一种提高异形零件镀膜均匀性的控制方法与流程

本发明涉及一种提高异形零件镀膜均匀性的控制方法，特别用于异型零件(石英谐振子、半球光学零件、超半球光学零件、圆柱面光学零件、结构遮挡等零件)表面高均匀性膜层制备，对于其他各类异型零件件的高均匀性镀膜也具有借鉴意义。

背景技术：

传统的磁控溅射镀膜系统中，基片10一般作单一运动，如图1所示，在这种环境下，对于平面被镀工件，能达到较好的均匀性，但是对于异形结构零件则难以满足均匀性要求。同时传统方法对于异型零件各个表面镀膜无法一次成膜，需要对零件进行多次镀膜，这也无法保证膜层的均匀性。并且无法实现膜层厚度精确监控，因此，采用常用的传统方式对异型零件镀膜均匀性差，合格率难以控制，效率低。

中电26所研究了半球陀螺谐振子金属化镀膜的工艺技术。他们采用磁控溅射法镀制金掺杂的二元复合膜，有效地在基底表面形成吸附中心，提高金膜附着力，膜层性能也相当稳定。通过设计专用的夹具和工艺保证膜层的均匀性,溅射数十纳米的镀层厚度

中国建筑材料科学研究总院针对电子束蒸镀方式在球形玻璃基底镀制ito导电薄膜均匀性不足的问题，改进了平面基底镀膜中常用的行星工装夹具。在通常行星夹具的基础上，利用转向轴装置使球形基底的自转轴与原自转盘的自转轴错开一定角度，这样就使得球顶心在镀膜过程中面向蒸发源的时间减少，同时使半球边缘处球面上着膜点切平面与入射蒸发原子束流之间的夹角增大。随着两自转轴错开角度的增大，球形基底表面膜厚的均匀性显著提高。

苏州大学进行了复杂工件表面磁控溅射镀膜均一化控制的研究。针对复杂工件镀膜过程中出现的靶材消耗不均匀产生凹状侵蚀环及薄膜厚度不均匀问题，通过采用旋转式柱状磁控溅射靶，在镀膜室内采用多个磁控溅射靶并设置辅助磁场以构成封闭磁场，使靶与靶之间形成交联作用，提供等离子体的密度和工件的偏流，达到了在具有复杂外形和内腔结构的表面均匀镀膜的目的。经改装之后，所制备薄膜的外观完好，无裂痕，膜层厚度在1μm-5μm之间，膜层均匀性小于±5％。

从查询到的参考文献可看出，当前异型零件镀膜方法，均匀性控制主要还停留在传统的单一运动方式，无法实现膜层厚度的精确控制和良好的膜层均匀，因此有待于开发出新的加工方法，以解决该问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的，在于研制一种提高异形零件镀膜均匀性的控制方法。

本发明的技术方案为提供一种提高异形零件镀膜均匀性的控制方法，被镀工件在镀膜过程中进行公转、自转和摆动的复合运动；

被镀工件安装在多自由度工作平台上，所述多自由度工作平台垂直于靶材的轴线做圆周运动，带动被镀工件做公转运动，所述多自由度工作平台夹持直径为600mm，公转速率在10r/min-15r/min；

被镀工件相对于所述多自由度工作平台进行自传运动，自转速率在15r/min-20r/min；

被镀工件被所述多自由度工作平台夹持工具夹持并在公转运动和自传运动同时进行摆动运动，工件在水平面绕公转轴作公转运动，同时绕工件中心轴作自转运动，并且在垂直于公转轴的平面内作摆动运动，形成公转、自转、摆动合成运动。以每个间隔摆动度数停留一端时间继续自由转动镀膜；

半球的膜厚分布公式为：

h(θ)＝λ1h1(θ)+λ2h2(θ)+…+λnhn(θ)

其中，每个摆角处单独自转镀膜时所得到的各环带的薄膜厚度分布为h1(θ)，h2(θ)...hn(θ)；

比例因子λ1、λ2…λn是调整不同摆角处半球自转镀膜时间。

优选的，所述比例因子的选取方式如下：

在所述被镀工件上挖出三条卡槽，将硅片贴入卡槽内，经过所述复合运动镀膜后，将硅片取下，用台阶仪测量硅片表面的薄膜厚度，将该硅片平面上的薄膜厚度等效于半球曲面上的薄膜厚度，测量出半球上的膜厚均匀性，放置晶振仪探头于工件盘中心位置，通过调整不同摆角h(θ)和不同摆角处半球自转镀膜时间

λn进行反复实验，记录不同工艺参数形成的镀膜厚度。

本发明特别用于异型零件(石英谐振子、半球光学零件、超半球光学零件、圆柱面光学零件、结构遮挡等零件)表面高均匀性膜层制备，对于其他各类异型零件件的高均匀性镀膜也具有借鉴意义。

附图说明

图1是传统磁控溅射镀膜系统示意图；

图2是多自由度的运动机构示意图；

图3是溅射靶与半球零件相对位置示意图；

图4是摆角间隔15°时各环带膜厚分布及半球膜厚分布图；

图5是优化后半球膜厚均匀性分布图；

图6是膜厚检测示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明包含以下内容，但并不仅限于以下内容。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

1、被镀工件运动合成控制方法

基于多自由度的运动机构20，如图2所示，让被镀工件(半球零件)30在镀膜过程中进行公转、自转和摆动的复合运动。工件在镀膜过程中以复合运动的方式进行运动，能够实现异型零件全表面一次性镀膜，保证膜层达到较高均匀性。因此对运动参数进行了研究。

