专利名称：计算机控制镀膜机的电子束偏转装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及光学镀膜，特别是一种计算机控制镀膜机的电子束偏转 的装置及控制方法。
背景技术：
在采用电子束热蒸发的方法进行光学薄膜制备的过程中，要求保持 一定的蒸发速率以及稳定的蒸发特性，以保障所制备的薄膜的质量。稳 定的蒸发速率和蒸发特性与电子束偏转后打在镀膜材料上的束斑有直接
的关系，束斑的形状和能量大小直接影响镀膜材料的蒸发速率；束斑打 在镀膜材料表面的位置，直接影响到镀膜材料受热蒸发后在整个镀膜室 内的空间分布，即蒸发云的形状。
为得到较稳定的蒸发速率和较好的蒸发特性，在镀膜过程中要尽量 使束斑在蒸发材料表面的每一点都具有相同的能量密度，或者在同样时 间内蒸发相同质量的材料；在镀膜过程中，材料表面要尽量保持平整， 尽量减少蒸发云的不稳定。这就要求在镀膜过程中，电子束偏转产生的 束斑需要进行不停的移动，电子束斑移动的快慢取决于蒸发材料的性质， 这样才有可能实现以上要求。
用于光学镀膜机具有电子束发射源和位于该电子束发射源上方的 圆形坩埚，该圆形坩埚的两对边外设有相互垂直的X方向偏转线圈和Y 方向偏转线圈，电子束蒸发系统的偏转系统由两个相互垂直的X方向偏 转线圈和Y方向偏转线圈组成。在电子束蒸发镀膜过程中，电子束在偏 转线圈产生的磁场作用下偏转入射在圆形坩埚的镀膜材料表面上，使镀 膜材料蒸发并凝结在基板表面形成膜。电子束偏转方向的改变，是依靠 改变两个偏转线圈两端的电压，从而改变磁场来实现的。
传统的电子束镀膜机的电子束偏转主要依靠操作人员调整机械电 位器改变偏转线圈两端电压来实现，操作的精度和稳定性不能保证，很 难达到蒸发材料表面的平整，导致蒸发云不稳定，不易于蒸发速率的控
6制。对这些机器，需要一种提高精度和稳定性的自动控制方法。
发明内容
为了提高电子束镀膜质量，使蒸发镀膜靶材过程产生良好、稳定的 蒸发云，从而在蒸发时得到较稳定的速率，本发明提供一种计算机控制 镀膜机的电子束偏转的装置和控制方法，以保证电子束偏转后打在镀膜 材料表面的焦斑按照用户定义进行移动，使得镀膜材料表面保持良好'的 平整度，获得稳定的蒸发云。
本发明的技术方案如下
一种计算机控制镀膜机的电子束偏转装置，所述的镀膜机具有电子 束发射源和位于该电子束发射源上方的圆形坩埚，该圆形坩埚的两对边 外设有相互垂直的X方向偏转线圈和Y方向偏转线圈，其特点在于所述 的装置由扫描控制仪、手动遥控器、数据采集卡和计算机组成
所述的手动遥控器具有第一旋转式电阻器、第二旋转式电阻器和记 录数据按钮；
所述的数据采集卡具有第一输入端、第二输入端、第一输出端、第 二输出端和第三输入端；
所述的扫描控制仪的外壳上有第一端口、第二端口、第三端口、第 四端口、手动/自动模式开关、第六端口、第七端口、第八端口、第九端 口、第十端口、第十一端口、第十二端口、第十三端口，所述的扫描控 制仪内设有结构相同的X方向偏转线圈电压控制电路和Y方向偏转线圈 电压控制电路，所述的X方向偏转线圈电压控制电路由第一通道选择器、 第一运算放大器和第二运算放大器构成，所述的第一通道选择器具有第 一输入端、第二输入端、第一通道选择端、第一输出端和第二输出端； Y方向偏转线圈电压控制电路由第二通道选择器、第三运算放大器和第 四运算放大器构成；所述的第二通道选择器具有相应的第三输入端、第 四输入端、第二通道选择端、第三输出端和第四输出端；
上述元部件的连接关系如下
所述的数据采集卡插在所述的计算机的PCI插槽上；所述的第一通道选择器的第一输入端通过所述的第十三端口与所述 的手动遥控器的第一旋转式电阻器相连，所述的第二输入端通过所述的 第九端口与所述的数据采集卡的第一输出端相连，所述的第一通道选择 端与所述的手动/自动模式开关相连，所述的第一输出端经所述的第一运
