針對(duì)大曲率球形表面膜厚均勻性的難題，提出了一種新的解決方法。通過(guò)建立計(jì)算模型，對(duì)該方法進(jìn)行了理論分析，給出了解決球形外表面膜厚均勻性的途徑。設(shè)計(jì)制造了相關(guān)設(shè)備，針對(duì)Υ250 mm 的大曲率球形表面，確定了靶材有效濺射直徑，并進(jìn)行了Si 膜的鍍制試驗(yàn)。結(jié)果表明，該技術(shù)方案可行，球形外表面膜厚均勻性得到極大提高。相關(guān)方法可以推廣應(yīng)用于其他尺寸球形基底膜層的均勻性控制。
膜厚均勻性是考核膜層性能的重要指標(biāo)之一，不同的制備方法，用以實(shí)現(xiàn)膜層良好均勻性的方法不同。如熱蒸發(fā)方法，可通過(guò)設(shè)計(jì)加工適當(dāng)形狀的遮擋板或行星工架等實(shí)現(xiàn)，而磁控濺射、離子束濺射等基于原子間級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)的方法，可通過(guò)加大靶材尺寸、改變靶基距、基片做公-自轉(zhuǎn)、靶材小角度擺動(dòng)等實(shí)現(xiàn)。上述常規(guī)均勻性控制方法，對(duì)于曲率半徑較小的基底，尚可適用;而對(duì)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變化相當(dāng)大，從正入射變成近乎零度掠入射，導(dǎo)致沉積粒子獲得的能量變化極大，從而帶來(lái)十分嚴(yán)重的膜厚均勻性問(wèn)題，根據(jù)理論計(jì)算，采用熱蒸發(fā)沉積技術(shù)，Υ150 mm 半球外表面頂部和底部膜厚相差達(dá)到6 ，7倍之多，而常規(guī)的均勻性控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求。
常規(guī)的磁控濺射設(shè)備，多采用磁控靶固定不動(dòng)，基片臺(tái)自轉(zhuǎn)或公自轉(zhuǎn)的方式，固定的布局結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其僅適用于平片或小曲率的基底。有研究人員通過(guò)將基片臺(tái)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改為自轉(zhuǎn)+擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在ZnS頭罩上實(shí)現(xiàn)了12%的膜層均勻性，但基片臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)基底夾具的設(shè)計(jì)和加工要求也較高，控制和實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。
針對(duì)球形基底膜厚均勻性問(wèn)題，提出了一種新的思路，設(shè)計(jì)改造了一種新型布局的磁控濺射設(shè)備，以解決大曲率球形基底外表面膜層的均勻性問(wèn)題。
數(shù)學(xué)物理模型的建立
由于球形基底的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，整個(gè)基底可看作由0 ～90°不同緯度的區(qū)域組合而成。基于此，采用某一小靶材對(duì)基底不同“緯度”區(qū)域進(jìn)行濺射沉積，而基底在濺射過(guò)程中作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則可以完成基底上某一緯度環(huán)狀帶膜層的沉積，讓小靶材以基底的對(duì)稱中心為圓心，作運(yùn)動(dòng)軌跡為1/4 圓弧的間歇運(yùn)動(dòng)，配合基底的自轉(zhuǎn)，則可以完成整個(gè)基底膜層的制備。其原理如圖1 所示。
圖1 靶材和工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖
結(jié)論
針對(duì)大曲率球形基底表面膜層均勻性難題，設(shè)計(jì)改造了一種新型布局的濺射沉積系統(tǒng)。利用靶材間歇擺動(dòng)+基底自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)相應(yīng)工藝參數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)大曲率半徑球形基底外表面膜層的良好均勻性，膜層厚度的不均勻性偏差可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。依據(jù)相同原理，球形基底內(nèi)表面膜層均勻性問(wèn)題也同樣可以得到解決，相關(guān)方法，還可以推廣應(yīng)用于其他尺寸的球形基底(如球冠、球缺等)及其他膜層的制備。
