多功能真空蒸镀超薄膜装置的制作方法

本发明属于真空热蒸发镀膜技术领域，特别涉及一种可以在同一平台上使用不同温度蒸发源向真空内样品可控蒸镀单原子/分子层膜的多功能真空蒸镀超薄膜装置。

背景技术：

目前现有的真空热蒸发镀膜技术基本都是针对应用于半导体、电子器件镀膜或者光学镀膜生产制造领域。通过电阻加热镀膜材料使其蒸发或升华并凝结到样品表面，进而完成蒸镀的方式十分普遍。

现有的电阻加热蒸发镀膜方式一般针对半导体、电子器件镀膜或者光学镀膜，膜层厚度一般在百纳米量级，难以实现亚纳米量级薄膜的可控蒸镀。

即使仅限于电阻加热蒸发镀膜方式，如果需要同时使用诸如：电阻丝直接加热、电阻丝加热坩埚等不同方式蒸镀薄膜，一般针对不同的加热方式需要使用不同的支持平台。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种多功能真空蒸镀超薄膜装置，能够实现亚纳米量级薄膜的可控蒸镀；并将对不同电阻加热蒸发镀膜方式通过模块化的设计使其得以使用同一支持平台。

本发明的目的是采用以下技术方案实现：一种多功能真空蒸镀超薄膜装置，其特征在于：包括高温蒸镀模块或低温蒸镀模块、可移动水冷模块，所述高温蒸镀模块或低温蒸镀模块在真空环境下使用各自的方法将镀膜材料蒸发到被蒸镀样品表面形成薄膜，所述可移动水冷模块用于支持高温蒸镀模块和低温蒸镀模块在真空内部的移动、测试以及冷却；

所述可移动水冷模块包括：

真空封接可移动机构，用于支撑所述高温蒸镀模块和低温蒸镀模块移动到合适位置；

可移动挡板机构，可控制蒸镀是否进行；

穿通引线机构，用于电流引线以及热电偶引线；

水冷机构，用于连接所述高温蒸镀模块或低温蒸镀模块并冷却除去蒸发室以外的结构。

优选地，所述高温蒸镀模块包括外腔室、位于所述外腔室内部的内腔室、位于所述内腔室内部的电阻加热丝直接加热蒸发源、位于所述加热丝底座上方的加热丝屏蔽层、位于所述加热丝底座中的热电偶、位于所述外腔室上方的高温蒸镀模块上盖，所述外腔室包括外腔室套筒、通过套环与所述外腔室套筒套接的耐高温外屏蔽层；所述内腔室包括内腔室套筒、通过套环与所述内腔室套筒套接的耐高温内屏蔽层；所述电阻加热丝直接加热蒸发源，包括加热丝、缠绕于加热丝上的蒸镀材料以及加热丝底座；所述加热丝屏蔽层仅与加热丝底座上两个加热丝接线柱之一连接，另一接线柱不接触地穿过加热丝屏蔽层；所述热电偶通过双孔陶瓷绝缘并穿过加热丝底座以及加热丝屏蔽层；所述高温蒸镀模块上盖包括上屏蔽层以及固定片，所述上屏蔽层以及固定片均具有同心开口供蒸镀材料蒸汽通过。

优选地，所述低温蒸镀模块包括蒸镀腔室、位于所述蒸镀腔室内部的电阻丝加热坩埚蒸发源、位于所述蒸镀腔室上端的低温蒸镀模块上盖，所述蒸镀腔室包括蒸镀腔室套筒、通过套环与所述蒸镀腔室套筒连接的耐高温屏蔽层；所述电阻丝加热坩埚蒸发源包括位于所述蒸镀腔室内部的陶瓷绝缘座、套接于所述陶瓷绝缘座上部的坩埚固定座、位于所述坩埚固定座上方的缠绕加热丝的坩埚、位于所述坩埚上端的坩埚盖；所述低温蒸镀模块上盖包括上屏蔽层以及固定片，所述上屏蔽层以及固定片均具有同心开口供蒸镀材料蒸汽通过，并通过陶瓷隔珠与坩埚盖相连。