算放大器和第一端口与所述的X方向偏转线圈的一端相连，该X方向偏
转线圈的另一端与所述的第二端口相连并接地，所述的第二输出端经第
二运算放大器和第八端口与所述的数据采集卡的第二输入端相连；
所述的第二通道选择器的第三输入端通过所述的第十二端口与所述 的手动遥控器的第二旋转式电阻器相连，所述的第四输入端通过所述的 第七端口与所述的数据采集卡的第二输出端相连，所述的第二通道选择 端与所述的手动/自动模式开关相连，所述的第三输出端经所述的第三运 算放大器和第三端口与所述的Y方向偏转线圈的一端相连，该Y方向偏 转线圈的另一端与所述的第四端口相连并接地，所述的第四输出端经第 四运算放大器和第六端口与所述的数据采集卡的第三输入端相连；
所述的手动遥控器的记录数据按钮经所述的扫描控制仪的第十一端 口和第十端口与所述的数据采集卡的第一输入端相连。
所述的装置控制镀膜机的电子束偏转的方法，包括如下步骤
①数据采集；
首先将手动/自动模式开关切换到手动模式，调节所述的手动遥控器 上的第一旋转式电阻器，使第一通道选择器的第一输出端口经过第一运 算放大器和第一端口输出的电压，即调节X方向偏转线圈两端的电压， 同时第一通道选择器的第二输出端口经第二运算放大器第八端口和所述 的数据采集卡的第二输入端输入一个与X方向偏转线圈两端的电压相应 的电压信号；
调节所述的手动遥控器上的第二旋转式电阻器，使第二通道选择器 的第一输出端口经过第三运算放大器和第三端口输出的电压，即调节Y 方向偏转线圈两端的电压，同时第二通道选择器的第四输出端口经第四 运算放大器和第六端口和所述的数据采集卡的第三输入端输入一个与Y方向偏转线圈两端的电压相应的电压信号；
在手动调节所述的手动遥控器上的旋转式电阻器的同时，工作人员 通过镀膜机的观测窗口监视电子束的光斑在所述的圆形坩埚中镀膜材料 表面的位置，通过调整旋转式电阻器，使电子束焦斑沿所述的圆形坩埚 的内壁移动一周，电子束光斑每移动一次，按压所述的手动遥控器上的 记录数据按钮令所述的数据采集卡同时采集X方向偏转线圈两端的电压 值Vx和Y方向偏转线圈两端的电压Vy，并经A/D转换后将其数字电压 信号输入所述的计算机中存储；
② 数据处理
计算机将所采集的X方向偏转线圈的数字电压信号Vx和Y方向偏 转线圈的数字电压信号Vy，在直角坐标系上形成封闭的X线圈电压-Y 线圈电压(v-v)曲线，形成VxVy图；以直角坐标系的圆点为极点，将 XY坐标图变化为极坐标图，根据电子束焦斑的半径和极坐标的极半径， 计算并确定从坩埚内壁向坩埚中心的扫描圈数N和每圈的扫描半径及相 应的X方向偏转线圈的数字电压信号值Vx和Y方向偏转线圈的数字电 压信号值Vy;
③ 控制数据的设计与调整； 用户根据实际需求，进行控制数据设计与调整 根据镀膜材料的不同，选择恰当的电子束流进行蒸发；根据坩埚内
镀膜材料表面的变化的深度，设置Y方向偏转线圈的数字电压信号值 Vy修订量AVy，使电子束的焦斑在镀膜材料表面移动；选择扫描圈数，
即选择在坩埚表面扫描的圈数；设置扫描频率，即选择扫描坩埚表面一 圈所用的时间，形成用户控制数据文件；
④ 运行将所述的手动/自动模式开关切换到自动模式，计算机根据 所述的用户控制数据文件和相应的控制程序，通过所述的数据采集卡经 D/A转换后，不断地自动地通过所述的扫描控制仪实时地将所需的电压 加到所述的X方向偏转线圈和Y方向偏转线圈的两端，使电子束的焦斑 始终在所述的圆形坩埚的镀膜材料的表面移动，进行镀膜材料蒸发；⑤调整用户在计算机控制镀膜机电子束偏转停止控制后，可以改 变扫描圈数、扫描频率、修订量AVy，在并在新一次控制开始后，计算
机将根据新的参数对电子束的偏转进行控制。 本发明的技术效果是
1. 本发明所使用的装置和方法具有通用性，对于不同的电子枪设备， 均可以利用本装置和方法实现计算机控制镀膜机电子束的偏转；
