CN103849849B - 一种在物体表面制备薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在物体表面制备薄膜的方法，基于薄膜制备装置进行薄膜制备，具体包括如下步骤：（1）三维结构模型输入；（2）表面工艺点节点划分；（3）工艺点参数设置；（4）每步移动参数计算；（5）图形化定位；（6）机械手位置控制；（7）薄膜生长工艺控制。本发明提供的在物体表面制备薄膜的方法，可以在不同形状的凸形表面按照要求进行薄膜的制备，克服传统方法难以在不规则表面制备薄膜的问题。

Description

一种在物体表面制备薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种在物体表面制备薄膜的方法，能够在不规则形状物体的凸形表面均匀制备薄膜，属于薄膜材料制备技术。

背景技术

薄膜技术是随着近现代科学技术的发展而产生出来的一项技术。广义的薄膜包涵了自支撑类型的薄膜，比如日常生活使用的保鲜膜、塑料袋等等有机高分子薄膜；以及各种附着在物体表面的功能薄膜，比如眼镜片表面制备的减反膜，工件表面生长的防氧化膜，用于半导体芯片制造的各种半导体材料薄膜等等。

在物体表面制备的薄膜包括很多种，按照其功能不同，可以大概分出以下几种：1）光学功能薄膜，主要利用其光学透/反射特性，其中比较常见的例子是镀有氟化镁的光学镜片；2）电学功能薄膜，主要利用其导电、绝缘或者半导体特性，其中比较典型的例子是半导体工艺中使用的金属薄膜、氧化硅薄膜、硅薄膜等等；3）热学功能薄膜，主要利用其良好的热导或热阻特性，比较典型的例子是各种热界面薄膜材料；4）机械功能薄膜，主要利用其较好的机械特性，起到保护物体表面的作用；5）其他带装饰功能的薄膜，主要利用薄膜特殊的颜色，质地等等，起到美化的作用。这些不同功能的薄膜通常需要使用不同的材料，而每种特定的材料均涉及到了在各种不同几何形状的物体表面进行材料制备的课题。

目前，薄膜材料制备的方法有很多种，比较典型的有：直流或射频溅射（DCsputtering、R.F.sputtering）、热蒸发（thermalevaporation）、电子束蒸发（e-beamevaporation）、物理或化学气相沉积（PVD、CVD）、分子束外延（MBE）、原子层淀积（ALD）等等。

普通用途且低沉本的薄膜多采用直流或射频溅射、热蒸发或电子束蒸发等方法，这些方法均可以实现较高效率的、大面积的薄膜制备，并且在合理控制工艺条件的情况下也可以获得较高质量的薄膜，因此很多工业化生产都是用这些方法进行。但是，这些方法有一个共有的缺点，也即薄膜的电极具有“投影效应”：正对着生长源的部分薄膜淀积速度要远大于偏离生长源部分的淀积速度；这一特点使得要获得具有均匀厚度的薄膜材料具有一定的困难，为了克服这一问题，有部分研究者提出了旋转衬底、优化工艺参数、多次生长工艺等等方法，使得薄膜的均匀性获得了较好的改进。但是，基于投影效应，这些改进的途径仅仅可以用于改进在平面型结构的样品表面制备的薄膜的厚度均匀性，对于具有凸形表面结构的物体，这一方法无法实现均匀的薄膜制备。

在现阶段，随着薄膜制备手段的发展和应用领域的拓展，在各种不同形状的表面制备较高质量的均匀薄膜材料成为了一个需求。虽然有人也提出了使用将物体表面的曲面进行分解，分解成比较接近于平面结构的表面后再进行薄膜淀积的方法，但是这一方法无疑增加了工艺复杂性，提高了成本。更重要的，对于某些不能将物体分解和再拼接，或者分解和再拼接会严重影响其整体性能的场合，在其表面进行较高质量的薄膜制备就成为了一个难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在物体表面制备薄膜的方法，能够在异形表面进行高质量的、厚度均匀的薄膜制备，利用机器手臂实时精确控制待镀膜物体或者薄膜生长源的方位，使生长源在物体表面进行扫描；使用生长源的生长速度、扫描时间等参数对薄膜的厚度和生长质量进行优化控制，实现对任意形状凸形表面的较高质量生长；能够克服现有薄膜制备过程中的“投影效应”，并实现在物体表面进行不同位置的薄膜生长工艺控制，以达到特定的使用目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在物体表面制备薄膜的方法，其特征在于：基于薄膜制备装置进行薄膜制备，所述薄膜制备装置包括固定端A、五坐标轴位置控制台B、样品台定位机构和生长源定位机构，所述样品台定位机构包括机械定位装置C、样品台D、X轴向摄像机F和Y轴向摄像机E，所述生长源定位机构包括生长源定位装置G和生长源H；所述固定端A用于固定五坐标轴位置控制台B和机械手，所述五坐标轴位置控制台B用于设置样品台D和生长源H的位置，所述械定位装置C按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定样品台D，所述生长源定位装置G按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定生长源H；所述五坐标轴位置控制台B的圆心位置为样品台D的中心，其五个坐标参量为X轴、Y轴、Z轴、ALPHA旋转角和BETA旋转角，所述ALPHA旋转角和BETA旋转角是以X轴、Y轴和Z轴中的两个轴为转轴的旋转角；该方法具体包括如下步骤：

