一種雙功能柱對稱大尺寸高均勻性線型磁控靶鍍膜設備的製作方法
2023-12-09 23:36:30 1
本發明涉及一種雙功能柱對稱大尺寸高均勻性線型磁控靶鍍膜設備，屬於納米級光學薄膜製備設備領域。
背景技術：
隨著我國天文探索需求的不斷增加，嵌套式掠入射聚焦x射線天文望遠鏡的研製已經提上日程。嵌套式掠入射聚焦x射線天文望遠鏡的鏡片具有大尺寸、柱對稱等特點，而現有的鍍膜機大多採用自轉加公轉的行星運動模式，這樣的運動模式使得其製備的鏡片具有圓對稱的特性，不能滿足我們現在對於製備柱對稱的嵌套式掠入射聚焦x射線天文望遠鏡的大尺寸柱面鏡鏡片的要求，同時由於運動模式的限制，使得一次性可安放的樣品數量較少，其生產效率不能滿足嵌套式的結構對於鏡片大量製備需求。因此，能夠批量穩定生產，並且具有柱對稱性質的大型磁控濺射鍍膜機的設計成為了研製嵌套式掠入射聚焦x射線天文望遠鏡的前提。同時在望遠鏡鏡片製備的過程中，由於在熱彎玻璃成型的工藝中對於凸柱面鏡的薄膜製備需求，使得能夠同時滿足對於柱面基底凹面和凸面的薄膜製備需求，也成為了這一磁控鍍膜設備的設計要求。在這樣特定的鏡片結構和特定的生產需求下，一種使用線型磁控濺射靶槍的雙功能柱對稱大尺寸高均勻性鍍膜機應運而生。
技術實現要素：
為了同時滿足對凸形和凹形柱面鏡片的製備和穩定批量生產的需求，本發明的目的在於提供一種雙功能柱對稱大尺寸高均勻性線型磁控靶鍍膜設備，該裝置不僅可以對柱面鏡的凹面進行高均勻性的x射線薄膜鍍制，同時還可以對柱面鏡的凸面進行高均勻性x射線薄膜的鍍制，並且滿足了批量化高精度生產的需求。本裝置主要結構包括：三個可以轉動改變濺射方向的豎直放置線型磁控濺射靶槍，靶槍前安裝有氣動擋板；一個可以控制自轉速度的用於安裝凸形柱面基底的轉動軸，轉動軸上可以按照需求安裝夾持鍍膜基底的工裝；一個可以控制轉動速度的用於安裝凹形柱面基底的轉動圓環，轉動圓環安裝有樣品板，利用樣品板完成對鍍膜基底的加持。靶槍安裝在轉軸和轉環之間，通過調整靶槍濺射方向，完成對不同的樣品載臺上的樣品進行鍍制，利用轉動軸和轉動圓環的轉動方式及與靶槍相對位置的不同，完成對柱面鏡凹面和凸面的薄膜製備。
本發明採用的技術方案是：
一種雙功能柱對稱大尺寸高均勻性線型磁控靶鍍膜設備，由真空腔體、轉動圓環、樣品架、磁控濺射靶槍、氣動擋板和靶槍基座組成，其中：柱狀的真空腔體內設置有轉動圓環支撐柱，所述轉動圓環支撐柱由外層柱套和內層轉動塊組成，外層柱套固定於真空腔體底部,內層轉動塊頂部設有可調整轉速的轉動圓環，內層轉動塊的底部連接步進電機，轉動圓環上安放有樣品架，用於安裝樣品；所述轉動軸固定於真空腔體底部，轉動軸穿過轉動圓環，且轉動軸、轉動圓環和真空腔體同軸布置；轉動軸上安裝有樣品；所述轉動軸通過磁流體軸與電機相連，可控制自轉速度；真空腔體內底部設有三個導軌，導軌上設有靶槍基座，兩兩間隔90度，即分別安裝於真空腔體的3點鐘、6點鐘和9點鐘方向；磁控濺射靶槍位於靶槍基座上，所述三個磁控濺射靶槍穿過轉動圓環的空心部分，導軌上不同位置設有螺絲孔，當三個靶槍基座設置於不同的螺絲孔位置時，可以調整磁控濺射靶槍與轉動圓環或轉動軸的相對位置，氣動擋板連接件固定於靶槍基座上，氣動擋板通過氣動擋板連接件連接氣動快門，完成氣動擋板的開關控制，氣動擋板位於磁控濺射靶槍的內側，通過變換氣動擋板的開關，控制磁控濺射靶槍的測射粒子是否沉積到基底上。
