有定向及自控制功能的真空鍍膜機的製作方法

2023-05-22 08:50:41

專利名稱：有定向及自控制功能的真空鍍膜機的製作方法
技術領域：
本發明涉及真空鍍膜裝置，尤其是一種具有定向控制及自控制功能的改進型真空鍍膜機。
背景技術：
在過去的15-20年中，光學薄膜鍍制設備出現了令人矚目的變化。現有真空蒸發鍍膜技術一般是在10-2Pa～10-3Pa的真空中加熱金屬、金屬化合物或其他鍍膜材料，使其在極短時間內蒸發，從而把純淨的原子沉積到基板表面上形成鍍膜層，屬於物理氣相沉積(PVD)。由於鍍制過程中幾乎無雜質進入，可以使鍍層質量十分優異。真空鍍膜室的真空度、鍍膜材料的蒸發速率、基板和蒸發源的間距，以及基板表面狀態和溫度等都是影響鍍膜層質量的因素。
最常見的現有真空蒸發鍍膜機結構如圖1，其結構有放置在平臺34上的真空罩15、通過平臺34上的開孔連接的真空泵33、置於真空罩15內的支架2、置於支架2上端的帶有圓孔的基板託架12、置於真空罩15內基板14下方的鎢絲35；真空泵33通過平臺34上的開孔與平臺34和真空罩15構成封閉的空間——真空室。
鍍膜時，基板14放置於基板託架12上，真空室由真空泵33抽真空，再由通電的鎢絲35加熱鍍膜材料使其在極短時間內蒸發，把純淨的鍍膜材料的原子沉積到基板表面上，形成鍍膜層。
現有的真空鍍膜機具有設備簡單、製備工藝容易、多數物質均可以蒸鍍的優點，但也存在一些不足1、鍍膜時，鍍膜材料大面積揮發，浪費將是非常嚴重的，而且使得每鍍一次都得清洗鐘罩。
2、鍍層與基板表面結合力太弱。
3、澱積速度較慢。
4、膜層厚度不十分均勻，且膜厚難以控制。
5、受宏觀顆粒影響比較嚴重。伴隨熔融鍍膜材料液滴的蒸發，少量未完全熔化的鍍膜材料和同時蒸發的鎢及其它雜質分子也會澱積在基板表面上，從而增大薄膜表面粗糙度，降低薄膜附著力，使薄膜密度不均勻，膜層中宏觀顆粒與連續薄膜之間存在明顯的分解面。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服背景技術的不足，在現有真空蒸發鍍膜機基礎上進行改進，使得鍍膜材料蒸鍍更加集中，鍍層與基板表面結合力大大增強，加快澱積速度，膜層厚度更加均勻且膜厚可以控制，所鍍的薄膜密度更加均勻，純度提高，從而可以控制並提高鍍膜的質量。
本發明的有定向及自控制功能的真空鍍膜機的結構保留了背景技術的所有部件，增加設計了定向裝置和3個控制裝置膜厚控制裝置、澱積速率控制裝置、基板傳動裝置。
所說的定向裝置由蒸發器1、玻璃漏鬥4和漏鬥託架3組成。蒸發器1呈橢球殼狀，中間開孔，開孔處具有凹陷卡口22；玻璃漏鬥4由漏鬥託架3支撐，其下端套於蒸發器1凹陷卡口22處，其上端靠近擋板基座5的下面與基板14相對(如圖2)。
所說的膜厚控制裝置由膜厚檢測裝置和擋板自動控制裝置組成。膜厚檢測裝置安裝在基板託架12上，由微量天平13加裝一個高靈敏度壓力傳感器37和控制電路(如圖5)而成。擋板自動控制裝置(如圖3、4)包括中心有鍍膜孔29的擋板基座5、其上安有卡座a 26和卡座b 24，帶轉動柄28的活動擋板6能蓋住擋板基座5上的鍍膜孔29、沿轉動柄28軸向開有滑槽25，擋板基座5上固定有轉動軸27、滑槽25套在轉動軸27上，彈簧B 7一端固定在擋板基座5上，另一端連接點36固定在轉動柄28靠近活動擋板6和滑槽25的地方，彈簧A 8一端固定在轉動軸27上，另一端固定在轉動柄28遠離活動擋板6的端頭，電磁鐵9安裝在轉動柄28的端頭、且在在擋板開啟時與其處在同一高度並固定於鐘罩外的永磁鐵10相對，電磁鐵9的線圈11通過控制電路與微量天平13中的壓力傳感器37相連，控制電路主要由線圈11、微量天平13、壓力傳感器37、繼電器開關38、電鍵42、導電觸片39、40、41及電源等組成。
