專利名稱：一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁控濺射沉積工藝裝備，屬于微納米加工制造技術領域。
背景技術：
微納米器件的研制水平和應用程度是人類進入納米科技時代的重要標志。由于納米結構本身具有的尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應，及其與下一代量子結構器件緊密的聯系，使得納米結構材料成為光電子信息技術和納米技術的核心和基礎性材料之一，尤其高深寬比三維納米結構對微納米器件的研制和納米應用科技的發展意義重大，在微納米器件、光子晶體、高密度磁存儲和國防尖端技術產品的制造領域具有廣闊的應用前景。因此，三維納米結構的制造技術是研制微納米器件和開發納米應用技術的前提和基礎，不僅是當前該技術領域的學術研究熱點，而且一旦有所突破后形成核心技術又上升為國家制造業最高水平的重要標志，并將成為提升一個國家生產力的關鍵因素。
物理氣相掠角沉積技術制備尺度、形貌均可控的周期性三維納米結構，是最新發展起來的一種人工構筑制造方法。在掠角沉積技術中，通過磁控濺射方法，原子、原子團等粒子以很大的傾斜角沉積到自身旋轉的基體上，由于原子自遮蔽效應，隨著沉積的不斷進行，成核處優先生長構筑成高深寬比的納米結構。掠角沉積技術的實質是原子自遮蔽效應下的物理自組裝過程，通過精確控制基體的旋轉和偏擺運動，可加工出高深寬比的復雜三維納米結構。掠角沉積技術具有可加工材料范圍廣、效率高、低成本和綠色環保等優點，適合有關納米產品的擴大規模生產。對于掠角磁控濺射沉積技術來說，沉積粒子的沉積角度以及沉積基體的運動形式是決定所制備微納結構三維形貌的重要工藝參數。到目前為止，理論研究還遠遠不能達到精確確定此工藝參數的水平，因此，現階段必須通過實驗來研究以上工藝參數。要完成這一實驗過程，需要將以上的兩個工藝參數獨立控制，才能夠得到其對于所制備微納結構三維形貌的影響，進而根據其規律對工藝參數進行組合，構建出特定三維形貌以實現特殊的光電功能。由于在普通磁控濺射沉積過程中，沉積粒子從靶材脫離后，以不確定的方向向沉積基體運動，即沉積角度各不相同，無法實現沉積角度參數控制；普通基體旋轉裝置僅是以沉積均勻為目的，無法實現對旋轉形式的精確控制，并且無法實現對于特定沉積角度與特定基體運動形式的自由組合。
發明內容
本發明的目的是提供一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備，為了實現磁控濺射沉積過程中沉積粒子沉積角度與沉積基體的運動形式兩個工藝參數可獨立控制并且自由組合這一目的。本發明采用沉積基體平面可調整結構、平行板及擋板約束機構控制沉積粒子的沉積角度；采用計算機控制步進電動機驅動及蝸桿蝸輪傳動實現沉積基體的特定運動形式。采用分度盤及手動旋鈕調整基體平面與豎直方向夾角，即濺射沉積角度。
實現上述目的，本發明的技術方案是
一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備，所述的裝備包括步進電機、基體平面調整機構及基體旋轉約束機構；基體平面調整機構包括基體平面調整傳動軸、分度盤、基體平面調整旋鈕、基體平面調整殼體及基體平面調整架；基體旋轉約束機構包括基體托盤、傳動蝸輪、傳動蝸桿、平行板約束沉積機構及約束機構調整架；平行板約束沉積機構包括沉積約束平行板及沉積約束擋板；步進電機的輸出軸與設置在真空室內的傳動蝸桿傳動連接，傳動蝸桿與傳動蝸輪嚙合，傳動蝸輪設有中心圓錐孔，基體托盤上設有連接軸，連接軸外側面設有與傳動蝸輪的中心圓錐孔相配合的圓錐面，傳動蝸輪與基體托盤通過圓錐面預緊連接，基體平面調整傳動軸與傳動蝸桿同軸設置，分度盤固定套裝在基體平面調整傳動軸上，分度盤設有連體蝸輪，基體平面調整傳動軸與基體平面調整架二者的相鄰端均同軸設有法蘭，基體平面調整傳動軸及基體平面調整架通過法蘭連接，基體平面調整架上裝有約束機構調整架，基體平面調整旋鈕安裝在基體平面調整殼體上，基體平面調整旋鈕中部設有旋鈕蝸桿，基體平面調整旋鈕的旋鈕蝸桿與分度盤的連體蝸輪嚙合，基體平面調整殼體套裝在分度盤的外部，基體平面調整殼體固定于真空室5的外側面，平行板約束沉積機構安裝在約束機構調整架上，且沉積約束平行板與基體托盤平行設置，沉積約束擋板與沉積約束平行板平 行設置并位于沉積約束平行板的后面，沉積約束擋板上開有平行于沉積約束平行板平面的窄縫。沉積約束平行板的外形為圓形板，沉積約束擋板為半圓形板。本發明相對于現有技術的有益效果是本發明沉積基體的旋轉運動與基體平面與豎直方向夾角可以獨立控制，且沉積角度控制精確可靠；采用同軸傳動形式對旋轉控制和角度控制進行傳動，有利于在真空室室內與室外間的運動傳遞；采用沉積約束平行板及沉積約束擋板對濺射粒子進行篩選，能夠實現對單一特殊入射條件下表面微納米結構的研究。
