[发明专利]一种直写式真空蒸发系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于镀膜加工的真空蒸发系统，尤其涉及一种基于纳米操控系统的直写式真空蒸发系统，可实现对单层图样、阵列及多层复合结构的直接蒸镀加工。

背景技术

随着人们对微观世界的深入认识，器件单元在趋近量子特征尺度的量子激发、弛豫、输运等行为逐步被揭示和研究，并可能通过改变各种可控条件，实现量子调控。而量子功能器件的制备，是量子调控研究的重要基础，针对高精度、高品质量子功能器件的先进制备和加工技术，是这一领域研究和应用的成功之本。目前主流的做法是借用成熟的微电子器件和集成化芯片加工技术，如光刻图形技术、电子束图形刻写技术、镀膜沉积技术等，并把这些加工技术整合在一起，其优点是集成化程度高，精度高，重复性好，但也存在着专业仪器系统购置昂贵、制备工序复杂及杂质污染的问题。

真空蒸发技术作为一种成熟的材料加工制备方法，已经有效应用于人工量子功能器件与材料的制备。传统真空蒸发系统，包括电子束发生装置、真空蒸发室、真空系统及样品室等主要部分，其原理是将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并沉积于样品台上的基片表面，形成镀膜。尽管传统真空蒸发技术可以实现针对量子功能器件的简单制备，但因其只能对衬底基片的表面镀膜，无法直接实现诸如单层图样、纳米阵列和多层复合结构的制备。而“嫁接”传统微电子刻蚀加工工艺方式，步骤复杂，设备昂贵，更由于去胶过程不完备，导致量子功能器件在加工过程中受到“工序杂质”的污染，严重影响量子调控研究的准确性，难以满足现代量子科学的研究需要。

中国专利CN102011096A提出了一种可控制蒸发气流分布和成分的真空蒸发系统，该发明通过蒸发枪的喷口锥形和导向塞形状的设计，不仅能够实现大面积的蒸发均匀性，而且通过调节导向塞与喷口的相对位置，可以实现定面积、多组分的蒸发镀膜。但是由于该系统在蒸渡过程中基板是固定不动的，因而只能生成一定厚度的表面镀层，无法直接实现特定几何形状的镀膜。

中国专利CN101985736A提出了一种多工位渐变薄膜镀制设备，该设备具有一套基片换位机构，待镀基片在真空室内能够自动更换，通过特定的掩膜机构能够实现非均匀薄膜的镀制。但该设备中一套掩膜机构只能镀制一种类型的变密度片，不同类型的变密度片则需要更换不同的掩膜机构，操作复杂，并且无法直接完成针对各类单层、多层和阵列形式的量子功能器件结构要求。

因此，针对上述真空蒸发装置存在的不足，非常有必要研制一种专门针对人工量子功能器件和信息功能材料制备的纳米器件镀膜加工设备装置，突破现有真空蒸发装置在这些研究领域的应用瓶颈，避免过分依赖“嫁接”微电子加工领域的复杂工艺方法，提高量子和材料研究实验的有效性、准确性和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全新的真空蒸发镀膜系统，用以解决现有技术中存在的镀膜结构单一，无法单独完成高精度、好品质的复杂结构要求，以及“嫁接”微电子加工领域后复杂工艺方法带来的化学试剂、杂质、工艺交叉污染和破坏的问题。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种直写式真空蒸发系统，包括电子束发生装置、真空蒸发室、真空系统、样品室、驱动器、多路信号采集调理模块、主控计算机、量子检测台、控制柜、显示与检测模块。

所述的样品室在保持现有真空蒸发装置样品室结构的基础上，引入纳米移定位样品台和掩膜机构，所述的掩膜机构位于纳米移定位样品台下方。所述的掩膜机构将真空蒸发室中蒸发出的高纯度气态靶材束转变为具有纳米尺度大小的气态靶材束流，直接沉积在衬底基片上。

所述的纳米移定位样品台，主要由基座、柔性机构、纳米光栅传感器、样品台、压电陶瓷执行器、预紧螺钉及样品夹具组成；

所述的样品台位于基座的中心，样品台四周通过柔性机构与基座相连；样品台上用样品夹具固定衬底基片；柔性机构为通过柔性铰链铰接的柔性杆构成；柔性铰链在压电陶瓷执行器推力的作用下产生弹性变形，通过柔性杆将压电陶瓷执行器的运动传递给样品台；此外，压电陶瓷执行器的信号线与驱动器相连。

所述基座的相邻两侧面中间位置开有通孔，内部安装有压电陶瓷执行器，压电陶瓷执行器的一端与预紧螺钉相连，预紧螺钉通过螺纹安在基座上，压电陶瓷执行器的另一端与柔性机构接触；通过调节预紧螺钉，调节压电陶瓷执行器预紧力的大小。压电陶瓷执行器通电后，与柔性机构接触一端伸长，通过柔性机构推动样品台运动；

基座的另两个相邻侧面中间位置安装纳米光栅传感器，采集纳米光栅信号，然后传递给多路信号采集调理模块；