李維源，朱蓓蓓，孫權(quán)權(quán)，陸 波，袁 航，陳 肖，蘭 潔，許劍鋒

(1. 華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院·武漢·430074；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

半球諧振陀螺由高Q值(品質(zhì)因數(shù))的熔融石英加工而成，是近年來發(fā)展起來的一種具有慣導(dǎo)級(jí)性能的高精度陀螺儀，其在導(dǎo)彈預(yù)警系列衛(wèi)星、高分辨率對(duì)地觀測衛(wèi)星、深空探測空間飛行器等任務(wù)中均面臨著迫切需求，半球諧振陀螺利用石英半球殼唇緣的徑向駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來感測基座的旋轉(zhuǎn)，具有小體積、超高精度、超長壽命、超高可靠性等特點(diǎn)，在航空航天與國防裝備領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。半球諧振子是半球諧振陀螺的關(guān)鍵部件，其制造需經(jīng)過磨削、拋光、鍍膜等工藝過程，其中曲面高精度薄膜制備技術(shù)是制約石英半球諧振陀螺研制的主要技術(shù)瓶頸之一。半球上不均勻的膜層分布會(huì)造成半球諧振子的質(zhì)量沿軸向不對(duì)稱從而增大頻差和損耗。半球諧振子頻差的大小直接影響著半球陀螺的系統(tǒng)漂移，從而影響半球諧振陀螺的性能[4]。

X. Q. Meng團(tuán)隊(duì)為了制備大面積厚度均勻的高溫超導(dǎo)納米薄膜，根據(jù)實(shí)際的磁控濺射鍍膜情形，從理論上推導(dǎo)出了薄膜厚度的分布公式，得出的結(jié)論是基片與靶材之間的距離越遠(yuǎn)，基片上薄膜的均勻性越好。此理論公式僅適用于平面上薄膜的均勻性，團(tuán)隊(duì)對(duì)曲面上的薄膜厚度分布尚未作出理論分析[5]；亞利桑那州立大學(xué)的James B. Adams等人用蒙特卡洛方法模擬了Cu薄膜在生長初期島的生長及小平面的形成，其研究結(jié)果對(duì)研究薄膜生長初期的均勻性有一定的指導(dǎo)意義，但團(tuán)隊(duì)未對(duì)薄膜生長后期及大面積薄膜成形做出具體討論[6]。

國內(nèi)的電子科技大學(xué)的于賀等人利用公自轉(zhuǎn)磁控濺射系統(tǒng)研究了公自轉(zhuǎn)速率比對(duì)薄膜沉積均勻性的影響，對(duì)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)夾具在公自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)薄膜均勻性具有一定指導(dǎo)意義，但該理論研究都是在基底為平面的條件下[7]；蘭州空間技術(shù)物理研究所的吳偉等人對(duì)利用電子束蒸發(fā)在半球上鍍膜的膜厚均勻性作出了理論分析，對(duì)改善復(fù)雜的非平面基片上鍍膜膜厚均勻性提供了相關(guān)的理論依據(jù)，但沒有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性[8]；電子科技大學(xué)的杜曉松、李杰等人研究了基片轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏離靶中心的離軸磁控濺射，通過理論計(jì)算的方法分析了離軸磁控濺射的膜厚分布，歸納出了薄膜厚度分布的普適公式[9]；中電26所的賀海平等人將光學(xué)模擬技術(shù)與鍍膜工藝相結(jié)合，采用光線追蹤程序來模擬濺射粒子在諧振子表面膜層的分布狀態(tài)，分析了半球陀螺金屬化膜層的均勻性[10]；中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)程敏等人建立了大口徑非球面鍍膜的膜厚分布模型，給出了非球面修正擋板的設(shè)計(jì)方法，以提高薄膜均勻性[11]。

在國內(nèi)外的研究中，大多使用磁控濺射來進(jìn)行鍍膜，并且僅分析了平面上薄膜的均勻性，而對(duì)曲面薄膜的均勻性研究較少。本研究采用電子束蒸發(fā)在半球形基底上沉積了納米Au薄膜，并結(jié)合光學(xué)模擬的方法，對(duì)薄膜微觀形貌、膜層均勻性等進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 薄膜沉積實(shí)驗(yàn)