本發明中，所述磁控濺射靶槍為線型磁控濺射靶槍，該靶槍濺射面為38mm×508mm，可180°反向安裝，實現對真空腔體中心的轉動軸上樣品和外圍轉動圓環上樣品的鍍制。同時磁控濺射靶槍通過靶槍基座安裝在導軌組件上，可以沿著真空腔體的半徑方向滑動，用以調整在不同模式中磁控濺射靶槍所需的不同位置；當磁控濺射靶槍朝向轉動圓環時，樣品架與靶面距離為60mm~160mm；當磁控濺射靶槍朝向轉動軸時，樣品尺寸為ф60mm，樣品表面與靶面距離為65mm~160mm。
本發明中，所述轉動圓環的轉速可調範圍為0.01~1轉/分鐘，轉速控制精度為0.01轉/分鐘。
本發明中，轉動圓環上樣品架的尺寸為：高600mm，寬245mm，樣品架為12個，所述樣品架可安裝凹形柱面鏡基底，所述凹形柱面鏡基底的尺寸為：曲率直徑為100mm~260mm，母線長度為230mm以內，弧角度為0°~90°。
本發明中，所述轉動軸的轉速可調範圍為0.1~100轉/分鐘，轉動軸放置凸形柱面鏡基底，所述凸形柱面鏡基底直徑為60mm~220mm，長50mm~45mm。
本發明通過改變轉動圓環內靶槍的濺射方向，朝向轉動轉環內側，形成圓柱內壁對稱的濺射模式，通過改變轉動轉環上樣品掃過靶槍濺射區的轉動速率，調控薄膜厚度，完成對柱面鏡的凹面進行薄膜製備；在真空腔體的中心安置可調節自轉速度的轉動軸，並在轉動軸上安放薄膜基底，改變磁控濺射靶槍的濺射方向，朝向轉動軸，形成圓柱外壁對稱的濺射模式，通過調控磁控濺射靶槍前快門擋板的開關時間，調控鍍制的薄膜厚度，完成對柱面鏡凸面的薄膜製備。主要通過切換安裝在轉動圓環和轉動軸之間可以變換朝向的磁控濺射靶槍的濺射方向，完成對轉動軸或轉動圓環上基底鍍膜的功能切換，利用柱對稱形式的不同，完成不同鍍膜模式的轉換。同時本裝置由於轉動圓環和轉協軸在轉動過程中不同位置上的基底有柱對稱特性，因而在轉動圓環和轉動軸上不同位置安裝基底都可以具有相同的薄膜製備能力，因而可以穩定批量的製備薄膜鏡片，極大的提高了生產效率。
本發明的有益效果在於：
本發明實現了一機兩用，改變了傳統的圓對稱鍍膜方式，實現了對柱對稱樣品的柱凸面及柱凹面的薄膜鍍制，並且極大的提高了鍍膜設備的應用範圍，並在鍍制轉動圓環上的樣品時可以通過氣動擋板和轉動圓環的配合完成對轉動圓環上不同位置樣品架上樣品的獨立控制，提高了製備效率。
附圖說明
圖1為真空腔俯視圖和機器實體照片。
圖1為靶槍朝外，指向轉動圓環的鍍膜模式示意圖。此時靶槍朝向轉環內側，形成圓柱內壁對稱的濺射模式，通過改變轉環上基底掃過靶槍濺射區的轉動速率，調控薄膜厚度，完成對柱面鏡的凹面進行薄膜製備。
圖2為靶槍朝內，指向轉動軸的鍍膜模式示意圖。此時靶槍朝向轉動軸，形成圓柱外壁對稱的濺射模式，通過調控靶槍前快門擋板的開關時間，調控鍍制的薄膜厚度，完成對柱面鏡凸面的薄膜製備。
圖3為鍍膜機內部結構實物圖1。
圖4為鍍膜機內部結構實物圖2。
圖5為本發明的轉動軸的結構圖示。
圖中標號：1為真空腔體，2為轉動圓環，3為樣品架，4為轉動軸，5為氣動擋板，6為磁控濺射靶槍，7為靶槍基座，8為氣動檔板連接件，9為氣動快門，10為轉動圓環支撐柱，11為步進電機，12為電機，13磁流體軸。