（1）三维结构模型输入：将样品固定在样品台上、将生长源固定在机械手上，同时导入样品的三维模型，样品位置与三维模型位置对应，将此时样品位置作为基准位置；

（2）表面工艺点节点划分：根据三维模型，考虑生长源的大小（生长直径）以及所需的薄膜厚度和各项薄膜生长条件，将三维模型的表面划分为生长单元，确定每个生长单元的工艺节点；

（3）工艺点参数设置：在每个工艺节点上设置工艺参数，包括生长源的各项工艺参数；

（4）每步移动参数计算：计算整个流程中机械手在每个步骤时的参数，包括坐标、移动速度和停留时间；

（5）图形化定位：在薄膜生长过程中，使用摄像机进行视频采集，采用图像化技术对样品台和生长源在特定时刻的位置进行判断，若与步骤（4）的设定位置超过阈值，则对样品台和/或生长源的位置进行修正；

（6）机械手位置控制：根据步骤（4）的设定参数和/或步骤（5）的修订参数，控制机械手的运动位置；

（7）薄膜生长工艺控制：根据步骤（3）的设定参数和步骤（4）的设定参数，控制薄膜的生长工艺，包括功率、气压、生长源和样品表面的距离。

在薄膜生长过程中，始终保持生长源与样品的待生长位置节点的切面偏差范围内的平行；以去除“投影效应”的影响并获得最高效率的薄膜淀积，实现在特异形状的凸形表面的可控的薄膜淀积。

有益效果：本发明提供的在物体表面制备薄膜的方法，可以在不同形状的凸形表面按照要求进行薄膜的制备，克服传统方法难以在不规则表面制备薄膜的问题；这一方法可以为日用品，航空、航天、航海等各个领域中涉及机械制造镀膜的问题提供有效的解决方案。

附图说明

图1为本发明样品台定位机构的结构示意图；

图2为现有技术样品台定位机构的结构示意图；

图3为本发明生长源定位机构的结构示意图；

图4为现有技术生长源定位机构的结构示意图；

图5为五坐标轴位置控制台的坐标系示意图；

图6为一种机械定位装置的结构示意图；

图7为另一种机械定位装置的结构示意图；

图8为本发明的流程图；

图9为本发明的制备原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种在物体表面制备薄膜的方法，基于薄膜制备装置进行薄膜制备，所述薄膜制备装置相较于现有的薄膜制备装置，增加了位置控制部分，能够对样品台和生长源进行位置控制。具体来说，所述薄膜制备装置包括固定端A、五坐标轴位置控制台B、样品台定位机构和生长源定位机构。

如图1所示，所述样品台定位机构包括机械定位装置C、样品台D、X轴向摄像机F和Y轴向摄像机E；相较于如图2所示的现有样品台定位机构，增加了五坐标轴位置控制台B和机械定位装置C。

如图3所示，所述生长源定位机构包括生长源定位装置G和生长源H，因为生长源H一般不用频繁更换，其位置经过初次安装和调节校准后即可，因此不用随时监控其位向；相较于如图4所示的现有生长源定位装置，增加了五坐标轴位置控制台B和生长源定位装置G。

如图1至图4所示，所述固定端A用于固定五坐标轴位置控制台B和机械手。

如图1至图4所示，所述五坐标轴位置控制台B用于设置样品台D和生长源H的位置。

如图1所示，所述械定位装置C按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定样品台D。

如图3所示，所述生长源定位装置G按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定生长源H。

如图5所示，所述五坐标轴位置控制台B的圆心位置为样品台D的中心，其五个坐标参量为X轴、Y轴、Z轴、Z轴旋转ALPHA和Y轴旋转BETA。

图6给出了一种可能的械定位装置C，用于比较准确地固定样品台D，设定样品台D的初始位置，方便比较准确的在样品表面生长薄膜。其中，底盘I1和底盘I2固定连接在械定位装置C上，配合固定结构J1和固定结构J2一起固定样品台D，所述固定结构J1和固定结构J2可以为螺栓等件。根据不同情况和要求，固定结构的数量和形式可能多种多样，其主要目的在于将样品台D按照特定的方位比较准确的固定在械定位装置C上。

图7给出了另外一种可能的械定位装置C。其中，用于连接和紧固样品的部分可以在前期的设计和制造过程中就预留出来，比如嵌入在物体的内部，这样可以省去后期再另外加装底盘的步骤。

