電子束蒸發(fā)電源的蒸發(fā)速率實(shí)時(shí)調(diào)控方法

電子束蒸發(fā)技術(shù)是制備高精度薄膜（如光學(xué)鍍膜、半導(dǎo)體器件鈍化膜）的核心技術(shù)之一，而電子束蒸發(fā)電源作為該技術(shù)的能量核心，其輸出功率的穩(wěn)定性直接決定了蒸發(fā)速率，進(jìn)而影響薄膜的厚度均勻性與性能一致性。在實(shí)際應(yīng)用中，蒸發(fā)速率易受多種因素干擾，如蒸發(fā)材料的熔融狀態(tài)變化、坩堝內(nèi)材料余量減少、真空腔體內(nèi)氣壓波動(dòng)等，導(dǎo)致傳統(tǒng)固定功率輸出的電源難以滿(mǎn)足高精度薄膜制備需求。因此，研發(fā)蒸發(fā)速率實(shí)時(shí)調(diào)控方法，成為提升電子束蒸發(fā)電源應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)調(diào)控方法多采用 “功率反饋” 模式，即通過(guò)監(jiān)測(cè)電源輸出功率來(lái)間接控制蒸發(fā)速率，但該方法存在明顯滯后性 —— 當(dāng)蒸發(fā)材料狀態(tài)變化導(dǎo)致速率波動(dòng)時(shí)，功率反饋需經(jīng)過(guò) “速率變化 - 功率調(diào)整 - 速率恢復(fù)” 的循環(huán)，響應(yīng)時(shí)間通常超過(guò) 1 秒，對(duì)于厚度精度要求在納米級(jí)的薄膜（如 50nm 以下的光學(xué)增透膜），這種滯后會(huì)導(dǎo)致薄膜厚度偏差超過(guò) 5%，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。為解決這一問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了 “速率直接監(jiān)測(cè) + 多參數(shù)協(xié)同調(diào)控” 的實(shí)時(shí)調(diào)控方案。
在速率監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，采用石英晶體微天平（QCM）作為核心傳感器。QCM 能通過(guò)晶體振蕩頻率的變化直接計(jì)算薄膜沉積速率（頻率變化量與沉積速率呈線(xiàn)性關(guān)系），響應(yīng)時(shí)間可縮短至 10ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)功率反饋。同時(shí)，為避免 QCM 在高溫蒸發(fā)環(huán)境下的測(cè)量誤差，研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了水冷式 QCM 固定裝置，將傳感器溫度控制在 50℃以下，測(cè)量精度提升至 ±0.01nm/s。
在調(diào)控策略上，建立了 “蒸發(fā)速率 - 電子束功率 - 坩堝溫度 - 真空度” 的多參數(shù)耦合模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集不同蒸發(fā)材料（如二氧化硅、鈦酸鍶）在不同真空度（10?³~10??Pa）、不同坩堝溫度下的蒸發(fā)速率數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng) QCM 監(jiān)測(cè)到蒸發(fā)速率偏離設(shè)定值時(shí)，調(diào)控系統(tǒng)會(huì)同時(shí)調(diào)整電子束加速電壓（影響電子束能量）與束流強(qiáng)度（影響電子束功率），并結(jié)合熱電偶采集的坩堝溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。例如，當(dāng)坩堝內(nèi)材料余量減少導(dǎo)致蒸發(fā)速率下降 5% 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先將電子束加速電壓從 15kV 提升至 15.5kV，同時(shí)將束流強(qiáng)度從 200mA 調(diào)整至 205mA，若速率仍未恢復(fù)，則根據(jù)坩堝溫度變化進(jìn)一步微調(diào)，整個(gè)調(diào)控過(guò)程在 50ms 內(nèi)完成，速率波動(dòng)可控制在 ±1% 以?xún)?nèi)。
為驗(yàn)證該方法的實(shí)用性，在光學(xué)薄膜制備實(shí)驗(yàn)中，采用該調(diào)控方案制備 100nm 厚的二氧化硅增透膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，薄膜厚度均勻性誤差為 2.3%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的 8.5%，且薄膜的透光率提升至 99.2%，滿(mǎn)足高端光學(xué)鏡頭的使用要求。該實(shí)時(shí)調(diào)控方法的研發(fā)，不僅解決了電子束蒸發(fā)過(guò)程中速率波動(dòng)的難題，還為高壓電源在高精度薄膜制備領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。