具體實施方式
下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。
實施例１：
在真空腔體1的中心處安放有轉動軸4，轉動軸4與磁流體軸13相連，磁流體軸13穿過真空腔體1底部與電機12相連，完成電機12帶動轉動軸4的傳動過程。在轉動軸4沿真空腔體1半徑方向間隔90度分別安置有3個磁控濺射靶槍6，磁控濺射靶槍6通過靶槍基座7與真空腔體1底部相連，利用調整靶槍基座7的不同位置，可以調整磁控濺射靶槍6在真空腔體1內沿半徑方向所處的位置。在靶槍基座7側壁套有可以轉動的氣動擋板連接件8，氣動擋板連接件8在真空腔體1內與氣動擋板5連接，穿過真空腔體1底部與氣動快門9連接，完成氣動快門9對氣動擋板5的控制。在真空腔體1的最外側套有轉動圓環2，轉動圓環2上安放有樣品架3，轉動圓環2依靠三個均勻分布的可以轉動的轉動圓環支撐柱10支撐，轉動圓環支撐柱10穿過真空腔體1底部與步進電機11相連，完成步進電機11對轉動圓環2的轉動控制。
製備凸形柱面鏡時，靶槍濺射方向轉向轉動軸，在轉動軸上安裝凸形柱面基底，根據基底尺寸調整靶槍位置得到合適的靶距。鍍膜開始後，轉動軸以一定速率自轉。鍍膜起始階段，靶槍前擋板處於關閉狀態，鍍膜開始後靶槍前的氣動擋板交替開關，利用控制鍍膜時間完成對鍍膜厚度控制，最終完成對凹形柱面鏡的鍍制。
凸形柱面鏡薄膜製備實施案例舉例：所鍍制的凸形柱面鏡曲率半徑為170mm，長度為210mm，鍍制薄膜為納米級pt/cr雙層膜。使用靶距為100mm，本底真空在優於3×10-4pa，向真空腔體內充入濺射氣體ar氣，充入量為3mtorr，濺射材料為pt和cr，靶槍濺射功率分別選取為wpt=400w，wcr=400w，轉軸自轉速率為30轉/分鐘。通過控制pt和cr靶前氣動擋板的交替開關完成對凸形柱面鏡一定厚度的pt/cr雙層膜製備。
製備凹形柱面鏡時，靶槍濺射方向轉向轉動圓環，在轉動圓環的樣品架上安裝凹形柱面基底。鍍膜起始階段，靶槍前擋板處於關閉狀態，轉動圓環帶動凹形柱面基底轉動，當需要鍍制的基底掃過靶槍濺射區的時候，靶槍快門擋板打開，在基底掃過靶槍濺射區的過程中對基底進行薄膜鍍制，通過對轉動圓環轉動速率的控制完成對鍍膜厚度的調控，最終完成對凸形柱面鏡的鍍制。利用快門的開關和轉環轉動速率的梯度變化，可以獨立調控轉環上不同位置樣品架上基底的獨立鍍制，從而可以使得設備可以同時對轉環上不同位置安裝的基底，進行相同或者不同結構薄膜的製備，對鏡片進行批量生產。
凹形柱面鏡薄膜製備實施案例舉例：所鍍制的凹形柱面鏡曲率半徑為167mm，長度為150mm，鍍制薄膜為納米級w/si多層膜。使用靶距為100mm，本底真空在優於3×10-4pa，向真空腔體內充入濺射氣體ar氣，充入量為3mtorr，濺射材料為w和si，靶槍濺射功率分別選取為ww=200w，wsi=400w，當樣品轉至工作靶槍濺射區域時，氣動擋板打開，轉動圓環轉動速率改變為預先設定速率，控制薄膜鍍制厚度；樣品轉出工作區域後，氣動擋板關閉，轉動圓環速率升至1轉/分鐘，直至樣品進入下一個工作靶槍濺射區，重複氣動擋板打開轉動圓環變速過程，完成w/si多層膜的鍍制。