一种多靶材真空镀膜装置及镀膜方法与流程

本发明涉及一种采用真空蒸发的镀膜装置，尤其涉及一种多靶材真空镀膜装置及镀膜方法，能够实现多种材料的真空蒸发镀膜。

背景技术：

真空蒸发镀膜技术作为一种成熟的材料加工工艺，已经广泛应用于半导体和平板显示器行业。传统的真空蒸发镀膜系统包括电子束发生装置、真空蒸发室、真空系统以及样品室等主要部分，通过将固体材料置于高真空环境中进行加热蒸发或升华，使之沉积在衬底基片的表面，从而形成镀膜。传统真空蒸发镀膜技术只能进行单一材料的镀膜，无法实现多种靶材的一次性镀膜，且无法实现单层图样、纳米阵列和多层复合结构的制备。

中国发明专利cn106032567a公布了一种真空蒸发镀膜装置，该发明在蒸发镀膜过程中基板固定不动，只能生成一定厚度的表面镀层，无法直接实现特定几何形状的蒸发镀膜操作，且膜材容器中一次只能盛放一种膜材，无法直接实现多膜材蒸镀的切换。

中国发明专利cn101985736a提出了一种多工位渐变薄膜镀制设备，通过一套基片换位机构和特定的掩膜结构，能够实现非均匀薄膜的镀制，但无法直接完成针对各类单层、多层和阵列形式的量子功能器件。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种多靶材真空镀膜装置及镀膜方法，用以解决现有真空蒸发镀膜中无法直接实现多种材料的真空蒸发镀膜问题，并能够实现单层图样、纳米阵列和多层结构制备。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多靶材真空蒸镀装置，包括调节机构、微动平台、衬底座、掩膜机构、靶材换位机构和激光头，其中，

所述微动平台为xy两自由度的纳米平台；

所述调节机构与微动平台连接，用以在x、y和z方向上调节微动平台的位置；

所述衬底座活动安装于微动平台上，衬底座的下端留有安装衬底的槽体；

所述掩膜机构安装于衬底座的下端，包括掩膜版和掩膜片，掩膜版和掩膜片上均留有掩膜孔，掩膜片固定于掩膜版上，使得掩膜片上的掩膜孔、掩膜版的掩膜孔和所述槽体在竖直方向上的投影重叠；

靶材换位机构安装于掩膜机构的下端，包括支架和可旋转工位，可旋转工位安装于支架上，可旋转工位上设置有多个靶材槽，多个靶材槽环绕可旋转工位的旋转轴设置；

激光头安装于靶材换位机构的下端，产生激光，冲击靶材槽中的靶材，产生靶材束气流。

微动机构包括xy两自由度的纳米平台，可实现微纳米级别的运动精度，其上安装有衬底座，在真空蒸镀过程中，微动机构带动衬底座实现微纳米级别运动，从而实现特定图样、阵列及结构的蒸镀。

可旋转工位上放置不同种类靶材，旋转工位可旋转运动，通过工位旋转即可实现真空蒸发靶材的切换。

掩膜版和掩膜片上均有掩膜孔结构，通过掩膜孔调节蒸发气流运动方向及最小镀膜大小。

优选的，所述调节机构包括x/y向调节机构和z向调节机构，x/y向调节机构与微动平台的侧面固定连接，z向调节机构与衬底座的上表面固定连接。

针对不同的蒸镀靶材，通过手动或电动调节，可实现将衬底座上衬底移动至掩膜孔对应位置，即将衬底座移动到初始工作位置。

优选的，所述多个靶材槽与可旋转工位的旋转轴之间的距离相等。

优选的，所述衬底座上标有位置参考点。

调整机构xy向调节机构可调节平台在xy方向的位置，z向调节机构可调节衬底座与掩膜板的z向距离。调整机构在调节过程中通过检测机构获得调整后的位置信息，与衬底座位置参考点对比，完成快速定位。

