準(zhǔn)直裝置8及其連接螺柱10構(gòu)成傾斜沉積鍍膜裝置:

參閱圖3，所述的基片安裝夾具6為圓盤狀，自該圓盤的中心至外沿，在不同直徑的圓上中心對稱地依次布設(shè)一個第一基片安裝圓孔61、連接筒連接螺孔65、多個第二基片安裝圓孔62、多個第三基片安裝圓孔63、……、多個第m基片安裝圓孔和連接螺柱的連接螺孔64，所述的第一基片安裝圓孔61的圓心與基片安裝夾具6的圓心重合；

參閱圖4，所述的角度準(zhǔn)直裝置8是一個和所述的基片安裝夾具6的直徑相同的圓盤，自該圓盤的中心至外沿，在不同直徑的圓上中心對稱地依次布設(shè)有與所述的第一基片安裝圓孔61、第二基片安裝圓孔62、多個第三基片安裝圓孔63、……、多個第m基片安裝圓孔相對應(yīng)的第一圓孔81、多個第二圓孔82、多個第三圓孔83、……、多個第m圓孔和連接螺柱的連接螺孔84；

所述的連接螺柱10通過所述的基片安裝夾具6的連接螺孔64和所述的角度準(zhǔn)直裝置8的連接螺孔84將所述的基片安裝夾具6和所述的角度準(zhǔn)直裝置8連接在一起后，所述的基片安裝夾具6的第一基片安裝圓孔61和所述的角度準(zhǔn)直裝置8第一圓孔81構(gòu)成電子束蒸發(fā)0度傾斜沉積通道，所述的第二圓孔82與第二基片安裝圓孔62構(gòu)成電子束蒸發(fā)第二角度傾斜沉積通道，所述的第三圓孔83和第三基片安裝圓孔63構(gòu)成電子束蒸發(fā)第三角度傾斜沉積通道，…、k、…，所述的第m圓孔和第m基片安裝圓孔構(gòu)成電子束蒸發(fā)第m角度傾斜沉積通道；

所述的連接筒5的下端具有與所述的基片安裝夾具的多個螺孔65相對應(yīng)的螺孔，用于連接筒5與基片安裝夾具6的連接；所述的連接筒5的側(cè)端具有一對螺孔與步進(jìn)電機(jī)4的連接，該步進(jìn)電機(jī)4經(jīng)驅(qū)動器與所述的計算機(jī)相連；

所述的電子束蒸發(fā)源9位于基片安裝夾具6和角度準(zhǔn)直裝置8的中心的正下方；

參閱圖2，所述的第k基片安裝圓孔應(yīng)滿足以下約束關(guān)系：

a_k＝(h+h₁)tanβ_k (1)

a_k1＝h₁tanβ_k (2)

d_k＝2[a_k-(h+h₁)tanα_k] (3)

d_k1＝2[a_k1-h₁tanα_k] (4)

其中，k＝1、2、…、m；

a_k為第k基片安裝圓孔的中心到基片安裝夾具中軸線的距離；

a_k1為角度準(zhǔn)直裝置中第k圓孔到角度準(zhǔn)直裝置中軸線的距離；

h為基片安裝夾具與角度準(zhǔn)直裝置之間的垂直距離；

h₁為電子束蒸發(fā)源到角度準(zhǔn)直裝置的垂直距離；

d_k為基片安裝夾具的第k基片安裝圓孔的直徑；

d_k1為角度準(zhǔn)直裝置的第k圓孔的直徑；

β_k為沉積角度，即第k基片安裝圓孔的中心和角度準(zhǔn)直裝置第k圓孔的中心的連線與所述的基片安裝夾具的中軸線的角度；

α_k為輔助分析角度，即第k基片安裝圓孔邊緣過角度準(zhǔn)直裝置邊緣的連線與所述的基片安裝夾具中軸線的角度。

參閱圖5，所述的連接筒5的下端具有與所述的基片安裝夾具的多個螺孔65相對應(yīng)的螺孔，用于連接筒5與基片安裝夾具6的連接；所述的連接筒5的側(cè)端具有一對螺孔與步進(jìn)電機(jī)4的連接，該步進(jìn)電機(jī)4經(jīng)驅(qū)動器與所述的計算機(jī)相連。

所述的電子束蒸發(fā)源9位于所述的基片安裝夾具6和角度準(zhǔn)直裝置8的中心正下方位置，在鍍膜前，將基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置通過連接螺柱用墊圈和六角螺帽固定成一個整體，通過連接筒連接步進(jìn)電機(jī)，這樣操作簡單、靈活且實用。

本發(fā)明電子束蒸發(fā)傾斜沉積鍍膜裝置的實施例1，基片安裝夾具每一種規(guī)格的圓孔對應(yīng)一種傾斜沉積角度，改變傾斜角度可通過改變基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置的設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)，本實施例三種傾斜沉積角度分別為0度、30度和60度每種沉積角度可放置的樣品基片分別為1片、6片和12片。使用中間的6個第二基片安裝圓孔62，鍍制傾斜角度為30度的“雕塑”薄膜樣品，使用12個第三基片安裝圓孔63，鍍制傾斜角度為60度的“雕塑”薄膜樣品。第二、三基片安裝圓孔的中心到基片安裝夾具中軸線的距離為a₂、a₃，第二、第三基片安裝圓孔的直徑為d₂、d₃，角度準(zhǔn)直裝置中第二、三圓孔到角度準(zhǔn)直裝置中軸線的距離為a₂₁,a₃₁,角度準(zhǔn)直裝置的第二、三圓孔的直徑為d₂₁＝d₃₁,第二、三基片的傾斜沉積角度為β₁＝30°，β₂＝60°，它們與已知的參數(shù)h,h₁,d₂₁＝d₃₁滿足關(guān)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]，并且滿足d₂<0.5(h+h₁)、d₃<0.5(h+h₁)。

第一步：選擇需要鍍膜的空白基片，把基片清洗處理后放在已經(jīng)設(shè)計好的第二、三基片安裝圓孔62和63上，并用螺釘固定好。

第二步：用連接螺柱10通過基片安裝夾具6的連接螺孔64和角度準(zhǔn)直裝置8的連接螺孔84將基片安裝夾具和角度準(zhǔn)直裝置連接固定成一個整體，然后將這個整體通過連接筒5與步進(jìn)電機(jī)4連接在一起，即把基片安裝夾具6上對稱分布的連接螺孔65與連接筒底部的螺孔12，13，14，15用螺釘連接起來，將連接筒側(cè)面的螺孔11與步進(jìn)電機(jī)4相連；

第三步：將電子束蒸發(fā)源9放置在到基片安裝夾具6和角度準(zhǔn)直裝置8的中心正下方位置；

第四步：按常規(guī)抽真空、充入氬氣等，打開電子束蒸發(fā)源9對膜料加熱，打開活動擋板7，電子束流經(jīng)過角度準(zhǔn)直裝置8蒸發(fā)到基片安裝夾具6上，步進(jìn)電機(jī)4帶動角度準(zhǔn)直裝置8和基片安裝夾具6勻速旋轉(zhuǎn)，保證鍍膜均勻。一定的時間后，完成鍍膜，關(guān)閉活動擋板，關(guān)閉電子束蒸發(fā)源。

第五步：冷卻后取片。

綜上所述，本發(fā)明通過設(shè)計基片安裝夾具、角度準(zhǔn)直裝置、連接螺柱，結(jié)合計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)一次性可以鍍制多片不同傾斜角度的“雕塑”薄膜，方便使用且操作簡單，解決了雕塑薄膜實際制備的難題，節(jié)省了時間。