新型卧式离子辅助电子束蒸发真空镀膜机

新型卧式离子辅助电子束蒸发真空镀膜机（腾胜真空技术工程有限公司，广东肇庆526060）摘要：作为光学镀膜设备中的新机型──卧式离子辅助电子束蒸发真空镀膜设备,是一种适用于圆柱型、圆锥型等带对称回转轴的工件外表面镀光学膜的真空镀膜设备。它解决了目前箱式光学镀膜机无法镀制这类工件的难题。关键词：卧式；离子辅助电子束蒸发；直枪；光学膜目前市场上的光学真空镀膜设备基本为钟罩式或箱式的镀膜设备,均属于立式结构。这种设计对于镀制平面镜片或凹面镜片来说，通过采用拱形球面夹具就可以保证镀膜均匀度。对于镀制杯型工件的内表面，通过采用公自转行星夹具也可以保证镀膜均匀度。但是对于镀制象圆柱型、圆锥型等带对称回转轴的工件外表面来讲，就无能为力了。另外，对于镀制较大面积的工件来说立式镀膜机也不太合适。主要因为立式镀膜机存在以下的一些缺点：1、工件盘呈拱型,工件盘难以设计成装载圆柱状或管状工件的公自转机构,因而对此类工件的外表面镀膜存在极大困难,难以实现工件表面的均匀镀膜。2、由于工件只能安装在真空室的上部,因此并没有充分利用容器的内部空间,因而造成工件装载量低,所以设备产量低、镀膜成本高。3、由于镀膜材料是向上蒸发,受到蒸发角度的限制,立式设备的真空室的水平方向截面积不能做得很大,对于大型工件难以装载,因而难以对此类工件进行镀膜，设备的通用性差。即使能够装载，但亦会因空间利用率低导致装载量少而使得镀膜成本高。┉┉1、设计特点：新型卧式离子辅助电子束蒸发真空镀膜机克服了传统设备的以上缺点,它打破了传统立式电子束蒸发式镀膜设备的结构形式,采用以水平方向为旋转轴的卧式公转或公自转结构,实现了工件360度全面镀膜。使该设备与传统结构设备相比：装载量提高了2倍以上,效率提高了2-3倍,成本下降了50％以上。工件安装的高度为1-1.2米,比立式设备下降了50%,从而使工件装卸更为方便。由于材料沿容器直径方向蒸发,可以进行对管状和圆柱状以及不规则形状工件的均匀镀膜。由于真空室直径可以做到2米以上,使设备可以进行最大直径在φ300mm以上大型工件的均匀镀膜。配备皮尔斯大功率直枪，还可以均匀镀制长度在500mm以上的长条形工件。12、设计原理:2.1、离子辅助蒸发镀膜技术的基本原理:传统的电子束蒸发技术是通过电子源产生的高能电子束并在磁场的作用下轰击坩埚中的镀膜材料，通过动能对热能的转换产生高温使得材料熔化并蒸发成薄膜。但常规的工艺容易引起镀膜层疏松、结合力差等缺陷。导致这些缺陷产生的原因是由于膜层粒子在沉积过程中在基片表面的迁移力不足形成膜层的柱状+空穴结构而引起的。采用离子辅助镀膜技术可以很好地解决上述问题。原因有：第一：离子源发射的离子束轰击到膜层的小岛（形状突出的点），粒子被溅射，溅射的粒子向岛内填充，减少阴影效应的产生。第二：离子束在膜层表面产生级联碰撞，使得吸附原子的迁移率提高。因此为了提高光学镀膜的膜层品质，采用离子辅助电子束蒸发技术是一种有效的解决方案。2.2、本新型镀膜机的技术方案:该卧式电子束蒸发式镀膜机包括：工件架，电子束蒸发源（e型电子枪或皮尔斯直枪），离子源，膜厚控制仪等主要部分。本真空镀膜机的特征是:卧式结构与电子束蒸发镀膜方式的结合，真空容器为卧式结构,工件架旋转轴为水平安装,工件以水平方向为轴进行旋转，传动输入也是水平安装，电子束蒸发枪安装于工件架中部或底部。