所說的澱積速率控制裝置由固定於支架2上的上極板16和下極板23，及外接直流高壓電源構成。上極板16水平放置於基板託架12之上，下極板23水平放置於蒸發器1之下。
所說的基板傳動裝置由安裝於基板託架12上的電動機19、墊於基板14下的滑圈30、固定圈32、傳動帶18和滾珠31組成，固定圈32同心的固定在基板託架12上的圓孔外，滑圈30通過滾珠31同心的放置於固定圈32上，並能在電動機19通過傳動帶18帶動下轉動(如圖6、圖7)。
膜厚控制裝置中的微量天平13，可選用石英振蕩器式微量天平。採用石英振蕩器式微量天平作為膜厚檢測裝置的原因是因其不但價格比較低廉，而且裝置簡單。
為了進一步提高鍍膜的質量，本發明還可以加裝基板溫控裝置和蒸發源與基板間距控制裝置。
所說的基板溫控裝置由位於上極板16和基板託架12間的加熱器17構成。
所說的蒸發源與基板間距控制裝置，由分別置於基板託架12上面和下面並擰於支架2上的調高螺母21組成，支架2上對應的螺紋20僅刻於加熱器17所在高度與擋板基座5所在高度之間。
本發明的有定向及自控制功能的真空鍍膜機，由於加裝了定向裝置使蒸發出的膜材分子定向擴散到基板14表面，避免了蒸汽分子散射造成的浪費；又可防止在氣化時大顆粒的膜材熔融物飛濺到基板14上，影響薄膜的質量；同時，蒸發器提供了一種半封閉環境，使得各部分蒸發出的氣體分子的溫度近似相同，從而使膜層與基板結合得更均勻，更緻密。本發明能夠通過膜厚控制裝置測量並控制鍍膜的厚度；通過澱積速率控制裝置，使金屬膜材蒸汽的離子化程度大大增高，而且在一定程度上使蒸發出的膜材蒸汽分子方向性更高，並加速澱積過程，通過控制與調節正負兩極間的電壓，實現控制與調節膜材澱積到基板上的速率快慢；通過基板傳動裝置、基板溫控裝置、定向裝置、蒸發源與基板間距控制裝置、和澱積速率控制裝置等的協同工作，從而保證了膜層均勻性，也使膜層與基板附著得更加緊密。本發明設計的六個裝置並不只具各自的單一功用，而是互有裨益的，如澱積速率控制裝置中正負電極產生的電場也使得蒸發出的膜材蒸汽方向性更好，定向裝置也使得膜層的均勻性和緻密性更好。同時本發明只是在原有設備的基礎上改進而實現的，所以設備簡單，投資較小。


圖1是背景技術的真空鍍膜機結構示意圖。
圖2是本發明的可定向控制的真空鍍膜機整體結構示意圖。
圖3是本發明的膜厚控制裝置中擋板部分開啟狀態結構示意圖。
圖4是本發明的膜厚控制裝置中擋板部分關閉狀態結構示意圖。
圖5是本發明的膜厚檢測裝置的控制電路圖。
圖6是本發明的基板傳動裝置俯視圖。
圖7是圖6的基板傳動裝置縱截面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發明的結構和工作過程。
實施例1 本發明的整體結構見圖2，與背景技術相同的結構部分有放置在平臺34上的真空罩15、通過平臺34上的開孔連接的真空泵33、置於真空罩15內的支架2、置於支架2上端的帶有圓孔的基板託架12、置於真空罩15內並在基板託架12下方的鎢絲35。圖1、圖2中14為基板。