2. 本发明所使用的方法，分为三个步骤数据采集、数据处理和控 制数据设计与调整，每个步骤都是具有独立功能的模块，都可以独立运 行。数据采集、数据处理和控制数据设计与调整可以单独运行，对同一 台电子枪设备，只需进行一次数据采集和数据处理过程后，用户可以通 过控制数据的调整，由计算机自动运行控制；
3. 在用户定义控制数据完成后，数据被保护，在计算机控制电子束 偏转的过程中不能被改动，增加了控制过程的稳定性；
4. 计算机控制过程中可以随时被用户打断，进行控制数据的修改或 调整，调整后，计算机控制在新的控制数据的控制下进行。
5. 由于电子枪蒸发的特性，当蒸发材料在坩埚中的高度不同时，在 相同磁场作用下，电子束偏转到蒸发材料上的焦斑在蒸发材料表面的位 置不同，本发明设置Y方向偏转线圈的数字电压信号值Vy修订量AVy ，
能够在计算机控制过程中自动调节焦斑位置，使电子束的焦斑始终在所 述的镀膜材料的表面上扫描，达到最大的覆盖率和蒸发效率；
6. 计算机控制电子束偏转后在蒸发材料表面生成的焦斑在蒸发材料 表面的移动速度可以实时调节，不需要停止控制过程。
7. 利用本发明可以代替人工扫描，消除人为因素造成的稳定性问题。
8. 计算机程序提供良好的人机交换界面，易操作。
图1是本发明计算机控制镀膜机的电子束偏转的装置结构框图。 图2是图1中电子束发射源、圆形坩埚、X方向偏转线圈和Y方向式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图1和图2，图1是本发明计算机控制镀膜机的电子束偏 转的装置结构框图，图2是图1中电子束发射源、圆形坩埚、X方向偏 转线圈和Y方向偏转线圈的相互位置关系A向侧视图。由图可见，本发 明计算机控制镀膜机的电子束偏转装置，所述的镀膜机具有电子束发射 源4和位于该电子束发射源4上方的圆形坩埚3，该圆形坩埚3的两对 边外设有相互垂直的X方向偏转线圈1和Y方向偏转线圈2，其特点在 于所述的装置由扫描控制仪5、手动遥控器6、数据采集卡7和计算机8 组成
所述的手动遥控器6具有第一旋转式电阻器61、第二旋转式电阻器 62和记录数据按钮63;
所述的数据采集卡7具有第一输入端71、第二输入端72、第一输出 端73、第二输出端74和第三输入端75;
所述的扫描控制仪5的外壳上有第一端口 521、第二端口 522、第三 端口 523、第四端口 524、手动/自动模式开关525、第六端口 526、第七 端口 527、第八端口 528、第九端口 529、第十端口 530、第H^—端口 531、 第十二端口 532、第十三端口 533，所述的扫描控制仪5内设有结构相同 的X方向偏转线圈电压控制电路和Y方向偏转线圈电压控制电路，所述 的X方向偏转线圈电压控制电路由第一通道选择器50、第一运算放大器 52和第二运算放大器53构成，所述的第一通道选择器50具有第一输入 端501、第二输入端502、第一通道选择端503、第一输出端504和第二 输出端505; Y方向偏转线圈电压控制电路由第二通道选择器51、第三 运算放大器54和第四运算放大器55构成；所述的第二通道选择器51 具有相应的第三输入端511、第四输入端512、第二通道选择端513、第 三输出端514和第四输出端515;
上述元部件的连接关系如下所述的数据采集卡7插在所述的计算机8的PCI插槽上； 所述的第一通道选择器50的第一输入端501通过所述的第十三端口 533与所述的手动遥控器6的第一旋转式电阻器61相连，所述的第二输 入端502通过所述的第九端口 529与所述的数据采集卡7的第一输出端 72相连，所述的第一通道选择端503与所述的手动/自动模式开关525 相连，所述的第一输出端504经所述的第一运算放大器52和第一端口 521与所述的X方向偏转线圈1的一端相连，该X方向偏转线圈1的另 一端与所述的第二端口 522相连并接地，所述的第二输出端505经第二 运算放大器53和第八端口 528与所述的数据釆集卡7的第二输入端73 相连；
