一种双功能柱对称大尺寸高均匀性线型磁控靶镀膜设备的制作方法

本发明涉及一种双功能柱对称大尺寸高均匀性线型磁控靶镀膜设备，属于纳米级光学薄膜制备设备领域。

背景技术：

随着我国天文探索需求的不断增加，嵌套式掠入射聚焦x射线天文望远镜的研制已经提上日程。嵌套式掠入射聚焦x射线天文望远镜的镜片具有大尺寸、柱对称等特点，而现有的镀膜机大多采用自转加公转的行星运动模式，这样的运动模式使得其制备的镜片具有圆对称的特性，不能满足我们现在对于制备柱对称的嵌套式掠入射聚焦x射线天文望远镜的大尺寸柱面镜镜片的要求，同时由于运动模式的限制，使得一次性可安放的样品数量较少，其生产效率不能满足嵌套式的结构对于镜片大量制备需求。因此，能够批量稳定生产，并且具有柱对称性质的大型磁控溅射镀膜机的设计成为了研制嵌套式掠入射聚焦x射线天文望远镜的前提。同时在望远镜镜片制备的过程中，由于在热弯玻璃成型的工艺中对于凸柱面镜的薄膜制备需求，使得能够同时满足对于柱面基底凹面和凸面的薄膜制备需求，也成为了这一磁控镀膜设备的设计要求。在这样特定的镜片结构和特定的生产需求下，一种使用线型磁控溅射靶枪的双功能柱对称大尺寸高均匀性镀膜机应运而生。

技术实现要素：

为了同时满足对凸形和凹形柱面镜片的制备和稳定批量生产的需求，本发明的目的在于提供一种双功能柱对称大尺寸高均匀性线型磁控靶镀膜设备，该装置不仅可以对柱面镜的凹面进行高均匀性的x射线薄膜镀制，同时还可以对柱面镜的凸面进行高均匀性x射线薄膜的镀制，并且满足了批量化高精度生产的需求。本装置主要结构包括：三个可以转动改变溅射方向的竖直放置线型磁控溅射靶枪，靶枪前安装有气动挡板；一个可以控制自转速度的用于安装凸形柱面基底的转动轴，转动轴上可以按照需求安装夹持镀膜基底的工装；一个可以控制转动速度的用于安装凹形柱面基底的转动圆环，转动圆环安装有样品板，利用样品板完成对镀膜基底的加持。靶枪安装在转轴和转环之间，通过调整靶枪溅射方向，完成对不同的样品载台上的样品进行镀制，利用转动轴和转动圆环的转动方式及与靶枪相对位置的不同，完成对柱面镜凹面和凸面的薄膜制备。

本发明采用的技术方案是：

一种双功能柱对称大尺寸高均匀性线型磁控靶镀膜设备，由真空腔体、转动圆环、样品架、磁控溅射靶枪、气动挡板和靶枪基座组成，其中：柱状的真空腔体内设置有转动圆环支撑柱，所述转动圆环支撑柱由外层柱套和内层转动块组成，外层柱套固定于真空腔体底部,内层转动块顶部设有可调整转速的转动圆环，内层转动块的底部连接步进电机，转动圆环上安放有样品架，用于安装样品；所述转动轴固定于真空腔体底部，转动轴穿过转动圆环，且转动轴、转动圆环和真空腔体同轴布置；转动轴上安装有样品；所述转动轴通过磁流体轴与电机相连，可控制自转速度；真空腔体内底部设有三个导轨，导轨上设有靶枪基座，两两间隔90度，即分别安装于真空腔体的3点钟、6点钟和9点钟方向；磁控溅射靶枪位于靶枪基座上，所述三个磁控溅射靶枪穿过转动圆环的空心部分，导轨上不同位置设有螺丝孔，当三个靶枪基座设置于不同的螺丝孔位置时，可以调整磁控溅射靶枪与转动圆环或转动轴的相对位置，气动挡板连接件固定于靶枪基座上，气动挡板通过气动挡板连接件连接气动快门，完成气动挡板的开关控制，气动挡板位于磁控溅射靶枪的内侧，通过变换气动挡板的开关，控制磁控溅射靶枪的测射粒子是否沉积到基底上。