增加設計的定向裝置由帶凹陷卡口22的蒸發器1、放置在漏鬥託架3上的玻璃漏鬥4、鎢絲35構成。
增加設計的膜厚控制裝置由基板託架12上、加裝了一個高靈敏度壓力傳感器37和控制電路的石英振蕩器式微量天平13和擋板自動控制裝置構成。其中的擋板自動控制裝置由擋板基座5、帶轉動柄28的活動擋板6、彈簧A8、彈簧B7和電磁鐵9、永磁鐵10等組成。
增加設計的澱積速率控制裝置由上極板16、下極板23，外接直流高壓電源構成。
增加設計的基板傳動裝置由電動機19、墊於基板14下的滑圈30、固定圈32、傳動帶18和滾珠31構成。圖2中滑圈30、固定圈32和滾珠31未畫出。
增加設計的基板溫控裝置由輔助加熱器17構成。
增加設計的蒸發源與基板間距控制裝置由調高螺母21和旋刻在支柱2上的與調高螺母21對應的螺紋20構成。
通常支架2有三根立柱，所以調高螺母21可以有三個。
實施例2 本發明的定向裝置見圖2，定向裝置由蒸發器1、玻璃漏鬥4和漏鬥託架3組成。蒸發器1呈橢球殼狀，並具凹陷卡口22，中間開孔；套於蒸發器1凹陷卡口22處的玻璃漏鬥4是可拆卸的，並由漏鬥託架3支撐，以方便鍍膜材料的裝填；鍍膜材料熔在蒸發器內的鎢絲上。加熱時，氣化的膜材蒸汽經由中間圓孔擴散出，沿玻璃漏鬥4到達基板14表面，澱積為薄膜。
這樣，由於蒸發器1提供了一種半封閉環境，膜材分子沿玻璃漏鬥4定向的擴散到基板14表面，避免了蒸汽分子散射造成的浪費；又可防止在氣化時大顆粒的膜材熔融物飛濺到基板14上，影響薄膜的質量。同時，由於蒸發器1中的半封閉環境，還使得各部分蒸發出的氣體分子的溫度近似相同，從而使膜層與基板結合得更均勻，更緻密。
實施例3 本發明的膜厚控制裝置膜厚控制裝置由膜厚檢測裝置和擋板自動控制裝置組成。
膜厚檢測裝置安裝在基板託架12上，由石英振蕩器式微量天平13加裝一個高靈敏度壓力傳感器37和控制電路而成。
擋板自動控制裝置見圖3和圖4，由電磁鐵9、與其處在同一高度並固定於鐘罩外的永磁鐵10，和擋板部分組成。其中電磁鐵9安裝在活動擋板轉動柄28的末端，在擋板開啟時，其線圈11正對著鐘罩外的永磁鐵10，且此時兩磁鐵的軸向近似在一直線上；同時，此線圈11通過控制電路與微量天平13中的高靈敏度壓力傳感器37相連。擋板部分包括擋板基座5、活動擋板6、含滑槽25的轉動柄28、彈簧A8和彈簧B7等組成。彈簧A8一端連接轉動柄28，另一端連接固定在擋板基座5上的轉動軸27處；彈簧B7兩端分別連接轉動柄28與擋板基座5；彈簧B7的彈性係數kB大於彈簧A8的彈性係數kA；其中擋板基座5在圖3位置加裝卡座a26和卡座b24，並在中間開設鍍膜孔29。
當開始鍍膜時，先將活動擋板轉動柄28置於卡座a26處(如圖3-開啟狀態)。此時，將電鍵42閉合，電磁鐵線圈11中接通電流，使其產生的磁場與鐘罩外永磁鐵10產生的磁場方向相同，即它們將相互吸引，彈簧A8處於輕微拉伸狀態；彈簧B7雖然處於高度壓縮狀態，但由於其位於轉動柄28上的連接點36與活動擋板6的轉動軸27距離非常近，所以它對活動擋板6的轉動力矩接近於0，並完全被卡座a26對轉動柄28的轉動力矩抵消，故活動擋板6扣於卡座a26處不動，擋板處於穩定開啟狀態。