所述的第二通道选择器51的第三输入端511通过所述的第十二端口 532与所述的手动遥控器6的第二旋转式电阻器62相连，所述的第四输 入端512通过所述的第七端口 527与所述的数据采集卡7的第二输出端 74相连，所述的第二通道选择端513与所述的手动/自动模式开关525 相连，所述的第三输出端514经所述的第三运算放大器54和第三端口 523与所述的Y方向偏转线圈2的一端相连，该Y方向偏转线圈2的另 一端与所述的第四端口 524相连并接地，所述的第四输出端515经第四 运算放大器55和第六端口 526与所述的数据采集卡7的第三输入端75 相连；
'所述的手动遥控器6的记录数据按钮63经所述的扫描控制仪5的第 十一端口 531和第十端口 530与所述的数据采集卡7的第一输入端71 相连。
利用上述的装置控制镀膜机的电子束偏转的方法，包括如下步骤 ①数据采集；
首先将手动/自动模式开关525切换到手动模式，调节所述的手动 遥控器6上的第一旋转式电阻器61，使第一通道选择器50的第一输出 端口 504经过第一运算放大器52和第一端口 521输出的电压，即调节X方向偏转线圈1两端的电压，同时第一通道选择器50的第二输出端 口 505经第二运算放大器53第八端口 528和所述的数据采集卡7的第 二输入端73输入一 个与X方向偏转线圈1两端的电压相应的电压信号；
调节所述的手动遥控器6上的第二旋转式电阻器62，使第二通道 选择器51的第一输出端口 514经过第三运算放大器54和第三端口 523 输出的电压，即调节Y方向偏转线圈2两端的电压，同时第二通道选 择器51的第四输出端口 515经第四运算放大器55和第六端口 526和所 述的数据采集卡7的第三输入端75输入一个与Y方向偏转线圈2两端 的电压相应的电压信号；
在手动调节所述的手动遥控器6上的旋转式电阻器的同时，工作人 员通过镀膜机的观测窗口监视电子束的光斑在所述的圆形坩埚3中镀 膜材料表面的位置，通过调整旋转式电阻器，使电子束焦斑沿所述的圆 形坩埚3的内壁移动一周，电子束焦斑每移动一次，按压所述的手动遥 控器6上的记录数据按钮63,令所述的数据采集卡7同时采集X方向 偏转线圈l两端的电压值Vx和Y方向偏转线圈2两端的电压Vy，并 经A/D转换后将其数字电压信号输入所述的计算机8中存储；
②数据处理
计算机8将所采集的X方向偏转线圈1的数字电压信号Vx和Y 方向偏转线圈2的数字电压信号Vy，在直角坐标系上形成封闭的X线 圈电压-Y线圈电压(v-v)曲线，形成VxVy图；以直角坐标系的圆点 为极点，将XY坐标图变化为极坐标图，根据电子束焦斑的半径和极坐 标的极半径，计算并确定从坩埚内壁向坩埚中心的扫描圈数N和每圈的扫描半径及相应的X方向偏转线圈1的数字电压信号值Vx和Y方
向偏转线圈2的数字电压信号值Vy; ③控制数据的设计与调整；
用户根据实际需求，进行参数调整
根据镀膜材料的不同，选择恰当的电子束流进行蒸发；根据坩埚内 镀膜材料表面的变化的深度，设置Y方向偏转线圈2的数字电压信号值 Vy修订量AVy，使电子束的焦斑在镀膜材料表面移动；选择扫描圈数，
即选择在坩埚表面扫描的圈数；设置扫描频率，即选择扫描坩埚表面一 圈所用的时间，形成用户控制数据文件；
运行将所述的手动/自动模式开关525切换到自动模式，计算 机8根据所述的用户控制数据文件和相应的控制程序，通过所述的数据 采集卡7经D/A转换后，不断地自动地通过所述的扫描控制仪5实时地 将所需的电压加到所述的X方向偏转线圈1和Y方向偏转线圈2的两端， 使电子束的焦斑始终在所述的圆形坩埚3的镀膜材料的表面移动，进行 镀膜材料蒸发；