工件可围绕旋转轴作公转或公自转,电子束蒸发枪通过支架承托。电子枪在高压及磁场偏转或磁聚焦透镜的作用下,产生高能电子束,打在坩锅的膜料上,产生3000℃-6000℃度高温,使膜料蒸发并沉积于工件的表面。采用膜厚控制仪监控镀膜厚度并且通过坩埚的换位，实现镀制光学膜等多层膜。具体见以下附图说明：图1正面示意图图2侧面示意图2图3正面示意图图4侧面示意图（图1-4中：1、真空室2、工件架3、电子枪4、离子源5、传动6、支架7、托轮8、充气系统9、膜厚控制仪及探头）2.3、具体实施方式及流程:在图1-4中，真空室（1）为卧式前端开门或双端开门。工件架（2）置于真空容器(1)内,容器的直径和长度可根据生产需要确定。工件架（2）可由多根轴组成,每根轴均可以围绕工件架中心轴作匀速公转或公自转。电子束蒸发枪（3）安装在工件架中间（见图1）或下部（见图3）。电子枪中，由通电发热的灯丝组成的电子源或由间接加热的阴极,在真空状态下发射出热电子,在6000伏以上的电压对电子进行加速，同时在偏转磁场或电子磁透镜的作用下,电子沿特定的弧线飞行,并会聚成束,入射到坩埚的镀膜材料上。通过动能到热能的转换,电子束使镀膜材料的表面产生高达3000℃-6000℃的高温,从而使镀膜材料熔化而蒸发，并沉积于工件的表面形成膜层。并且在离子源（4）的辅助下有效提高膜层的质量。充气反应系统（8）可在镀膜过程中根据工艺需要充入反应气体。膜厚控制仪（9）则用于对每层膜的厚度进行监控。整个镀膜过程如下。工件清洗干净,烘干,装在工件架转轴上,在电子束蒸发枪坩埚内装入镀膜材料,关上真空室大门。启动抽真空系统。当真空度及其它参数到达设定值时，充入适当的反应气体,维持一定的真空度，就可以进行镀膜。通过变频器调频将工件架转速调节到合适的转速值。通过电子枪的坩埚转位选择镀膜材料。调整电子枪的阴极电流，先预熔材料，当材料预熔充分后加大束流。镀膜开始，根据膜厚仪读数在达到一定的镀膜厚度后关闭蒸发挡板然后将电子束蒸发枪阴极电流调零。如果需要镀制两种或多种材料时则可以通过电子枪坩埚换位选择另外一种镀膜材料进行镀膜，直至符合设定的镀膜工艺为止。待真空室内温度达到合适值（如：60℃）时充气打开真空室大门，取出工件。对于镀制长条形或大面积工件时，采用图3的直枪的结构就更合理。因为这3种枪在磁偏转扫描透镜的作用下可以进行大幅度的电子束斑扫描，这使得蒸发源等同于条状/面状蒸发源，比起常规的点源或小面源则更加容易保证镀膜均匀度。配合条形离子源的使用（如图4所示），还可以采用离子辅助镀膜（IAD）技术实现低温镀膜。3、结论：作为光学镀膜设备中的新成员──卧式离子辅助电子束蒸发真空镀膜设备填补了国内的空白。解决了多年以来无法在带对称回转轴的工件外表面均匀镀光学膜的难题。同时也解决了无法采用电子束蒸发镀膜技术在大面积工件表面均匀镀制光学膜的难题。在投放市场的实际使用中充分证实了以上的说法，同时本新型设备已经申请了实用新型国家专利。参考文献：[1]NorbertKaiserOpticalinterferencecoatings[2]朱刚毅新型离子辅助电子束蒸发镀膜系统的设计改良广东真空学会第五届学术会议论文集20034