當達到實驗所需膜厚時，即由石英振蕩器式微量天平13測定，並觸動裝在上面的高靈敏度壓力傳感器37，將繼電器開關38從導電接觸片39、40處，撥至與觸片40、41相接觸，從而使電磁鐵線圈11中電流反向。由於此時電磁鐵9與永磁鐵10相互間的排斥作用，使得轉動柄28被推離卡座a26，同時彈簧B7對活動擋板6的轉動力矩增大，而且由於彈簧B的彈性係數較大，故轉動柄28瞬間被轉至卡座b24處，活動擋板6擋住了擋板基座5上的鍍膜孔29，擋板處於關閉狀態，鍍膜停止(如圖4-關閉狀態)。
鍍膜完成後，可以用光學膜厚監控儀對膜厚進行更精密檢驗。
見圖5，控制電路主要由線圈11、微量天平13、壓力傳感器37、繼電器開關38、電鍵42、導電觸片39、40、41及電源等組成。
實施例4 本發明的澱積速率控制裝置澱積速率控制裝置由上極板16、下極板23，外接直流高壓電源而成。上下極板分別位於加熱器17之上和蒸發器1之下。若蒸鍍的是金屬膜，因為一般金屬離子帶正電，所以上極板16加負偏壓，下極板23加正偏壓，極性標示如圖2。在原有實驗設備上，通過加一高壓變壓器，並經矽整流器整流變為直流高壓後引入真空室，加到上下極板上，這樣，金屬膜材蒸汽的離子化程度大大增高，而且在一定程度上使蒸發出的膜材蒸汽分子方向性更高，並加速澱積過程。通過控制與調節正負兩極間的電壓，即可控制與調節膜材澱積到基板上的速率快慢。
實施例5 本發明的基板傳動裝置見圖6和圖7，基板傳動裝置主要由安裝於基板託架12上的小電動機19、墊於基板14下的滑圈30、固定圈32、傳動帶18和滾珠31組成，俯視圖見圖6，中心部分的縱截面如圖7。滑圈30為鋼製圓環狀，可以通過滾珠31繞基板託架12上固定圈32轉動；而傳動帶18的一端套在滑圈30上，另一端由小電動機19帶動而勻速轉動，從而使基板14在鍍膜時各個部分的膜層更加均勻。
實施例6 本發明的基板溫控裝置基板溫控裝置由位於上極板16和基板14間的輔助電阻加熱器17構成。通過調節電阻器中的電流大小，即可控制基板14表面的溫度，從而可以調節到適當溫度使膜層與基板附著得更加緊密。
實施例7 本發明的蒸發源與基板間距控制裝置見圖6，蒸發源與基板間距控制裝置可以由三對夾於基板託架12上下，並擰於三根支柱2上的扁平狀調高螺母21組成，其中三根支柱2上對應的螺紋20僅刻於加熱器17所在高度與擋板基座5之間。擰緊這三對調高螺母21，即可固定基板託架12；而通過同時上下旋調這三對調高螺母21，即可控制基板託架12的高度，從而控制蒸發源與基板14的間距。其中調高螺母21做成比較寬的扁平狀，是為了儘可能保持整個擋板基座5處於水平位置。
權利要求
1.一種有定向和自控制功能的真空鍍膜機，其結構有放置在平臺(34)上的真空罩(15)、通過平臺(34)上的開孔連接的真空泵(33)、置於真空罩(15)內的支架(2)、置於支架(2)上端的帶有圓孔的基板託架(12)、置於真空罩(15)內基板(14)下方的鎢絲(35)；真空泵(33)通過平臺(34)上的開孔與平臺(34)和真空罩(15)構成封閉的空間——真空室；其特徵是，結構還有定向裝置、膜厚控制裝置、澱積速率控制裝置和基板傳動裝置；所說的定向裝置由蒸發器(1)、玻璃漏鬥(4)和漏鬥託架(3)組成；蒸發器(1)呈橢球殼狀，中間開孔，開孔處具有凹陷卡口(22)；玻璃漏鬥(4)由漏鬥託架(3)支撐，其下端套於