本發明涉及鍍膜，特別是一種用于電子束蒸發鍍膜機內鍍制“雕塑”薄膜的電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置及使用方法。

背景技術：

隨著鍍膜技術的不斷完善和發展，電子束蒸發鍍膜技術在工業上成為一項非常廣泛應用的鍍膜技術，電子束蒸發鍍膜機是常用的光學鍍膜設備。該設備主要有三大部分組成：真空系統、熱蒸發系統、膜層厚度控制系統，鍍膜過程是在真空室內進行的。圖1是現有電子束蒸發鍍膜機的真空室的結構示意圖，主要包括真空系統1、進氣裝置2、排氣閥門3、步進電機4、連接筒5、基片安裝夾具6、活動擋板7、角度準直裝置8和電子束蒸發源9。

在鍍膜前，關好排氣閥門3和進氣裝置2，用真空系統1進行抽真空，得到所需的本底真空度。用進氣裝置2通入適量的氬氣和氧氣等，達到所需的比例和真空度，并對基片進行預加熱。然后，打開步進電機4，通過連接筒5帶動旋轉基片安裝裝置6，打開電子束蒸發源9對膜料加熱以蒸發出膜料粒子。打開活動擋板7，膜料粒子沉積到基片上，當沉積了一定厚度的膜層后，關閉擋板7，關閉電子束蒸發源9，冷卻后取片，這就完成了單層膜的制備。電子束蒸發鍍膜技術成熟，薄膜生長致密均勻，這種常規鍍膜方法和設備鍍制的薄膜表面均勻，光學性質各向同性。

“雕塑”薄膜是一種采用傾斜沉積技術制備的功能性薄膜。在鍍制過程中，控制基片的旋轉速度和傾斜角度，可以得到不同形貌和性能的薄膜，如光學各向異性薄膜，雙折射薄膜等。“雕塑”薄膜在光學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制備的傾斜納米柱狀結構受到了廣大科學工作者的青睞。

目前，采用的傾斜沉積鍍膜裝置都是通過兩個步進電機進行控制。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由于設備穩定性的影響，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。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。一般步進電機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”薄膜的研究與開發周期，加快“雕塑”薄膜新產品的產業化進程，是“雕塑”薄膜工作者比較關心的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有傾斜沉積技術鍍制雕塑薄膜的缺點和困難，提供一種電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置及使用方法，以實現一次抽真空過程實現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的特點。

本發明的設計思想是：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直作用的角度準直裝置，將二者連接構成鍍膜傾斜沉積的條件：角度準直裝置的圓孔設計精準控制入射粒子流傾斜角度；通過圓盤形基片安裝夾具的設計保證各基片之間互不遮擋，增加單次鍍制基片的數量；引入步進電機保證鍍制基片的同步轉動，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電機的數量，并且鍍制溫度無高溫限制。

本發明的技術解決方案如下：

一種電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置，包括真空系統、進氣裝置、排氣閥門、步進電機、連接筒、基片安裝夾具、活動擋板、角度準直裝置和電子束蒸發源、步進電機驅動器和計算機，其特點在于由基片安裝夾具、角度準直裝置及其連接螺柱構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直裝置第一圓孔構成電子束蒸發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成電子束蒸發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成電子束蒸發第三角度傾斜沉積通道，…、k、…，所述的第m圓孔和第m基片安裝圓孔構成電子束蒸發第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；所述的連接筒的側端具有一對螺孔與步進電機的連接，該步進電機經驅動器與所述的計算機相連；

所述的電子束蒸發源位于基片安裝夾具和角度準直裝置的中心的正下方位置。

所述的第k基片安裝圓孔應滿足以下約束關系：

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為角度準直裝置中第k圓孔到角度準直裝置中軸線的距離；

h為基片安裝夾具與角度準直裝置之間的垂直距離；

h₁為電子束蒸發源到角度準直裝置的垂直距離；

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。

上述電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置的使用方法，該方法的步驟如下：

1)根據電子束蒸發傾斜沉積鍍膜的沉積角度β_k和h,h₁,a_k,a_k1,d_k,d_k1的約束關系，設計并加工所述的基片安裝夾具、角度準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直裝置的連接螺孔將基片安裝夾具和角度準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電機連接在一起，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，將連接筒側面的螺孔與步進電機相連；

