【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 如圖 2[ 分子束外延裝置示意圖 ]。噴射爐中裝有分子 束源 ，在超高真空下當(dāng)它被加熱到一定溫度時(shí)，爐中元素以束狀分子流射向基片?；患訜岬揭欢囟龋练e在基片上的分子可以徙動(dòng)，按基片晶格次序生長(zhǎng)結(jié)晶用 分子束外延法可獲得所需化學(xué)計(jì)量比的高純化合物單晶膜，薄膜最慢生長(zhǎng)速度可控制在 1 單層 /秒。通過(guò)控制擋板 ,可精確地做出所需成分和結(jié)構(gòu)的單晶薄 膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各種超晶格結(jié)構(gòu)薄膜 . 課題研究背景 在鍍膜的過(guò)程中，真空鍍膜系統(tǒng)的好壞對(duì)膜的影響非常大。 然而一個(gè)好的樣品架能夠改善膜的生成環(huán)境。在真空鍍膜的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn) 了各式各樣的樣品架，不同的樣品架能夠滿足不同的鍍膜需求，而此次課題重點(diǎn)研究樣品架的創(chuàng)新。對(duì)鍍膜的膜厚進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)樣品架實(shí)現(xiàn)對(duì)不同膜厚的獲取。 設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題 本次 設(shè)計(jì)要求提出滿足設(shè)計(jì)要求的方案，然后不同的方案進(jìn)行對(duì)比，選擇 一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。確定好方案后，就要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，包括解決不斷出現(xiàn)的新問(wèn)題。 要查閱相關(guān)資料，閱讀文獻(xiàn)，翻譯文獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 用 CAD 繪圖。 并進(jìn)行配套真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。 合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 5 2 設(shè)計(jì)方案的選擇 真空鍍膜樣品架種類 在鍍膜室中用于樣品固定的樣品架有不同的結(jié)構(gòu)。一般為了保證鍍膜的均勻性，要求樣品架按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)速度必須均勻平穩(wěn)。由于工件要進(jìn)行轟擊清洗和烘烤除氣，因此，要求工件架耐烘烤，不變形。同時(shí)要求工件架承載的工件多，工件效率較高。常用工件架有如下幾種： 球面行星傳動(dòng)工件架 這種工件架常用在蒸發(fā)鍍膜設(shè)備中，下面的圖 21(a)是 DMP450 型鍍膜機(jī)球面行星工件架結(jié)構(gòu)圖，球面夾具是 1200 均勻的，一臺(tái)鍍膜機(jī)上有三個(gè)夾具，上面的孔，根據(jù)被鍍零件需要而開(kāi)設(shè)。其工作原理如圖 21(b)所示，三個(gè)球面圓 盤均勻布在一個(gè)球面上，蒸發(fā)源依源的發(fā)射特性可置放于球心或周面上。 圖 21(a) DMP450型鍍膜機(jī)球面行星工件架結(jié)構(gòu)圖 21(b) DMP450型鍍膜機(jī)球面行星工件架原理圖 合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 6 它的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 基片架的有效面積較大，承載的幾篇數(shù)多，工作效率高； （ 2） 膜層均勻，從理論分析中可知，球面上任意一點(diǎn) P 的膜厚只與球面半徑 R有關(guān) ， 再加上公轉(zhuǎn)和自傳，可得到厚度均勻的薄膜。 （ 3） 沒(méi)有臺(tái)階效應(yīng)的影響，由于基片架的轉(zhuǎn)動(dòng)本基片臺(tái)階處于圖中的 a,b 各點(diǎn)，都有相同的的機(jī)會(huì)來(lái)接受蒸發(fā)源的材料蒸汽分子。 