蒸發器1凹陷卡口(22)處，其上端靠近擋板基座(5)的下面與基板(14)相對；所說的膜厚控制裝置由膜厚檢測裝置和擋板自動控制裝置組成；膜厚檢測裝置安裝在基板託架(12)上，由微量天平(13)加裝壓力傳感器(37)和控制電路而成；擋板自動控制裝置包括中心有鍍膜孔(29)的擋板基座(5)、其上安有卡座a(26)和卡座b(24)，帶轉動柄(28)的活動擋板(6)能蓋住擋板基座(5)上的鍍膜孔(29)、沿轉動柄(28)軸向開有滑槽(25)，擋板基座(5)上固定有轉動軸(27)、滑槽(25)套在轉動軸(27)上，彈簧B(7)一端固定在擋板基座(5)上，另一端連接點(36)固定在轉動柄(28)靠近活動擋板(6)和滑槽(25)的地方，彈簧A(8)一端固定在轉動軸(27)上，另一端固定在轉動柄(28)遠離活動擋板(6)的端頭，電磁鐵(9)安裝在轉動柄(28)的端頭、且在在擋板開啟時與其處在同一高度並固定於鐘罩外的永磁鐵(10)相對，電磁鐵(9)的線圈(11)通過控制電路與微量天平(13)中的壓力傳感器(37)相連；控制電路主要由線圈(11)、微量天平(13)、壓力傳感器(37)、繼電器開關(38)、電鍵(42)、導電觸片(39、40、41)及電源組成；所說的澱積速率控制裝置由固定於支架(2)上的上極板(16)和下極板(23)，及外接直流高壓電源構成；上極板(16)水平放置於基板託架(12)之上，下極板(23)水平放置於蒸發器(1)之下；所說的基板傳動裝置由安裝於基板託架(12)上的電動機(19)、墊於基板(14)下的滑圈(30)、固定圈(32)、傳動帶(18)和滾珠(31)組成，固定圈(32)同心的固定在基板託架(12)上的圓孔外，滑圈(30)通過滾珠(31)同心的放置於固定圈(32)上，並能在電動機(19)通過傳動帶(18)帶動下轉動。
2.按照權利要求1所述的有定向和自控制功能的真空鍍膜機，其特徵是，結構還有基板溫控裝置；所說的基板溫控裝置由位於上極板(16)和基板託架(12)間的加熱器(17)構成。
3.按照權利要求1或2所述的有定向和自控制功能的真空鍍膜機，其特徵是，結構還有蒸發源與基板間距控制裝置；所說的蒸發源與基板間距控制裝置，由分別置於基板託架(12)上面和下面並擰於支架(2)上的調高螺母(21)組成，支架(2)上對應的螺紋(20)僅刻於加熱器(17)所在高度與擋板基座(5)所在高度之間。
全文摘要
本發明的有定向及自控制功能的真空鍍膜機屬改進型的真空鍍膜裝置。其結構有平臺34上的真空罩15、真空泵33、支架2、基板託架12、鎢絲35；加裝的定向裝置由蒸發器1、玻璃漏鬥4和漏鬥託架3組成；加裝的膜厚控制裝置由微量天平13、壓力傳感器37和控制電路組成；加裝的澱積速率控制裝置由上極板16和下極板23及直流高壓電源構成。還加裝有加熱器17、基板傳動裝置和蒸發源與基板間距控制裝置。本發明能避免蒸汽分子散射造成的浪費，防止大顆粒熔融物影響薄膜的質量；膜層與基板結合得更緻密、膜層更均勻；能夠控制鍍膜的厚度；控制和加快澱積速率。本發明是在原設備基礎上的改進，所以設備簡單，投資較小。
文檔編號C23C14/24GK1624191SQ20041001110
公開日2005年6月8日 申請日期2004年9月22日 優先權日2004年9月22日
發明者徐仁軍, 賀天民, 王魁香 申請人:吉林大學