倒圆锥面基底蒸发镀膜均匀性理论分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:徐嶺茂

  通过计算得出了蒸发源位于倒圆锥面正下方外部镀膜时锥面上各点的膜厚方程,并对整个锥面上膜厚均匀性进行了理论分析。结果表明:当圆锥面形状固定时,蒸发源与圆锥底圆圆心距离增大使锥面上膜厚均匀性变好;当蒸发源固定时,增大底圆半径导致锥面上膜厚均匀性变差。在同样的配置下,蒸发源为点源或小平面源时锥面上膜厚均匀性的变化趋势一致,小平面源蒸镀比点源蒸镀时圆锥面上膜厚均匀性差。

  引言

  真空镀膜厚度均匀性对于各种薄膜制备是一个非常关键的因素。膜厚均匀性不仅能够决定制备薄膜的面积,而且对于薄膜的各项性能都有重要影响。对于窄带干涉、渐变滤光片等多层、高精度的光学薄膜,膜厚均匀性直接决定了滤光片制备的成败,能否达到使用要求。真空镀膜领域的研究者已经认识到膜厚均匀性的重要性,并研究了基片的温度、基片的转速、蒸发速率、蒸气入射角、蒸发源的蒸发特性、蒸镀系统的配置、修正板的几何形状等对薄膜均匀性的影响。然而对蒸发源的蒸发特性和蒸镀系统配置这两个最本质问题的研究主要集中在平面工件盘结构及球型表面,对于复杂表面如倒圆锥面等非平面镀膜的研究比较少。通过计算得出了圆锥面形状固定和蒸发源固定两种情况下的膜厚理论分布,分析过程中将蒸发源分别作为两类常见的蒸发源,即向四周均匀发射的点源和遵守余弦分布的小平面源。最后分析了实际蒸发源不同发射系数对形状固定的倒圆锥面上膜厚均匀性的影响。

  1、膜厚及膜厚均匀性方程

  当蒸发源位于倒圆锥面正下方时,其蒸镀配置如图1所示,以圆锥底圆圆心O 为坐标原点建立坐标系,则圆锥底圆圆心O 坐标为(0,0,0);圆锥顶点Q 坐标为(0,0,-h),h 为锥体高度;蒸发源S 坐标为(0,0,-L),L 为蒸发源到圆锥底圆圆心的距离;圆锥底圆半径为R。假设圆锥面上任意一点的坐标为A(x,y,z),同时设z=-z0,则z0≥0,且0≤z0≤h。由于圆锥面关于z 轴对称,故同一竖直高度锥面上镀膜厚度相等,因此可选定x=0时圆锥面上的点来表示圆锥面上的任意点,则任意一点A 的坐标可表示为(0,y,-z0),显然该点满足y=R(h-z0)/h。

蒸发源位于锥形面正下方时蒸镀配置图

图1 蒸发源位于锥形面正下方时蒸镀配置图

  3、结论

  主要对蒸发源位于倒圆锥面正下方的镀膜均匀性进行了理论分析。通过计算得出了两种常见理想蒸发源与实际蒸发源下,倒圆锥面的膜厚及膜厚均匀性方程,并分析了圆锥面形状固定与蒸发源固定情况下的膜厚分布曲线。由此得出不同配置下圆锥面上各点的膜厚及整个圆锥面上的膜厚均匀性。该理论分析对于实际产品的研制具有一定的指导作用。

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