大曲率球形基底表面膜厚均匀性的实现

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国建筑材料科学研究总院 作者:金扬利

  针对大曲率球形表面膜厚均匀性的难题,提出了一种新的解决方法。通过建立计算模型,对该方法进行了理论分析,给出了解决球形外表面膜厚均匀性的途径。设计制造了相关设备,针对Υ250 mm 的大曲率球形表面,确定了靶材有效溅射直径,并进行了Si 膜的镀制试验。结果表明,该技术方案可行,球形外表面膜厚均匀性得到极大提高。相关方法可以推广应用于其他尺寸球形基底膜层的均匀性控制。

  膜厚均匀性是考核膜层性能的重要指标之一,不同的制备方法,用以实现膜层良好均匀性的方法不同。如热蒸发方法,可通过设计加工适当形状的遮挡板或行星工架等实现,而磁控溅射、离子束溅射等基于原子间级联碰撞效应的方法,可通过加大靶材尺寸、改变靶基距、基片做公-自转、靶材小角度摆动等实现。上述常规均匀性控制方法,对于曲率半径较小的基底,尚可适用;而对于大曲率的球形基底表面,尤其是外表面,由于入射粒子的角度变化相当大,从正入射变成近乎零度掠入射,导致沉积粒子获得的能量变化极大,从而带来十分严重的膜厚均匀性问题,根据理论计算,采用热蒸发沉积技术,Υ150 mm 半球外表面顶部和底部膜厚相差达到6 ,7倍之多,而常规的均匀性控制技术已经不能满足要求。

  常规的磁控溅射设备,多采用磁控靶固定不动,基片台自转或公自转的方式,固定的布局结构,导致其仅适用于平片或小曲率的基底。有研究人员通过将基片台的自转运动改为自转+摆动运动,在ZnS头罩上实现了12%的膜层均匀性,但基片台运动轨迹相当复杂,对基底夹具的设计和加工要求也较高,控制和实现起来比较困难。

  针对球形基底膜厚均匀性问题,提出了一种新的思路,设计改造了一种新型布局的磁控溅射设备,以解决大曲率球形基底外表面膜层的均匀性问题。

数学物理模型的建立

  由于球形基底的对称性结构,整个基底可看作由0 ~90°不同纬度的区域组合而成。基于此,采用某一小靶材对基底不同“纬度”区域进行溅射沉积,而基底在溅射过程中作自转运动,则可以完成基底上某一纬度环状带膜层的沉积,让小靶材以基底的对称中心为圆心,作运动轨迹为1/4 圆弧的间歇运动,配合基底的自转,则可以完成整个基底膜层的制备。其原理如图1 所示。

大曲率球形基底表面膜厚均匀性的实现

图1 靶材和工件台运动轨迹示意图

结论

  针对大曲率球形基底表面膜层均匀性难题,设计改造了一种新型布局的溅射沉积系统。利用靶材间歇摆动+基底自转运动,通过相应工艺参数的调整,可以实现大曲率半径球形基底外表面膜层的良好均匀性,膜层厚度的不均匀性偏差可以根据需要进行调整。依据相同原理,球形基底内表面膜层均匀性问题也同样可以得到解决,相关方法,还可以推广应用于其他尺寸的球形基底(如球冠、球缺等)及其他膜层的制备。

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