本发明中，所述磁控溅射靶枪为线型磁控溅射靶枪，该靶枪溅射面为38mm×508mm，可180°反向安装，实现对真空腔体中心的转动轴上样品和外围转动圆环上样品的镀制。同时磁控溅射靶枪通过靶枪基座安装在导轨组件上，可以沿着真空腔体的半径方向滑动，用以调整在不同模式中磁控溅射靶枪所需的不同位置；当磁控溅射靶枪朝向转动圆环时，样品架与靶面距离为60mm~160mm；当磁控溅射靶枪朝向转动轴时，样品尺寸为ф60mm，样品表面与靶面距离为65mm~160mm。

本发明中，所述转动圆环的转速可调范围为0.01~1转/分钟，转速控制精度为0.01转/分钟。

本发明中，转动圆环上样品架的尺寸为：高600mm，宽245mm，样品架为12个，所述样品架可安装凹形柱面镜基底，所述凹形柱面镜基底的尺寸为：曲率直径为100mm~260mm，母线长度为230mm以内，弧角度为0°~90°。

本发明中，所述转动轴的转速可调范围为0.1~100转/分钟，转动轴放置凸形柱面镜基底，所述凸形柱面镜基底直径为60mm~220mm，长50mm~45mm。

本发明通过改变转动圆环内靶枪的溅射方向，朝向转动转环内侧，形成圆柱内壁对称的溅射模式，通过改变转动转环上样品扫过靶枪溅射区的转动速率，调控薄膜厚度，完成对柱面镜的凹面进行薄膜制备；在真空腔体的中心安置可调节自转速度的转动轴，并在转动轴上安放薄膜基底，改变磁控溅射靶枪的溅射方向，朝向转动轴，形成圆柱外壁对称的溅射模式，通过调控磁控溅射靶枪前快门挡板的开关时间，调控镀制的薄膜厚度，完成对柱面镜凸面的薄膜制备。主要通过切换安装在转动圆环和转动轴之间可以变换朝向的磁控溅射靶枪的溅射方向，完成对转动轴或转动圆环上基底镀膜的功能切换，利用柱对称形式的不同，完成不同镀膜模式的转换。同时本装置由于转动圆环和转协轴在转动过程中不同位置上的基底有柱对称特性，因而在转动圆环和转动轴上不同位置安装基底都可以具有相同的薄膜制备能力，因而可以稳定批量的制备薄膜镜片，极大的提高了生产效率。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了一机两用，改变了传统的圆对称镀膜方式，实现了对柱对称样品的柱凸面及柱凹面的薄膜镀制，并且极大的提高了镀膜设备的应用范围，并在镀制转动圆环上的样品时可以通过气动挡板和转动圆环的配合完成对转动圆环上不同位置样品架上样品的独立控制，提高了制备效率。

附图说明

图1为真空腔俯视图和机器实体照片。

图1为靶枪朝外，指向转动圆环的镀膜模式示意图。此时靶枪朝向转环内侧，形成圆柱内壁对称的溅射模式，通过改变转环上基底扫过靶枪溅射区的转动速率，调控薄膜厚度，完成对柱面镜的凹面进行薄膜制备。

图2为靶枪朝内，指向转动轴的镀膜模式示意图。此时靶枪朝向转动轴，形成圆柱外壁对称的溅射模式，通过调控靶枪前快门挡板的开关时间，调控镀制的薄膜厚度，完成对柱面镜凸面的薄膜制备。