如图8所示，本发明所述方法具体包括如下步骤：

（1）三维结构模型输入：将样品固定在样品台上、将生长源固定在机械手上，同时导入样品的三维模型，样品位置与三维模型位置对应，将此时样品位置作为基准位置；

（2）表面工艺点节点划分：根据三维模型，考虑生长源的大小（生长直径）以及所需的薄膜厚度和各项薄膜生长条件，将三维模型的表面划分为生长单元，确定每个生长单元的工艺节点；

（3）工艺点参数设置：在每个工艺节点上设置工艺参数，包括生长源的各项工艺参数；

（4）每步移动参数计算：计算整个流程中机械手在每个步骤时的参数，包括坐标、移动速度和停留时间；

（5）图形化定位：在薄膜生长过程中，使用摄像机进行视频采集，采用图像化技术对样品台和生长源在特定时刻的位置进行判断，若与步骤（4）的设定位置超过阈值，则对样品台和/或生长源的位置进行修正；

（6）机械手位置控制：根据步骤（4）的设定参数和/或步骤（5）的修订参数，控制机械手的运动位置；

（7）薄膜生长工艺控制：根据步骤（3）的设定参数和步骤（4）的设定参数，控制薄膜的生长工艺，包括功率、气压、生长源和样品表面的距离。

图9显示了薄膜生长的原理，设定样品台D（即样品）静止，而生长源H沿着其表面轮廓移动，比如在三个时刻生长源H分别处于“H0”、“H1”和“H2”三个不同位置。三个位置可能对应于不同的生长工艺参数，比如图上双头箭头所示的不同生长源和物体表面的距离，但是生长源始终保持其与待生长位置节点的切面平行，以去除“投影效应”的影响并获得最高效率的薄膜淀积，实现在特异形状的凸形表面的可控的薄膜淀积。

另外，值得说明的是：一般使用的溅射或蒸发工艺中，生长源的直径为十几到几十厘米的范围。而一般经过较好设计的机械***的误差的比较容易的控制在这一范围内。因此，在较好的机械设计的条件下，可以获得较好的、适合于薄膜生长的定位精度。

基于以上图示，叙述***的工作原理如下：将样品按照特定的已知几何位置安装在机械定位装置上。这一位置与导入控制软件的物体的三维模型图上的特定位置重合。并将这一位置设定为基准位置。根据三维模型，考虑生长源的大小（生长直径）以及所需的薄膜厚度和各项薄膜生长条件，将模型表面划分为生长单元。计算和确定生长步骤，计算每个时间步骤的机械手的位置，和生长源的各项工艺参数。以上步骤结合软件设计来进行。以上步骤完成后，生长过程按照设定的工艺流程进行，并最终完成薄膜的制备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种在物体表面制备薄膜的方法，其特征在于：基于薄膜制备装置进行薄膜制备，所述薄膜制备装置包括固定端A、五坐标轴位置控制台B、样品台定位机构和生长源定位机构，所述样品台定位机构包括机械定位装置C、样品台D、X轴向摄像机F和Y轴向摄像机E，所述生长源定位机构包括生长源定位装置G和生长源H；所述固定端A用于固定五坐标轴位置控制台B和机械手，所述五坐标轴位置控制台B用于设置样品台D和生长源H的位置，所述械定位装置C按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定样品台D，所述生长源定位装置G按照五坐标轴位置控制台B的设置要求固定生长源H；所述五坐标轴位置控制台B的圆心位置为样品台D的中心，其五个坐标参量为X轴、Y轴、Z轴、ALPHA旋转角和BETA旋转角，所述ALPHA旋转角和BETA旋转角是以X轴、Y轴和Z轴中的两个轴为转轴的旋转角；该方法具体包括如下步骤：

(1)三维结构模型输入：将样品固定在样品台上、将生长源固定在机械手上，同时导入样品的三维模型，样品位置与三维模型位置对应，将此时样品位置作为基准位置；

(2)表面工艺节点划分：根据三维模型，考虑生长源的大小以及所需的薄膜厚度和各项薄膜生长条件，将三维模型的表面划分为生长单元，确定每个生长单元的工艺节点；

(3)工艺节点参数设置：在每个工艺节点上设置工艺参数，包括生长源的各项工艺参数；

(4)每步移动参数计算：计算整个流程中机械手在每个步骤时的参数，包括坐标、移动速度和停留时间；

(5)图形化定位：在薄膜生长过程中，使用摄像机进行视频采集，采用图像化技术对样品台和生长源在特定时刻的位置进行判断，若与步骤(4)的设定位置超过阈值，则对样品台和/或生长源的位置进行修正；

(6)机械手位置控制：根据步骤(4)的设定参数和/或步骤(5)的修订参数，控制机械手的运动位置；

(7)薄膜生长工艺控制：根据步骤(3)的设定参数和步骤(4)的设定参数，控制薄膜的生长工艺，包括功率、气压、生长源和样品表面的距离；

在薄膜生长过程中，始终保持生长源与样品的待生长位置节点的切面偏差范围内的平行。