一种形貌可控的微纳结构薄膜的制备系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种涉及薄膜的制备领域，提出一种操作简单、控制精确的形貌可控的微纳结构薄膜的制备系统，其包括用于真空镀膜的真空室、设于真空室内的蒸发源及基片，还包括用于控制基片倾斜角度的第一步进马达、用于控制基片在其表面平面内做旋转运动的第二步进马达、用于将两个马达固定于真空室内的固定装置、与第一步进马达连接的脉冲发生控制装置、与第二步进马达连接的马达精度调节装置。本发明专利技术具有操作简单、控制精确的特点。其装置不用经过复杂的程序操作，即可实现对基片的倾斜角度、旋转速度进行控制，其控制精度范围大，足以满足多种形貌镀膜条件的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜的制备领域，尤其涉及一种形貌可控的微纳结构薄膜的制 备系统及其制备方法。
技术介绍
一直以来，薄膜制备技术主要用于制备传统的各向同性的一维光子晶体薄膜。上世纪九十年代，K.Robbie等人利用倾斜沉积制备出了螺旋状的微纳尺寸 的多孔状薄膜，此法在原有的传统物理气相沉积的基础上，改变沉积装置的安 放，收到了意想不到的效果。此种倾斜装置制备出的薄膜，其形貌可通过对沉积参数的控制来加以改变， 故称其为雕塑薄膜。通过倾斜沉积方法制备出来的雕塑薄膜，突破了传统意义上薄膜为一维光 子晶体的界线，制备出不同于一维的具有特定形貌特征的薄膜。 一般常见的形 貌特征包括柱状、螺旋状、Z字形结构、S形结构、C形结构。此种制备方法 与传统方法相比，其对薄膜的制备要求相反。传统的薄膜制备方法总是希望得 到一种膜层致密、表面少粗糙的薄膜。而此种倾斜沉积方法则是增大表面粗糙 度，使膜层出现多孔疏松状态。从而实现传统薄膜无法实现的特殊光学、机械 特性。然而现在还未提出有效的制备手段，故将此倾斜沉积方法应用于实验并 对装置进行改正便成了当务之急。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种操作筒单、控制精确的形 貌可控的微纳结构薄膜的制备系统及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为 一种形貌可控的微纳结构薄膜的 制备系统，其包括用于真空镀膜的真空室、设于真空室内的蒸发源及基片，还包括用于控制基片倾斜角度的第 一步进马达、用于控制基片在其表面平面内做 旋转运动的第二步进马达、与第一步进马达连接的脉冲发生控制装置、与第二 步进马达连接的马达精度调节装置。基片的侧面固定于第一步进马达的输出轴上，基片的背面固定于第二步进 马达的输出轴上。两个马达均通过固定装置固定于真空室内。两个马达的输出轴均通过固定配件固定于基片上，其中配件为耐高温胶制得。蒸发源表面及基片表面的夹角大于70。。本专利技术还提供了 一种形貌可控的微纳结构薄膜的制备方法，其包括以下步 骤(1)通过脉冲发生控制装置及第一步进马达设定基片与蒸发源的倾斜角度， 设定好沉积角度；(2)根据需要沉积于基片上的薄膜形貌，通过马达精度调节 装置及第二步进马达设定基片的旋转方式；(3)根据上述设定的参数进行薄膜 沉积镀制。脉冲发生控制装置通过脉冲发生数、脉冲频率及脉冲方向分别控制第一步 进马达的旋转次数、旋转速度及旋转方向。马达精度调节装置通过将脉冲转角细分为若干等份的细分单元及转轴旋转 方向控制单元，来分别控制第二步进马达的旋转角度及旋转方向。(1)通过脉冲发生控制装置及第一步进马达调整基片与蒸发源处于一倾斜 角度，马达精度调节装置及第二步进电机停止工作，镀制呈倾斜柱状结构的薄 膜；(2)通过脉冲发生控制装置及第一步进马达调整基片与蒸发源处于一倾斜 角度，马达精度调节装置及第二步进电机控制基片低速旋转，形成螺旋状结构 的薄膜；(3)先通过脉冲发生控制装置及第一步进马达调整基片倾斜一角度， 在镀制过一段时间之后，再将基片向反方向倾斜一角度，再过一段时间后恢复 至初始之倾斜角度，如此往复数次，形成Z字形结构的薄膜；(4)先通过脉冲 发生控制装置及第一步进马达调整基片倾斜一角度，在蒸镀过程中，马达精度 调节装置及第二步进电机控制基片高速旋转，形成垂直柱状结构的薄膜。本专利技术与现有技术相比具有如下优点和有益效果本专利技术具有操作简单、控制精确的特点。