圖I是本發明的總體結構 圖2是基體平面調整機構的結構 圖3是基體旋轉約束機構的結構 圖4是平行板約束沉積結構原理 圖5是圖4的F處放大圖。圖I中步進電機I、基體平面調整機構2、基體旋轉約束機構3、真空室5。圖2中基體平面調整傳動軸2-1、分度盤2-2、基體平面調整旋鈕2-3、基體平面調整殼體2-4、基體平面調整架2-5。圖3中基體托盤3-1、傳動蝸輪3-2、傳動蝸桿3-3、平行板約束沉積機構3-4、約束機構調整架3-5。圖4中沉積約束平行板3-4-1、沉積基體4，沉積約束擋板3-4-2、窄縫3-4-3、濺射粒子最小入射角A、濺射粒子邊緣最大入射角B、濺射粒子邊緣最小入射角C、擋板開口高度Z、基體與擋板平行間距h、沉積約束平行板外徑D、沉積約束擋板內徑d、基體外徑dl。
具體實施方式
具體實施方式
一如圖f圖5所示，一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備，所述的裝備包括步進電機I、基體平面調整機構2及基體旋轉約束機構3 ;基體平面調整機構2包括基體平面調整傳動軸2-1、分度盤2-2、基體平面調整旋鈕2-3、基體平面調整殼體2-4及基體平面調整架2-5 ;基體旋轉約束機構3包括基體托盤3-1、傳動蝸輪3-2、傳動蝸桿3-3、平行板約束沉積機構3-4及約束機構調整架3-5 ;平行板約束沉積機構3-4包括沉積約束平行板3-4-1及沉積約束擋板3-4-2 ;步進電機1-1由輸入信號控制，輸出特定的運動形式，步進電機1_1的輸出軸與設置在真空室5內的傳動蝸桿3-3傳動連接,傳動蝸桿3-3與傳動蝸輪3-2嚙合，傳動蝸輪3-2設有中心圓錐孔，基體托盤3-1上設有連接軸，連接軸外側面設有與傳動蝸輪3-2的中心圓錐孔相配合的圓錐面，傳動蝸輪3-2與基體托盤3-1通過圓錐面預緊連接，基體平面調整傳動軸2-1與傳動蝸桿3-3同軸設置，分度盤2-2固定套裝在基體平面調整傳動軸2-1上用緊釘螺釘固定，分度盤2-2設有連體蝸輪，基體平面調整傳動軸2-1與基體平面調整架2-5 二者的相鄰端均同軸設有法蘭，基體平面調整傳動軸2-1及基體平面調整架2-5通過法蘭連接，基體平面調整架2-5上裝有約束機構調整架3-5，基體平面調整旋鈕2-3安裝在基體平面調整殼體2-4上，基體平面調整旋鈕2-3中部設有旋鈕 蝸桿，基體平面調整旋鈕2-3的旋鈕蝸桿與分度盤2-2的連體蝸輪嚙合，基體平面調整殼體2-4套裝在分度盤2-2的外部，基體平面調整殼體2-4固定于真空室5的外側面，平行板約束沉積機構3-4安裝在約束機構調整架3-5上，且沉積約束平行板3-4-1與基體托盤3-1平行設置，沉積約束擋板3-4-2與沉積約束平行板平行設置并位于沉積約束平行板的后面，沉積約束擋板3-4-2上開有平行于沉積約束平行板3-4-1平面的窄縫3-4-3 ;沉積約束平行板3-4-1的外形為圓形板,沉積約束擋板3-4-2為半圓形板。在圖I中，步進電機I由輸入信號控制，輸出特定的運動形式，并將運動傳遞給基體旋轉約束機構3，從而使濺射基體4按給定運動規律旋轉。基體4平面與豎直方向的夾角可由基體平面調整機構2來調整。兩種旋轉運動的傳遞采用同軸傳動軸由真空室5外傳遞