采用電子束蒸發(fā)沉積設(shè)備進(jìn)行薄膜制備實(shí)驗(yàn)，薄膜沉積過程如圖1所示。

圖1 電子束蒸發(fā)腔室示意圖Fig.1 The chamber of electron beam evaporation

在本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，先后蒸發(fā)沉積Cr和Au兩種薄膜。在真空腔室內(nèi)，利用電子束對(duì)材料進(jìn)行直接加熱，使材料氣化并向腔室上部運(yùn)輸，最終在半球基底上沉積形成納米薄膜，得到的Cr薄膜和Au薄膜的厚度分別為20nm和100nm。其中，Cr作為過渡層，介于石英基底和Au薄膜之間，用于增強(qiáng)薄膜與基底之間的附著力。利用腔室內(nèi)的晶振儀監(jiān)控薄膜的厚度，腔室氣壓為8.0×106Pa，沉積速率為0.1nm/s。在薄膜沉積過程中，樣品在夾具上同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以提高沉積薄膜的均勻性。

在實(shí)驗(yàn)中，基體樣品為半球，在半球上用表面拋光的石英片表征半球上的位點(diǎn)，半球上有3道對(duì)稱的槽，每道槽放置7片3mm×3mm的石英片，半球夾具如圖2所示。在薄膜沉積完成后，測量每塊石英片上的膜厚，通過這種方法，可以得出整個(gè)半球面上沉積薄膜的厚度分布。本研究共計(jì)采用了21塊石英玻璃片，保證了均勻性測量的準(zhǔn)確性。

圖2 內(nèi)外半球夾具示意圖Fig.2 Schematic dirgram of internal and external hemisphere fixture

1.2 半球曲面薄膜均勻性測量方法

在本實(shí)驗(yàn)中,采用臺(tái)階法測量石英片上薄膜的厚度，薄膜臺(tái)階的制作流程如圖3所示。用膠布來遮擋石英片部分區(qū)域，在完成薄膜沉積試驗(yàn)后揭開遮擋膠布，即可制造出可用于測量薄膜厚度的臺(tái)階。分別使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)及掃描電子顯微鏡(Scan-ning Electron Microscope，SEM)觀察薄膜臺(tái)階處形貌，結(jié)果如圖4中(a)和(b)所示。可以觀察到薄膜臺(tái)階處有明顯的褶皺，翹起的部位大于實(shí)際的薄膜厚度，且從翹起的最高點(diǎn)到平整的薄膜區(qū)域有一段長度，而這段長度大于AFM的單次掃描范圍，故采用AFM難以為實(shí)驗(yàn)測得準(zhǔn)確的薄膜厚度。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，采用手動(dòng)臺(tái)階儀測量薄膜厚度。將半球上從球頂?shù)酱窖氐?個(gè)樣品標(biāo)記為1～7號(hào)，利用臺(tái)階儀測得的薄膜輪廓線如圖5所示。圖5是外球面上1號(hào)樣品(靠近球頂部位)的測量結(jié)果，可以明顯看出薄膜臺(tái)階的位置，且褶皺起伏較大。取臺(tái)階儀測量數(shù)據(jù)兩端較為平整的區(qū)域，計(jì)算出高度差，即可獲得沉積薄膜的厚度。

圖3 薄膜臺(tái)階制作流程Fig.3 The process of film step production

(a)原子力顯微鏡(a)AFM

(b)掃描電子顯微鏡(b)SEM圖4 薄膜臺(tái)階處微觀形貌圖Fig.4 Microscopic topography at the film step

圖5 薄膜臺(tái)階處輪廓線(t=120nm)Fig.5 The outline of thin film step(t=120nm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 半球曲面膜厚分布

采用AFM對(duì)電子束蒸發(fā)沉積所得到的納米薄膜表面形貌進(jìn)行觀察，其結(jié)果如圖6所示。AFM的掃描范圍為2μm×2μm，基于表面AFM測量分析，得出沉積薄膜表面微觀不平整度Rz為10.79nm，這表明電子束蒸發(fā)制備的薄膜表面厚度均勻性較好。