⑤调整用户在计算机控制镀膜机电子束偏转停止控制后，可以改 变扫描圈数、扫描频率、修订量AVy，在并在新一次控制开始后，计算
机将根据新的参数对电子束的偏转进行控制。
权利要求
1、一种计算机控制镀膜机的电子束偏转装置，所述的镀膜机具有电子束发射源(4)和位于该电子束发射源(4)上方的圆形坩埚(3)，该圆形坩埚(3)的两对边外设有相互垂直的X方向偏转线圈(1)和Y方向偏转线圈(2)，其特征在于所述的装置由扫描控制仪(5)、手动遥控器(6)、数据采集卡(7)和计算机(8)组成所述的手动遥控器(6)具有第一旋转式电阻器(61)、第二旋转式电阻器(62)和记录数据按钮(63)；所述的数据采集卡(7)具有第一输入端(71)、第二输入端(72)、第一输出端(73)、第二输出端(74)和第三输入端(75)；所述的扫描控制仪(5)的外壳上有第一端口(521)、第二端口(522)、第三端口(523)、第四端口(524)、手动/自动模式开关(525)、第六端口(526)、第七端口(527)、第八端口(528)、第九端口(529)、第十端口(530)、第十一端口(531)、第十二端口(532)、第十三端口(533)，所述的扫描控制仪(5)内设有结构相同的X方向偏转线圈电压控制电路和Y方向偏转线圈电压控制电路，所述的X方向偏转线圈电压控制电路由第一通道选择器(50)、第一运算放大器(52)和第二运算放大器(53)构成，所述的第一通道选择器(50)具有第一输入端(501)、第二输入端(502)、第一通道选择端(503)、第一输出端(504)和第二输出端(505)；Y方向偏转线圈电压控制电路由第二通道选择器(51)、第三运算放大器(54)和第四运算放大器(55)构成；所述的第二通道选择器(51)具有相应的第三输入端(511)、第四输入端(512)、第二通道选择端(513)、第三输出端(514)和第四输出端(515)；上述元部件的连接关系如下所述的数据采集卡(7)插在所述的计算机(8)的PCI插槽上；所述的第一通道选择器(50)的第一输入端(501)通过所述的第十三端口(533)与所述的手动遥控器(6)的第一旋转式电阻器(61)相连，所述的第二输入端(502)通过所述的第九端口(529)与所述的数据采集卡(7)的第一输出端(72)相连，所述的第一通道选择端(503)与所述的手动/自动模式开关(525)相连，所述的第一输出端(504)经所述的第一运算放大器(52)和第一端口(521)与所述的X方向偏转线圈(1)的一端相连，该X方向偏转线圈(1)的另一端与所述的第二端口(522)相连并接地，所述的第二输出端(505)经第二运算放大器(53)和第八端口(528)与所述的数据采集卡(7)的第二输入端(73)相连；所述的第二通道选择器(51)的第三输入端(511)通过所述的第十二端口(532)与所述的手动遥控器(6)的第二旋转式电阻器(62)相连，所述的第四输入端(512)通过所述的第七端口(527)与所述的数据采集卡(7)的第二输出端(74)相连，所述的第二通道选择端(513)与所述的手动/自动模式开关(525)相连，所述的第三输出端(514)经所述的第三运算放大器(54)和第三端口(523)与所述的Y方向偏转线圈(2)的一端相连，该Y方向偏转线圈(2)的另一端与所述的第四端口(524)相连并接地，所述的第四输出端(515)经第四运算放大器(55)和第六端口(526)与所述的数据采集卡(7)的第三输入端(75)相连；所述的手动遥控器(6)的记录数据按钮(63)经所述的扫描控制仪(5)的第十一端口(531)和第十端口(530)与所述的数据采集卡(7)的第一输入端(71)相连。