其装置不用经过复杂的程序操作， 只需对几个控制装置进行设置即可实现对基片的倾斜角度、旋转速度进行控制， 且可在镀制过程中随时改变参数而不用中止镀膜进程。其控制精度范围大，从 几十转每分钟到零点几转每分钟，足以满足多种形貌镀膜条件的需要。另外，本专利技术改装方便，均为小组件组成，其拆分组装均可在短时间内完 成，且通用性良好，可比较轻易地移值于其他镀膜机中，固定装置及其配件的 使用极大地方便了镀膜中参数改变情况下，对镀膜空间改造的任务，而不用对 原有结构进行改变，各组成部件均可根据实际需要而进行升级。 附图说明图la及lb为本专利技术的形貌可控的微纳结构薄膜的制备系统的结构示意图； 图2为倾斜沉积的原理图3为本专利技术中第一步进马达旋转角度与实际沉积角度对应曲线图4为利用本专利技术镀制出的四种典型形貌，a为倾斜柱状，b为螺旋状，c为Z字形，d为垂直柱状。具体实施例方式现结合附图对本专利技术喉文一个详细说明如图la、 lb所示， 一种形貌可控的微纳结构薄膜的制备系统，包括用于真 空镀膜的真空室5、设于真空室5内的蒸发源2及基片1,还包括用于控制基片 l倾斜角度的第一步进马达3、用于控制基片l在其表面平面内做旋转运动的第 二步进马达4、与第一步进马达3连接的脉冲发生控制装置、与第二步进马达连 接的马达精度调节装置。基片1的侧面固定于第一步进马达3的输出轴上，基片1的背面固定于第 二步进马达4的输出轴上。蒸发源表面及基片表面的夹角9大于70° 。两个马达的输出轴均通过固定配件固定于基片上，其中配件为耐高温胶制^曰付。角在本专利技术中，其蒸发源并不是位于马达的正下方，而是与马达有一定的夹 故采用空间几何知识对其进行计算，设基片的法线方向(即Z轴) 的,％) = (0,90。) ①旋转后基片的法线方向 (《+A~0)=(A《900)对应的直角坐标表示 (sin AS * cos 90。 ， sin* sin 90。电子束的方向 ) = (34.30,580)对应的直角坐标表示 (sin P * cos sin夕* sin p， cos(2)cos A^) = (0，sinA《cosA^) ("(4)(5)则沉积角&(即电子束与旋转后的基片法线方向的夹角)的余弦 cos P入=0 * sin ^ * cos p + sin* sin 9 * sin p + cos* cos 0 (^)从而可得0入=a厂ccos(O * sin 9 * cosp + sin M * sin 9 * sin p + cos* cosP) ("图3便是利用上述公式计算得出的马达旋转角度与实际沉积角度对应曲线 图，角度负值对应步进电机逆时针旋转，正值对应步进电才几顺时针旋转。从图 3-3中可看出，逆时针旋转步进电机大约30度-60度之间便可实现60度-85度 之间的沉积角。图4便是由本专利技术而初步镀制出的几种典型形貌图。图4 (a)是倾斜柱状结 构，在镀制此种结构之时，仅使基片倾斜一定的大角度，而不对其进行旋转操 作，在整个镀制过程中保持静止状态；图4(b)是螺旋状结构，在镀制此种结构 之时，先使基片倾斜一定的大角度，并在蒸镀过程中使基片作低速旋转；图4(c) 是Z字形结构，在镀制此种结构之时，先使基片倾斜一定的大角度，在镀制过一段时间之后，再将基片向反方向倾斜一定的大角度，再过一段时间后恢复至 初始之大角度，如此往复数次；图4(d)是垂直的柱状结构，在镀制此种结构之 间，先使基片倾斜一定的大角度，在蒸镀过程中，使基片以一定的比较高的速 度旋转。对于图4(a)，当基片不旋转的时候，形成的是倾斜柱状结构，柱状结构的倾斜角oc与沉积气体入射角度e有紧密的关系， ，2 tan^ tan"=--3 (l +①tan^sin^) (8)式中①由沉积速率和表面迁移率决定。同样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形貌可控的微纳结构薄膜的制备系统，其包括用于真空镀膜的真空室、设于真空室内的蒸发源及基片，其特征在于还包括用于控制基片倾斜角度的第一步进马达、用于控制基片在其表面平面内做旋转运动的第二步进马达、与第一步进马达连接的脉冲发生控制装置、与第二步进马达连接的马达精度调节装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江绍基，王超义，胡琳欣，唐继甲，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]