优选的，所述激光头为脉冲激光头。

优选的，所述多靶材真空蒸镀装置还包括检测机构，检测机构包括xy向的ccd相机和z向的ccd相机，检测机构设置于衬底座与掩膜机构的中间空间的侧面。用于检测衬底在三个方向的位置信息。

进一步优选的，所述xy向的ccd相机和z向的ccd相机之间相互固定。

优选的，所述多靶材真空蒸镀装置还包括控制器，控制器分别与调节机构、微动平台和检测机构连接。

检测机构将衬底的位置信号传递给控制器，控制器控制调节机构和微动平台动作，实现衬底的移动。

优选的，所述多靶材真空蒸镀装置还包括真空腔室，调节机构、微动平台、衬底座、掩膜机构、靶材换位机构、激光头和检测机构均设置于真空腔室中。

一种多靶材真空镀膜方法，包括如下步骤：

1)根据加工要求，将相应种类的靶材装于靶材槽中，将衬底安装于衬底座下端的槽体中，将掩膜片安装于掩膜版上；

2)选择需要真空蒸镀加工的靶材，靶材换位机构动作，将对应的靶材槽旋转至加工工位；

3)检测机构检测得到衬底座相对于掩膜片上的掩膜孔的初始位置，调整机构调节衬底座的位置，完成衬底座的初始工作位置调整，将蒸发腔室抽真空；

4)激光头发出脉冲激光，冲击靶材槽中的靶材，产生靶材束气流，靶材束气流沿掩膜板及掩膜片中的掩膜孔上升沉积至衬底上；

5)微动平台动作，从而带动衬底产生沿特定轨迹的平面运动，使靶材沉积形成特定图样。

6)完成上述步骤即可制备单层图样。

优选的，制备多层结构时，按照上述步骤完成单层制备，靶材换位机构动作，完成靶材更换，再进行步骤4)和步骤5)完成多层图样的制备。

优选的，制备纳米阵列结构时，完成一个阵列单元的制备后，靶材换位机构动作，旋转至空靶槽，此时没有靶材束沉积，微动平台动作至下一阵列单元位置，靶材换位机构动作，旋转至工作靶槽，即可制备下一阵列单元，进而完成整个阵列结构制备。

本发明的有益效果为：

1.采用靶材换位机构，可装载多种靶材，并在真空蒸镀过程中可自动切换靶材，与传统真空蒸发镀膜设备相比，能够实现多种靶材的真空蒸发镀膜。

2.采用微动机构来实现衬底的微纳运动，与传统真空蒸发镀膜设备相比，可实现单层图样及纳米阵列等的制备。

3.根据不同材料的真空蒸发要求，采用xyz三向调整机构，xy向调整机构可调节微动水平位置，实现衬底和掩膜孔的定位，z向调整机构可调节衬底相对于掩膜板的垂直位置。

4.检测机构采用视觉检测方法，实时监测衬底位置变化，可实现对衬底的微纳运动控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为图1中a处的放大图；

图3为本发明视觉检测调整工作原理图；

图4为本发明的多靶材蒸镀方法的工作流程图；

其中，1、掩膜版，2、x/y向调节机构，3、微动平台，4、衬底座，5、z向调节机构，6、衬底，7、掩膜，8、检测机构，9、可旋转工位，10、靶材槽，11、激光头，12、真空蒸发腔，13、衬底标记点，14、掩膜孔。

具体实施方案

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提供了一种多靶材真空蒸镀装置，包括微动平台3、衬底座4、调整机构、掩膜机构、靶材换位机构9、激光头11、检测机构8等。

所述微动平台3为一xy两自由度的纳米平台，平台由压电陶瓷驱动，采用柔性机构设计，可实现微纳米级别的运动精度。

进一步的，所述衬底座4安装在微动平台3上，衬底座4上安装有用于真空蒸镀的衬底6。在真空蒸镀过程中，微动平台3带动衬底座4实现微纳米级别运动，从而实现特定图样、阵列及结构的蒸镀。