图3为镀膜机内部结构实物图1。

图4为镀膜机内部结构实物图2。

图5为本发明的转动轴的结构图示。

图中标号：1为真空腔体，2为转动圆环，3为样品架，4为转动轴，5为气动挡板，6为磁控溅射靶枪，7为靶枪基座，8为气动档板连接件，9为气动快门，10为转动圆环支撑柱，11为步进电机，12为电机，13磁流体轴。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例１：

在真空腔体1的中心处安放有转动轴4，转动轴4与磁流体轴13相连，磁流体轴13穿过真空腔体1底部与电机12相连，完成电机12带动转动轴4的传动过程。在转动轴4沿真空腔体1半径方向间隔90度分别安置有3个磁控溅射靶枪6，磁控溅射靶枪6通过靶枪基座7与真空腔体1底部相连，利用调整靶枪基座7的不同位置，可以调整磁控溅射靶枪6在真空腔体1内沿半径方向所处的位置。在靶枪基座7侧壁套有可以转动的气动挡板连接件8，气动挡板连接件8在真空腔体1内与气动挡板5连接，穿过真空腔体1底部与气动快门9连接，完成气动快门9对气动挡板5的控制。在真空腔体1的最外侧套有转动圆环2，转动圆环2上安放有样品架3，转动圆环2依靠三个均匀分布的可以转动的转动圆环支撑柱10支撑，转动圆环支撑柱10穿过真空腔体1底部与步进电机11相连，完成步进电机11对转动圆环2的转动控制。

制备凸形柱面镜时，靶枪溅射方向转向转动轴，在转动轴上安装凸形柱面基底，根据基底尺寸调整靶枪位置得到合适的靶距。镀膜开始后，转动轴以一定速率自转。镀膜起始阶段，靶枪前挡板处于关闭状态，镀膜开始后靶枪前的气动挡板交替开关，利用控制镀膜时间完成对镀膜厚度控制，最终完成对凹形柱面镜的镀制。

凸形柱面镜薄膜制备实施案例举例：所镀制的凸形柱面镜曲率半径为170mm，长度为210mm，镀制薄膜为纳米级pt/cr双层膜。使用靶距为100mm，本底真空在优于3×10^-4pa，向真空腔体内充入溅射气体ar气，充入量为3mtorr，溅射材料为pt和cr，靶枪溅射功率分别选取为wpt=400w，wcr=400w，转轴自转速率为30转/分钟。通过控制pt和cr靶前气动挡板的交替开关完成对凸形柱面镜一定厚度的pt/cr双层膜制备。

制备凹形柱面镜时，靶枪溅射方向转向转动圆环，在转动圆环的样品架上安装凹形柱面基底。镀膜起始阶段，靶枪前挡板处于关闭状态，转动圆环带动凹形柱面基底转动，当需要镀制的基底扫过靶枪溅射区的时候，靶枪快门挡板打开，在基底扫过靶枪溅射区的过程中对基底进行薄膜镀制，通过对转动圆环转动速率的控制完成对镀膜厚度的调控，最终完成对凸形柱面镜的镀制。利用快门的开关和转环转动速率的梯度变化，可以独立调控转环上不同位置样品架上基底的独立镀制，从而可以使得设备可以同时对转环上不同位置安装的基底，进行相同或者不同结构薄膜的制备，对镜片进行批量生产。

凹形柱面镜薄膜制备实施案例举例：所镀制的凹形柱面镜曲率半径为167mm，长度为150mm，镀制薄膜为纳米级w/si多层膜。使用靶距为100mm，本底真空在优于3×10^-4pa，向真空腔体内充入溅射气体ar气，充入量为3mtorr，溅射材料为w和si，靶枪溅射功率分别选取为ww=200w，wsi=400w，当样品转至工作靶枪溅射区域时，气动挡板打开，转动圆环转动速率改变为预先设定速率，控制薄膜镀制厚度；样品转出工作区域后，气动挡板关闭，转动圆环速率升至1转/分钟，直至样品进入下一个工作靶枪溅射区，重复气动挡板打开转动圆环变速过程，完成w/si多层膜的镀制。