圖6 半球上薄膜微觀形貌Fig.6 Microscopic morphology of the film on the hemisphere

分別對(duì)內(nèi)外兩個(gè)半球上21個(gè)石英片樣品上的膜厚進(jìn)行測量，得到的膜厚分布分別如圖7中(a)、(b)所示，其中圖7(a)表示外球面上各位點(diǎn)的膜厚，圖7(b)表示內(nèi)球面上各位點(diǎn)的膜厚，三列折線分別表示半球上對(duì)稱的三列樣品的膜厚分布。由厚度測量結(jié)果可知，內(nèi)外球面的三條膜厚曲面都比較接近，說明沉積的薄膜厚度重復(fù)性好。外球面上三列卡槽位點(diǎn)1(球頂)處的膜厚平均值為120.1nm，內(nèi)球面球頂處膜厚平均值為116.7nm，這與由電子束蒸發(fā)腔室內(nèi)晶振片監(jiān)測到的120nm膜厚比較接近，由此可知此鍍膜設(shè)備能較準(zhǔn)確控制沉積的薄膜厚度。外球面上，薄膜厚度從球頂?shù)酱窖刂饾u降低，唇沿處的平均膜厚為19.7nm，半球球頂處的膜厚約為唇沿處的6.10倍；而在內(nèi)球面，膜厚分布趨勢依然是從球頂處到唇沿處逐漸變薄，但是變化趨勢與外球面相比較緩，其唇沿處的平均膜厚為35.8nm，半球球頂處的薄膜厚度為半球唇沿處的薄膜厚度的3.26倍。

(a)外球面(a)External sphere

(b)內(nèi)球面(b) Inner sphere圖7 半球表面薄膜厚度分布圖Fig.7 The film thickness distribution of hemispherical surface

內(nèi)外半球上薄膜厚度的分布與半球上各位點(diǎn)到蒸發(fā)源的距離和角度有關(guān)：半球球頂與蒸發(fā)源垂直，沉積得到的薄膜厚度最大，與沉積設(shè)備顯示的薄膜厚度數(shù)值基本一致；從半球球頂?shù)酱窖?，其上的位點(diǎn)與蒸發(fā)源的角度逐漸變大，致使薄膜厚度逐漸降低。由于內(nèi)外半球上的位點(diǎn)到蒸發(fā)源的距離不一致，并且電子束蒸發(fā)出的原子在腔室內(nèi)并非均勻分布，因此外半球上薄膜厚度分布與內(nèi)球面上薄膜厚度分布存在一定差異。

2.2 薄膜厚度均勻性光學(xué)仿真

在實(shí)際的薄膜鍍制工藝中，通過改變蒸發(fā)源與樣品的相對(duì)位置和角度，可在球面上得到不同的膜厚分布。但是在實(shí)驗(yàn)過程中，改變樣品與蒸發(fā)源的偏角及膜厚測量流程比較繁瑣，故采用光學(xué)模擬的方法，對(duì)在半球基底上電子束蒸發(fā)沉積制備薄膜的過程進(jìn)行仿真。

在電子束蒸發(fā)鍍膜過程中，蒸發(fā)產(chǎn)生的粒子最終碰撞到半球表面，沉積下來而形成納米薄膜，腔室內(nèi)的粒子從蒸發(fā)到碰撞的過程類似于光的粒子特性。通過以上分析，可以利用Zemax軟件來近似模擬薄膜在球面上的厚度分布，現(xiàn)假設(shè)薄膜沉積過程滿足以下條件：

1)腔室內(nèi)蒸發(fā)的粒子呈朗伯分布；

2)蒸發(fā)出的粒子在運(yùn)動(dòng)過程中不受外力影響，其運(yùn)動(dòng)軌跡為直線；

3)粒子接觸表面后完全沉積，無反彈；

4)靶材粒子間無相互作用；

5)只考慮單位時(shí)間內(nèi)粒子的沉積。

通過以上幾點(diǎn)假設(shè)，可以將蒸發(fā)源近似等同于朗伯體光源，基底表面等同于完全吸收表面，腔室內(nèi)粒子的直線運(yùn)動(dòng)等同于朗伯體光源發(fā)射出的光線，沉積的薄膜厚度等同于光線的輻照度。朗伯分布示意圖如圖8所示，點(diǎn)光源發(fā)射出來的光線輻照度由垂直位置到平行位置呈余弦趨勢減小。在一定距離下，朗伯體光源在平面上的輻照度Zemax軟件仿真結(jié)果如圖9所示，平面由中心向外依次呈紅色到綠色、綠色到藍(lán)色變化，由內(nèi)到外輻照度逐漸降低。