工件架的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇得當(dāng)，旋轉(zhuǎn)速度太快時(shí)，蒸鍍效果不好，轉(zhuǎn)速太慢 、 工件架尚未旋轉(zhuǎn)一周 、 蒸發(fā)材料就蒸發(fā)完畢，就不能保證膜的均勻性了。因此一般要根據(jù)每次蒸鍍時(shí)所需要的最短時(shí)間，旋轉(zhuǎn)工件架的線速度及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性等方面來(lái)確定工件架的最大轉(zhuǎn)速。 摩擦傳動(dòng)工件架 下面的圖 22 表示一種最簡(jiǎn)單的摩擦式傳動(dòng)工件架。其工作原理是：摩擦輪 6與 3 相互壓緊后，在接觸處產(chǎn)生壓緊力 Q，當(dāng)主動(dòng)輪 6 逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦力即帶動(dòng)從動(dòng)輪 3 作順時(shí)針回轉(zhuǎn)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪所需的工作圓周力 P 應(yīng)小于兩摩擦輪接處所產(chǎn)生的最大摩擦力 fQ,P≤ fQ。f 為摩擦系數(shù)，其值與摩擦輪材料 ,表面狀態(tài)及工作情況有關(guān)。摩擦輪傳動(dòng)可用于兩平行軸之間的傳動(dòng)，兩相交軸或相錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是加工容易，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易丟轉(zhuǎn)。 圖 22 摩擦式傳動(dòng)工件架 （ 1底板 ， 2— 對(duì)稱輪 ， 3— 大摩擦輪 ， 4— 旋轉(zhuǎn)對(duì)架 ， 5— 工件架 ， 6— 主動(dòng)摩擦輪 ） 齒輪傳動(dòng)工件架 齒輪傳動(dòng)工件架應(yīng)用范圍最廣，可用在各種形式的鍍膜機(jī)上。其傳動(dòng)方式應(yīng)根合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 7 據(jù)工藝要求靈活選定。圖 23 為最簡(jiǎn)單的一種，小齒輪為主動(dòng)輪，可實(shí)現(xiàn)工件架轉(zhuǎn)速恒定。 圖 23 齒輪式傳動(dòng)工件架 （ 1— 主動(dòng)小齒輪 ， 2— 旋轉(zhuǎn)支架 ， 3— 工件架 ， 4大齒輪 ， 5— 底板 ， 6— 支撐輪 ） 撥桿傳動(dòng)工件架 圖 24 為撥桿傳動(dòng)工件架的示意圖，這種結(jié)構(gòu)多用在底板或真空室下部的空間 無(wú)法安排傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而在真空室頂部有可能安排時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可將電機(jī)置于真空室頂部。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本不高。 圖 24 撥桿式傳動(dòng)工件架 （ 1— 固定支架 ， 2— 真空室 ， 3— 支撐輪 ， 4— 工件架 5— 撥桿 ， 6— 主動(dòng)軸 ， 7— 烘烤罩 ， 8— 底板 ） 合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 8 其他類型的工件架 圖 25 多級(jí)行星工件架 圖 25 為一種多級(jí)行星工件架?，F(xiàn)行鍍膜機(jī)的工件架為一級(jí)行星式工件架，完成對(duì)太陽(yáng)能集熱管的鍍膜工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)效率較低，即在前一級(jí)的行星架的基礎(chǔ)上設(shè)置后一級(jí)行星輪系的行星架、定輪、行星軸，充分利用了鍍膜機(jī)真空腔室內(nèi)的空間，打打增加既可繞鍍膜機(jī)真空腔室中心作公轉(zhuǎn)，又可以作自轉(zhuǎn)的行星軸 —待鍍膜玻璃管的數(shù)量，從而提高了真空鍍膜機(jī)單機(jī)、單次的產(chǎn)出率，也提高了靶材的利用率，相應(yīng)的減少了能耗，降低成本。 圖 26 能適應(yīng)不同樣品架的鍍膜機(jī)工件架 圖 26 為一種能適應(yīng)不同樣品架的鍍膜機(jī)工件架。