所述调整机构包括x/y向调节机构2及z向调节机构5，进一步的，x/y向调节机构2包括x向调节机构和y向调节机构。x/y向调节机构2可调节微动平台在xy方向的位置，z向调节机构5可调节衬底座4与掩膜版1之间的z向距离。微动平台3安装在调节机构上，通过手动或电动调节，从而实现将衬底座4移动到初始工作位置，即将衬底座4上的衬底6移动至掩膜版7上掩膜孔14对应位置，如图3所示。

掩膜机构包括掩膜版1和掩膜片7，掩膜版1固定安装在基座上，掩膜片7安装在掩膜版1上，掩膜版1及掩膜片7上均有掩膜孔，可使高温蒸镀气流通过。

所述检测机构8包括两台ccd相机，包括xy方向的ccd相机和z向的ccd相机，分别用于检测衬底座4相对于掩膜片7上掩膜孔14的x/y向及z向的相对位置。

所述靶材换位机构9安装于掩膜版1下方为可旋转机构，设置有多个靶材槽10，靶材槽10中放置有不同的真空蒸镀靶材，即安装在靶材换位机构9上的靶材槽10可旋转运动，从而实现靶材槽10的换位，多个靶材槽10与可旋转机构的旋转轴的距离相等。

所述激光头11为脉冲激光器，可发射高能脉冲激光。激光头11安装在靶材换位机构9下方。真空蒸镀时，蒸发单元11发出高能脉冲激光轰击至于靶材槽10中的靶材，被轰击后的靶材气流沿掩膜板1和掩膜7上的小孔沉积到衬底6上。

镀膜装置还包括真空腔室12，蒸镀过程均在真空腔室中进行。

如图3所示，检测机构8在工作时，通过ccd相机捕捉衬底座4上的标记点13与掩膜片7上小孔的位置，通过计算得到两者的相对位置，从而通过调整机构2进行调节，使衬底座4运动到初始工作位置。

如图4所示，一种采用真空蒸发的镀膜装置工作方法如下：

步骤一：准备工作，根据加工要求，准备相应种类的靶材装备于靶材槽10中，同时安装衬底6于衬底座4，安装掩膜7于掩膜板1上。

步骤二：选择靶材，选择需要真空蒸镀加工的靶材种类，靶材换位机构9动作，将相应靶材槽10置于加工工位。

步骤三：调整定位，通过前述检测机构8工作原理，得到衬底座4相对于掩膜孔14的初始位置，继而动作调整机构2及5，调节衬底座4位置，完成衬底座4的初始工作位置调整。

步骤四：将蒸发腔室12抽真空。

步骤五：靶材蒸发，蒸发单元11发出脉冲激光，冲击靶材槽10中的靶材，产生靶材束气流。

步骤六：靶材束气流沿掩膜板1及掩膜7中的小孔上升沉积至衬底6上。

步骤七：二自由度微动平台3动作，从而带动衬底6产生沿特定轨迹的平面运动，使靶材沉积形成特定图样。

步骤八：判断蒸镀是否完成，若是，则进行步骤九，否则，返回步骤五。

步骤九：判断是否选择另外的靶材继续蒸镀，若是，返回步骤二、步骤三、步骤五，否则，完成蒸镀。

完成上述步骤即可制备单层图样。制备多层结构时，进行上述步骤完成单层制备时，靶材换位机构动作完成靶材更换，再进行步骤四和步骤五完成多层制备。

制备纳米阵列结构时，完成一个阵列单元制备后，靶材换位机构动作，旋转至空靶槽，此时没有靶材束沉积，微动平台动作至下一阵列单元位置，靶材换位机构动作，旋转至工作靶槽，即可制备下一单元，进而完成整个阵列结构的制备。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。