(1)公转参数

以谐振子零件为例，在公转运动中，谐振子零件绕着垂直于靶材的轴线作圆周运动，其目的在于使得镀膜过程中，零件所接收到的粒子保持稳定，一般而言，为了提高生产效率，我们在同一圆周上布置多个零件，零件在镀膜过程中，由于公转运动，等够实现同样的镀膜环境，提高多个零件同时镀膜时的膜层均匀性，大大增加镀膜效率。经过试验验证，运动机构夹持直径600mm，公转速率可在10r/min-15r/min之间选择。

(2)自转参数

在镀膜过程中零件自转，能够保证膜料分子沉积到零件等效平面的几率保持一致，镀膜过程中进形自转，能够使异型零件等效平面的中心与边缘的膜层厚度保持一致，提高膜层的均匀性。经过试验验证，谐振子外径25mm，自转速率可在15r/min-20r/min之间选择。确定异型零件的自转速率与零件自身尺寸有关，零件外径尺寸较大可选用自转速率较高，尺寸较小则适当降低自转速率。

(3)摆动参数

摆动参数设定是保证异型零件镀膜均匀性的关键参数。镀膜过程中工件在公转与自转运动的同时进行适当可控的摆动，可保证异型零件全表面一次性镀膜，并且与公转与自转参数配合能够实现异型零件表面膜层高均匀性的要求。因此确定合适的摆动速度十分重要。在镀膜过程中，如图3所示，谐振子做平面xoy内自由转动和平面xoz内向前或向后的90度范围内摆动的合成运动，靶面中心q点在半球的外表面的投影为从半球顶点到底边的一条螺旋线。半球在做连续自由转动时，以每个间隔度数每摆到一个角度，就停留一段时间继续自由转动镀膜，此时靶面中心q在半球外表面的投影为从半球顶部到边沿按按纬度均匀分布的一个个圆环，相邻的圆环之间的纬度差就是摆动间隔的度数。当摆动时的间隔度数足够小时，投影就可以无限接近投影为螺旋线时的情况。由于对称关系，在不同位置处半球自转镀膜形成膜厚分布为一环带分布，即半球外表面相同纬度上所有点的膜厚都相等。

在某个摆角间隔下，每个摆角处半球自转镀膜时间都相等，而且在每个摆角处单独自转镀膜时所得到的各环带的薄膜厚度分布为h1(θ)，h2(θ)...hn(θ),则半球外表面的膜厚分布h(θ)就是各环带膜厚分布的叠加，即有

h(θ)＝h1(θ)+h2(θ)+…+hn(θ)(1)

现在以摆动间隔15°时不同摆角处膜厚分布及叠加后的半球膜厚分布为例，不同摆角分别对应0°、15°、30°、45°、60°、75°。通过计算，可以得出半球在不同摆角处的膜厚分布，其大致曲线如图4所示。

曲线1、2、3、4、5、6分别对应摆角为0°、15°、30°、45°、60°、75°时环带的膜厚分布，曲线7为曲线1-6叠加后的半球膜厚分布，由图可知，无论是不同摆角镀膜形成的环带膜厚分布还是各环带叠加后的半球膜厚分布，其均匀性都不能满足要求。对于这种情况，我们在(1)式右边的各环带的膜厚分布乘一个比例因子，半球的膜厚分布变为下式：

h(θ)＝λ1h1(θ)+λ2h2(θ)+…+λnhn(θ)(2)

调整(2)式中的比例因子λ1、λ2…λn的大小，也就是调整不同摆角处半球自转镀膜时间，就可以改善半球上膜厚分部h(θ)的均匀性。对于不同的摆角间隔，都可以用计算机优化出一组最佳比例因子，来实现半球在不同摆角间隔下所能达到的最佳膜厚均匀性分布，优化比例因子得到的半球膜厚分布如图5中曲线8所示。由图5可知，半球上膜厚均匀性大大改善，为继续提高均匀性，可根据具体镀膜要求，调整摆角间隔和比例因子，如所镀薄膜厚度不是太薄时，可减小摆动间隔，这样镀膜环带更多，所能优化出的均匀性必然更高。因此针对谐振子异型零件，当选定公转参数10r/min-15r/min、自转速率在15r/min-20r/min，摆角间隔为15°时，最终保证产品膜层厚度小于80nm、膜层均匀性小于3％。

2、薄膜厚度均匀性检测控制方法

对于异形零件，如何实时检测膜厚厚度也是要解决的问题。将晶振仪放置磁控溅射真空腔室内部，来检测一定位置的薄膜厚度，但是对于半球形零件，无法利用晶振仪来测试半球表面各位置的薄膜厚度，在这种情况下就需要实验的方法。首先我们提出了一种方法来使在半球上镀得的膜厚均匀，接下来就是在镀膜后检测半球上膜厚是否均匀了，对于半球形零件，直接测量球表面的薄膜厚度较为困难，在实验阶段，我们设计了如图6所示的结构。为了测量半球表面薄膜厚度，在半球表面挖出三条卡槽，将硅片贴入卡槽内，镀好膜厚，将硅片取下，用台阶仪测量硅片表面的薄膜厚度，由于硅片分布于半球上不同纬度，且形状较小，便可以将平面上的薄膜厚度等效于半球曲面上的薄膜厚度，测量出半球上的膜厚均匀性。放置晶振仪探头于工件盘中心位置，通过反复实验，确定好晶振仪所测薄膜厚度与半球上实际的薄膜厚度关系，如晶振仪测量到薄膜厚度为200nm，此时半球上薄膜厚度为80nm，且半球表面薄膜均匀，记录磁控溅射各工艺参数，便可进行批量生产。