包括：公轉(zhuǎn)磁力轉(zhuǎn)軸、工件架升降機(jī)構(gòu)、自 轉(zhuǎn)磁力轉(zhuǎn)軸、工件架升降平臺(tái)，其中帶有樣品的樣品工件架插裝鍵連合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 9 在工件架升降平臺(tái)的中軸支架上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)軸力轉(zhuǎn)軸穿過(guò)工件架升降平臺(tái)通過(guò)自轉(zhuǎn)齒輪與平面樣品工件架安裝在一起，所述工件架升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)支架桿依次經(jīng)螺紋鏈接的軸套、波紋套、導(dǎo)向器連接至工件架升降平臺(tái)底部。工件架采用雙軸兩側(cè)引入，平面樣品和柱面樣品工件架可快速更換，適應(yīng)范圍廣。 膜厚均勻性的計(jì)算 工業(yè)生產(chǎn)要求真空鍍膜層厚度的分布是均勻的或者是按特定要求的比例分布。如光學(xué)零件的增透膜、干涉濾光膜要求很高的均勻度 , 非球面薄膜則要求在平面上淀積拋物線型的厚度分布層。為了控制厚度的分布 , 首先要找出影響膜厚的主要因素 , 從理論上來(lái)計(jì)算厚度的分布 , 從而在制膜工藝上控制這些因素 , 以達(dá)到預(yù)期的效果。 影響膜層厚度的主要因素有 : (1) 襯底表面的形狀。 (2) 蒸發(fā)源的特性。 (3) 蒸發(fā)場(chǎng)的物理性質(zhì)。假定蒸發(fā)場(chǎng)的物理性質(zhì)滿足如下條件 : 工作室的氣壓很低 , 足以保證蒸發(fā)物質(zhì)的分子不受到剩余空氣的碰撞而直接到達(dá)襯底表面 , 且立即凝結(jié)。一般來(lái)說(shuō) ,普通高真空鍍膜設(shè)備的工作真空度均等于或小于 1 1024To rr, 此時(shí) , 剩余氣體分 子的平均自由程 KE 0. 5m。而實(shí)際生產(chǎn)中蒸發(fā)源至凝結(jié)點(diǎn)的距離一般是不會(huì)超過(guò) 0. 5m 的 , 所以蒸發(fā)分子可以不受阻礙地到達(dá)襯底表面 , 并設(shè)蒸發(fā)物分子之間的碰撞可忽略不計(jì)。對(duì)于蒸發(fā)源 , 最理想的是一個(gè)極小的點(diǎn)狀蒸發(fā)源 , 它的直徑相對(duì)于蒸發(fā)源至襯底表面的距離而言是很小的 , 可以忽略不計(jì) , 而且在蒸發(fā)時(shí)各個(gè)方向上的物理性質(zhì)均等。 設(shè)有 M 克物質(zhì)從點(diǎn)源蒸發(fā)后凝結(jié)于半徑為 R 的球殼內(nèi)表面上 , 若點(diǎn)源位于球的中心 , 則球內(nèi)表面上的膜層應(yīng)是均勻的 , 因?yàn)楦飨蛏系奈锢硇再|(zhì)均等。設(shè)蒸發(fā)前的物質(zhì)體積為 V 則 式中 為物質(zhì)的密度。 假定蒸發(fā)后的物質(zhì)完全凝結(jié)于球體內(nèi)表面 , 設(shè)體積為 V ′ = 4 式中 t為球體內(nèi)表面膜層厚度。 由于蒸發(fā)前后物質(zhì)的體積應(yīng)相等 V = V ′ 故膜層厚度 t = (1) 從式 (1) 中可看出 , 厚度 t 與蒸發(fā)源至凝結(jié)點(diǎn)的距離平方成反比。但是 , 如點(diǎn)源蒸發(fā)至平面鏡上 , 如圖 27 所示 , 則膜層厚度的分布就不按 (1) 計(jì)算。 合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)：真空蒸發(fā)鍍膜樣品架設(shè)計(jì) 10 圖 27 點(diǎn)源蒸發(fā)至平面鏡 圖 此時(shí)膜層的厚度分布將是不均勻的 , 因?yàn)槠矫骁R上各點(diǎn)至蒸發(fā)源的距離不同 , 而且蒸汽的入射角也不相同 , 我們可推導(dǎo)出另一公式 [ 1 ] , 由于點(diǎn)源各向的物理性質(zhì)相則每一單位立體角 dX 內(nèi)蒸發(fā)的物質(zhì) dm 應(yīng)該相等。見(jiàn)圖 28。 圖 28 示意圖 設(shè)有 M 克的物質(zhì)從點(diǎn)源完全蒸發(fā)凝結(jié)于一平面鏡 A OB 上 , 則 ( ) 因?yàn)檎麄€(gè)圓球?qū)η蛐乃牧Ⅲw角為 4 , 故除以 4 , 任一球表面與所包立體角的關(guān)系為 : 式中 r 為球半徑 , 即為凝結(jié)點(diǎn)至蒸發(fā)源的距離 , 現(xiàn)以 h 代之。