2、利用权利要求1所述的装置控制镀膜机的电子束偏转的方法，包 括如下步骤①数据采集；首先将手动/自动模式开关(525)切换到手动模式，调节所述的手 动遥控器(6)上的第一旋转式电阻器(61)，改变第一通道选择器(50) 的第一输出端口 (504)经过第一运算放大器(52)和第一端口 (521) 输出的电压，即调节X方向偏转线圈(1)两端的电压，同时第一通道选择器(50)的第二输出端口 (505)经第二运算放大器(53)、第八端 口 (528)和所述的数据采集卡(7)的第二输入端(73)输入一个与X 方向偏转线圈(1)两端的电压相应的电压信号；调节所述的手动遥控器(6)上的第二旋转式电阻器(62)，使第二 通道选择器(51)的第一输出端口 (514)经过第三运算放大器(54) 和第三端口 (523)输出的电压，即调节Y方向偏转线圈(2)两端的 电压，同时第二通道选择器(51)的第四输出端口 (515)经第四运算 放大器(55)、第六端口 (526)和所述的数据采集卡(7)的第三输入 端(75)输入一个与Y方向偏转线圈(2)两端的电压相应的电压信号；在手动调节所述的手动遥控器(6)上的旋转式电阻器的同时，工 作人员通过镀膜机的观测窗口监视电子束的光斑在所述的圆形坩埚(3) 中镀膜材料表面的位置，通过调整旋转式电阻器，使电子束焦斑沿所述 的圆形坩埚(3)的内壁移动一周，电子束焦斑每移动一次，按压所述 的手动遥控器(6)上的记录数据按钮(63)令所述的数据采集卡(7) 同时采集X方向偏转线圈(1)两端的电压值Vx和Y方向偏转线圈(2) 两端的电压力，并经A/D转换后将其数字电压信号输入所述的计算机 (8)中存储；②数据处理计算机(8)将所采集的X方向偏转线圈(1)的数字电压信号Vx和Y方向偏转线圈(2)的数字电压信号vy，在直角坐标系上形成封闭的X线圈电压-Y线圈电压(v-v)曲线，形成VxVy图；以直角坐标系 的圆点为极点，将XY坐标图变化为极坐标图，根据电子束焦斑的半径和极坐标的极半径，计算并确定从坩埚内壁向坩埚中心的扫描圈数N 和每圈的扫描半径及相应的X方向偏转线圈(1)的数字电压信号值 Vx和Y方向偏转线圈(2)的数字电压信号值Vy;③ 控制数据设计与调整 用户根据实际需求，进行参数调整根据镀膜材料的不同，选择恰当的电子束流进行蒸发；根据坩埚内 镀膜材料表面的变化的深度，设置Y方向偏转线圈(2)的数字电压信号值Vy修订量A、，使电子束的焦斑在镀膜材料表面移动；选择扫描 圈数，即选择在坩埚表面扫描的圈数；设置扫描频率，即选择扫描坩埚 表面一圈所用的时间，形成用户控制数据文件；④ 运行将所述的手动/自动模式开关(525)切换到自动模式，计 算机(8)根据所述的用户控制数据文件和相应的控制程序，通过所述 的数据采集卡(7)经D/A转换后，不断地自动地通过所述的扫描控制 仪(5)实时地将所需的电压加到所述的X方向偏转线圈(1)和Y方 向偏转线圈(2)的两端，使电子束的焦斑始终在所述的圆形坩埚(3) 的镀膜材料的表面移动，进行镀膜材料蒸发；⑤ 调整用户在计算机控制镀膜机电子束偏转停止控制后，可以改 变扫描圈数、扫描频率、修订量AVy，在并在新一次控制开始后，计算机将根据新的参数对电子束的偏转进行控制。
全文摘要
一种计算机控制镀膜机电子束偏转的装置及控制方法，所述的计算机控制镀膜机的电子束偏转的装置，由扫描控制仪、手动遥控器、数据采集卡和计算机组成。本发明对电子束偏转的控制精度高、可靠性高，对于不同的电子枪设备具有普遍适应性。每台电子枪设备，只需进行一次数据采集和数据处理过程后，用户可以通过控制数据的调整，由计算机自动运行控制。
文档编号C23C14/30GK101619440SQ20091005555
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者葵 易, 宁 王, 郭世海 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所