优选地，所述可移动水冷模块包括水冷平台、位于所述水冷平台后端的支撑杆、位于所述水冷平台后端的引线口以及引水管道、位于所述高温蒸镀模块上盖以及低温蒸镀模块上盖上部的可移动挡板、位于所述引水管道末端的穿通引线、位于所述引水管道末端的真空封接可移动机构，所述水冷平台可以兼容所述高温蒸镀模块和低温蒸镀模块，分别通过外腔室以及蒸镀腔室与水冷平台连接。优选地，所述温度设定系统上设有温度显示屏、温度设定上调按钮、温度设定下调按钮、温度设定及警报系统开关。

真空封接可移动机构用于调节多功能真空蒸发镀膜装置与被蒸镀样品之间距离。

可移动挡板机构通过旋转杆以控制蒸镀出口的开闭。

穿通引线机构将加热丝电流引线以及热电偶引线分别引入蒸发室内部，分别用于加热丝的供电以及温度测量。

水冷机构通过冷却端底座可以连接高温蒸镀模块或低温蒸镀模块，所述冷却端与蒸发器外壳连接，用于冷却除去蒸发室以外的结构。

使用包括低温蒸发以及高温蒸发两种模式的真空蒸发镀膜装置，均为可提供达到单一原子(分子)层厚度薄膜的蒸镀方案。高温蒸镀模块将蒸发材料(金属等可缠绕物质)直接缠绕在加热丝顶端并置于蒸发室内，所述蒸发室设置热辐射屏蔽外壳，用于将加热丝的热量集中于蒸发室内部。

低温蒸镀模块将蒸发材料(粉末、颗粒、块材等)放置于坩埚之中，所述坩埚位于蒸发室内，底部通过坩埚底座固定，上端与蒸镀喷嘴连接，中间缠绕加热丝，整体放置于蒸发室内，所述蒸发室设置热辐射屏蔽外壳，用于将加热丝的热量集中于蒸发室内部。

本发明具有以下有益效果：

通过对高温和低温蒸镀模块尺寸设计，实现了在同一平台上集成。蒸镀模块均设有热辐射屏蔽层，可有效减少热量损耗以及外部扰动带来的不稳定因素。进一步地可以对表面进行可控的极少量膜材蒸镀，实现埃量级超薄膜的蒸镀。高温蒸镀模块中加热丝与底座之间设有屏蔽层，以减少蒸镀分子对底座的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明多功能真空蒸镀超薄膜装置的结构示意图。

图2是本发明多功能真空蒸镀超薄膜装置的高温蒸发模块的结构示意图。

图3是本发明多功能真空蒸镀超薄膜装置的低温蒸发模块的结构示意图。

图4是可移动水冷模块的结构示意图。

图5是上盖的结构示意图。

图6是腔室套筒的结构示意图。

图7是按本发明实施例在高定向热解石墨表面蒸镀金膜的sem图像。

图中：a1、外腔室套筒；a2、内腔室套筒；a3、加热丝加热蒸发源；a4、上盖；a11、蒸镀材料；a12、加热丝；a13、加热丝屏蔽层；a14、加热丝底座；a15、固定片；a16、上屏蔽层；b1、蒸镀腔室套筒；b2、坩埚蒸发源；b3、上盖；b11、陶瓷隔珠；b12、坩埚盖；b13、加热丝；b14、坩埚；b15、坩埚固定座；b16、陶瓷绝缘座；c1、水冷平台；c2、引水管道；c3、穿通引线；c4、挡板；c5、真空封接可移动连接c11、挡板转动杆；c12、支撑杆；d1、外壳；d2、高温蒸发模块或低温蒸发模块；d3、屏蔽层；d4、套环；d5、套筒。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种多功能真空蒸镀超薄膜装置，包括高温蒸发模块或低温蒸发模块d2、外壳d1、水冷平台c1、引水管道c2、穿通引线c3、挡板c4、真空封接可移动连接c5以及支撑杆c12，高温蒸发模块或低温蒸发模块d2安装在水冷平台c1上放置于外壳d1内部。水冷平台c1与引水管道c2和支撑杆c12连接，并通过支撑杆c12固定在真空封接可移动连接c5上。引水管道c2、穿通引线c3和挡板c4穿过真空封接可移动连接c5以此实现真空内外冷却水、电线和机械转动杆的连通。