3)將電子束蒸發源改裝到基片安裝夾具和角度準直裝置的中心正下方位置；

4)將待鍍膜的基片安裝在相應的第k基片安裝圓孔內，按常規抽真空、充入氬氣等，打開電子束蒸發源對膜料加熱，打開活動擋板，電子束流經過角度準直裝置蒸發到基片安裝夾具上，步進電機帶動角度準直裝置和基片安裝夾具勻速旋轉，保證鍍膜均勻。

本發明的技術效果：

傳統的電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置，一次只能鍍制一片某個角度的薄膜樣品，本發明有以下優點：

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

2.本發明的基片安裝夾具和角度準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鍍膜；

3.本發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.本發明使用步進電機通過連接筒驅動基片安裝夾具的轉動，精確控制鍍膜過程中的旋轉速度。

附圖說明

圖1是現有電子束蒸發鍍膜機的真空室結構示意圖

圖2是本發明電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置帶步進電機二維幾何關系示意圖

圖3是本發明電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置不帶步進電機的三維示意圖

圖4是本發明電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置的角度準直裝置的俯視圖

圖5是本發明電子束蒸發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是傳統電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置

具體實施方式

請先參閱圖1、圖2，從圖看出，本發明電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置，包括真空系統1、進氣裝置2、排氣閥門3、步進電機4、連接筒5、基片安裝夾具6、活動擋板7、角度準直裝置8和電子束蒸發源9、步進電機驅動器和計算機，由基片安裝夾具6、角度準直裝置8及其連接螺柱10構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和所述的角度準直裝置8第一圓孔81構成電子束蒸發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構成電子束蒸發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構成電子束蒸發第三角度傾斜沉積通道，…、k、…，所述的第m圓孔和第m基片安裝圓孔構成電子束蒸發第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的側端具有一對螺孔與步進電機4的連接，該步進電機4經驅動器與所述的計算機相連；

所述的電子束蒸發源9位于基片安裝夾具6和角度準直裝置8的中心的正下方；

參閱圖2，所述的第k基片安裝圓孔應滿足以下約束關系：

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為角度準直裝置中第k圓孔到角度準直裝置中軸線的距離；

h為基片安裝夾具與角度準直裝置之間的垂直距離；

h₁為電子束蒸發源到角度準直裝置的垂直距離；

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的側端具有一對螺孔與步進電機4的連接，該步進電機4經驅動器與所述的計算機相連。

所述的電子束蒸發源9位于所述的基片安裝夾具6和角度準直裝置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電機，這樣操作簡單、靈活且實用。

本發明電子束蒸發傾斜沉積鍍膜裝置的實施例1，基片安裝夾具每一種規格的圓孔對應一種傾斜沉積角度，改變傾斜角度可通過改變基片安裝夾具和角度準直裝置的設計參數實現，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，角度準直裝置中第二、三圓孔到角度準直裝置中軸線的距離為a₂₁,a₃₁,角度準直裝置的第二、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h,h₁,d₂₁＝d₃₁滿足關系：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設計好的第二、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和角度準直裝置8的連接螺孔84將基片安裝夾具和角度準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與步進電機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，將連接筒側面的螺孔11與步進電機4相連；

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

第四步：按常規抽真空、充入氬氣等，打開電子束蒸發源9對膜料加熱，打開活動擋板7，電子束流經過角度準直裝置8蒸發到基片安裝夾具6上，步進電機4帶動角度準直裝置8和基片安裝夾具6勻速旋轉，保證鍍膜均勻。一定的時間后，完成鍍膜，關閉活動擋板，關閉電子束蒸發源。

第五步：冷卻后取片。

綜上所述，本發明通過設計基片安裝夾具、角度準直裝置、連接螺柱，結合計算機控制步進電機轉動，實現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，節省了時間。