至真空室5內。在圖2中，手動調節基體平面調整旋鈕2-3，由蝸輪蝸桿傳動使分度盤2-2旋轉，分度盤2-2表面刻度能夠顯示其旋轉角度。分度盤2-2將旋轉運動通過基體平面調整傳動軸2-1傳遞至基體平面調整架2-5，并使其轉動相同角度，從而精確控制基體平面與豎直方向夾角，即濺射沉積角度。在圖3中，傳動蝸桿3-3接受步進電機I的輸出運動，通過傳動蝸輪3-2傳遞至基體托盤3-1，從而實現沉積基體4與步進電機I的對應運動關系，并且傳動蝸桿3-3旋轉軸心與基體平面調整機構2旋轉中心重合，實現基體平面可自由調整。沉積約束平行板3-4-1及沉積約束擋板3-4-2將符合入射條件的濺射粒子篩選出來，使其通過并沉積至基體表面，約束機構調整架3-5可以調整沉積約束平行板3-4-1及沉積約束擋板3-4-2在垂直基體表面方向的上的位置，從而實現對濺射粒子的控制。在圖4中，入射粒子在向沉積基體4運動過程中，受到沉積約束平行板3-4-1以及沉積約束擋板3-4-2的作用，不滿足通過條件的入射粒子將被阻止，無法沉積到沉積基體4表面。其參數間的關系如式(1-1)，(1-2)，(1-3)所示
,21 2 ih-2/鹿 21* 2
IanA = - = —~tanA = - = ~~(ι-ι)
D dD i
權利要求
1.一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備，其特征是所述的裝備包括步進電機(I)、基體平面調整機構(2)及基體旋轉約束機構(3);基體平面調整機構(2)包括基體平面調整傳動軸(2-1)、分度盤(2-2)、基體平面調整旋鈕(2-3)、基體平面調整殼體(2-4)及基體平面調整架(2-5 );基體旋轉約束機構(3 )包括基體托盤(3-1)、傳動蝸輪(3-2 )、傳動蝸桿(3-3 )、平行板約束沉積機構(3-4)及約束機構調整架(3-5);平行板約束沉積機構(3-4)包括沉積約束平行板(3-4-1)及沉積約束擋板(3-4-2);步進電機(1-1)的輸出軸與設置在真空室(5 )內的傳動蝸桿(3-3 )傳動連接，傳動蝸桿(3-3 )與傳動蝸輪(3-2 )嚙合，傳動蝸輪(3-2 )設有中心圓錐孔，基體托盤(3-1)上設有連接軸，連接軸外側面設有與傳動蝸輪(3-2)的中心圓錐孔相配合的圓錐面，傳動蝸輪(3-2)與基體托盤(3-1)通過圓錐面預緊連接，基體平面調整傳動軸(2-1)與傳動蝸桿(3-3)同軸設置，分度盤(2-2)固定套裝在基體平面調整傳動軸(2-1)上，分度盤(2-2 )設有連體蝸輪，基體平面調整傳動軸(2-1)與基體平面調整架(2-5) 二者的相鄰端均同軸設有法蘭，基體平面調整傳動軸(2-1)及基體平面調整架(2-5)通過法蘭連接，基體平面調整架(2-5)上裝有約束機構調整架(3-5)，基體平面調整旋鈕(2-3)安裝在基體平面調整殼體(2-4)上，基體平面調整旋鈕(2-3)中部設有旋鈕蝸桿，基體平面調整旋鈕(2-3)的旋鈕蝸桿與分度盤(2-2)的連體蝸輪嚙合，基體平面調整殼體(2-4)套裝在分度盤(2-2)的外部，基體平面調整殼體(2-4)固定于真空室5的外側面，平行板約束沉積機構(3-4)安裝在約束機構調整架(3-5)上，且沉積約束平行板(3-4-1)與基體托盤(3-1)平行設置，沉積約束擋板(3-4-2)與沉積約束平行板平行設置并位于沉積約束平行板的后面，沉積約束擋板(3-4-2)上開有平行于沉積約束平行板(3-4-1)平面的窄縫(3-4-3)。
2.如權利要求I所述的一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備，其特征是沉積約束平行板(3-4-1)的外形為圓形板,沉積約束擋板(3-4-2)為半圓形板。
全文摘要
一種掠角磁控濺射沉積工藝裝備。屬于微納米加工制造技術領域。為了實現磁控濺射沉積過程中沉積粒子沉積角度與沉積基體的運動形式兩個工藝參數可獨立控制并且自由組合這一目的。步進電機的輸出軸與傳動蝸桿傳動連接，傳動蝸桿與傳動蝸輪嚙合，傳動蝸輪與基體托盤連接，基體平面調整傳動軸與傳動蝸輪同軸設置，分度盤固定套裝在基體平面調整傳動軸上，基體平面調整傳動軸及基體平面調整架通過法蘭連接，基體平面調整架上裝有約束機構調整架，基體平面調整殼體固定于真空室的外側面，平行板約束沉積機構安裝在約束機構調整架上，沉積約束擋板與沉積約束平行板平行設置并位于沉積約束平行板的后面。本發明用于基體磁控濺射沉積。
文檔編號C23C14/35GK102703875SQ20121023005
公開日2012年10月3日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者史立秋, 吳超, 張俊杰, 曹永智, 胡振江 申請人:哈爾濱工業大學