如图2所示，高温蒸发模块d2由外腔室套筒a1、内腔室套筒a2、加热丝加热蒸发源a3和上盖a4组成，加热丝加热蒸发源a3位于在内腔室套筒a2内部，内腔室套筒a2位于外腔室套筒a1内部，上盖a4位于外腔室套筒a1顶部。

加热丝加热蒸发源a3由加热丝a12、和加热丝底座a14组成，蒸镀材料a11缠绕在加热丝a12上，加热丝a12穿过加热丝屏蔽层a13与加热丝底座a14连接，加热丝底座a14通过引线与穿通引线c3相连。

如图5所示，上盖a4由固定片a15和上屏蔽层a16组成，上屏蔽层a16为耐高温材料与固定片a15连接在一起，二者由同心开口作为蒸镀分子气流的出口。

如图3所示，低温蒸发模块d2由蒸镀腔室套筒b1、坩埚蒸发源b2和上盖a4组成，坩埚蒸发源b2位于蒸镀腔室套筒b1内部，上盖a4位于蒸镀腔室套筒b1顶部。

坩埚蒸发源b2由陶瓷隔珠b11、坩埚盖b12、加热灯丝b13、坩埚b14、坩埚固定座b15和陶瓷绝缘座b16组成，坩埚盖b12通过陶瓷隔珠b11与上盖a4相连，加热丝b13缠绕在坩埚b14上并由坩埚盖b12封口，坩埚b14通过坩埚固定座b15固定在蒸镀腔室套筒b1内部，坩埚固定座b15套接在陶瓷绝缘座b16上并通过引线与穿通引线c3相连接。

如图6所示，外腔室套筒a1、内腔室套筒a2和蒸镀腔室套筒b1由类似的结构，由屏蔽层d3、套环d4和套筒d5组成，屏蔽层d3为耐高温材料，通过套环d4套接在套筒d5上。

挡板c4与挡板转动杆c11相连，真空封接的c11转动可使挡板c4控制蒸镀出口的开闭。

本发明技术方案中多功能真空蒸镀超薄膜装置所用零件材料加热丝底座a14、陶瓷隔珠b11、坩埚b14和陶瓷绝缘座b16使用耐高温绝缘陶瓷材料；加热丝a12、加热丝屏蔽层a13、上屏蔽层a16和屏蔽层d3使用钽、钨等耐高温材料；其余零部件均采用不锈钢材质。真空封接部分采用真空电极法兰结构；多功能真空蒸镀超薄膜装置整体耐高温、可烘烤、放气率低，适用于高达10^-8pa量级的超高真空环境使用。

多功能真空蒸镀超薄膜装置组装完成后，连接真空腔，然后抽真空、烘烤除气，达到预定真空值。其操作步骤如下:

1、通过引水管道c2向多功能真空蒸镀超薄膜装置通入冷却水；

2、电流源通过穿通引线c3给加热丝a12或加热丝b13供电，调节电流值使加热丝温度稳定；

3、调节真空封接可移动连接c5使蒸镀器上盖a4出口对准石英晶振在线测厚仪，打开挡板c4用测厚仪对镀膜蒸汽沉积速率进行标定；

4、重复2、3过程直到镀膜沉积速率达到预期值；

5、调节可移动连接c5，使蒸镀器上盖a4出口对准所需镀膜材料表面进行镀膜操作；

6、镀膜操作结束或等待镀膜操作的过程中，可关闭挡板c4以减少镀膜蒸汽对真空系统的影响；

图7为按上述实施方案在高定向热解石墨表面蒸镀金膜的sem图像。金在石墨表面以团簇形式存在。

其中工作参数如下：

灯丝电源：5.37v、2.5a；

温度：963k；

蒸镀时间：66min；

蒸镀厚度：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。