圖8 朗伯分布Fig.8 Lambert distribution

圖9 朗伯體光源輻照度分布Fig.9 The irradiance distribution lambertian source

根據(jù)電子束沉積過程的基本原理，將金屬靶材蒸發(fā)源模擬為朗伯體發(fā)光源；將半球基底模擬為直徑為30mm的半球形探測器，光源與探測器相距300mm；模擬光源發(fā)出光線10億條，光照圖如圖10所示。圖10模擬了光源在外半球上的照射情況，左邊為朗伯光源，發(fā)射出無數(shù)條光線，右邊為半球形探測器，其表面接受輻照，模擬結(jié)果如圖11、圖12所示。輻照度由頂部向底部(唇沿)逐漸降低，球面上輻照度最強(qiáng)與最弱之比為5.88，這一比值接近之前電子束蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)所得到的外球面上球頂處與唇沿處膜厚的倍數(shù)，且在半球上，膜厚的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。由此，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的比對(duì)，可以確定模擬的準(zhǔn)確性，后續(xù)的模擬便可作為實(shí)驗(yàn)的理論指導(dǎo)。

圖10 光照示意圖Fig.10 The light schematic diagram

圖11 外球面輻照度分布Fig.11 The irradiance distribution of external hemisphere

圖12 外球面輻照度變化Fig.12 The irradiance curve of external hemisphere

由以上實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果可知，在半球正對(duì)蒸發(fā)源的情況下，無法實(shí)現(xiàn)其上薄膜的均勻性，故在鍍膜過程中，可使半球樣品偏轉(zhuǎn)一定角度以提高薄膜均勻性。通過光學(xué)模擬可以得到擺角為0°、15°、30°、45°、60°、75°時(shí)半球上的輻照度分布，分別如圖13中(a)～(f)所示。由模擬結(jié)果可知，隨著半球擺角的增大，半球上輻照度的分布將發(fā)生變化，輻照度高的范圍逐漸沿球頂?shù)酱窖匾苿?dòng)?？煞治鲇?jì)算出每個(gè)偏角下半球上各環(huán)帶輻照度的平均值，可將其近似等效于半球在該偏角下自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所得到的環(huán)帶膜厚分布。

圖13 擺角由(a)～(f)依次遞增15°時(shí)的輻照度分布Fig.13 The irradiance distribution when the swing angle is increased by 15°

得出半球在各擺角下由球頂?shù)酱窖靥幍妮椪斩确植记€如圖14所示，曲線1～6分別表示半球在圖13中(a)～(f)情形下的輻照度分布。

圖14 各擺角處輻照度分布曲線Fig.14 The irradiance distribution curve at each swing angle

現(xiàn)假設(shè)半球在鍍膜過程中，在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，連續(xù)以相同的角度間隔作反復(fù)的擺動(dòng)，當(dāng)半球在某一擺角下作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面所沉積的薄膜厚度分布是一個(gè)環(huán)帶分布，在半球表面每個(gè)弧度處薄膜厚度是一樣的。假設(shè)半球在運(yùn)動(dòng)過程中所經(jīng)歷的每個(gè)擺角處的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，將各擺角處單獨(dú)自轉(zhuǎn)鍍膜所得到的膜厚分布分別表示為H1(θ)，H2(θ)，…，Hn(θ)，則整個(gè)半球外表面的膜厚分布H(θ)就是各環(huán)帶膜厚分布的疊加，由(1)式給出

H(θ)=H1(θ)+H2(θ)+…+Hn(θ)

(1)

在光學(xué)模擬中，由各擺角處輻照度分布疊加而來的結(jié)果如圖14中曲線7所示。該分布曲線反映了半球探測器以15°擺角間隔運(yùn)動(dòng)所得到的輻照度分布，由半球頂?shù)酱窖?，輻照度分布均勻性得到了改善?/p>

將式(1)右邊乘一個(gè)比例因子，則半球上膜厚分布變?yōu)?/p>

H(θ)=λ1H1(θ)+λ2H2(θ)+…+λnHn(θ)

(2)

調(diào)整式(2)中比例因子λ1，λ2，…，λn的大小，即調(diào)整半球在不同擺角處的自轉(zhuǎn)時(shí)間，便可提高半球膜厚分布H(θ)的均勻性。由以上分析可知，在不同擺角間隔下，可優(yōu)化出一組最佳比例因子，來實(shí)現(xiàn)半球在作擺動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最佳膜厚均勻性分布。這為后續(xù)基于多自由度運(yùn)動(dòng)的高均勻性薄膜沉積實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

本文利用電子束蒸發(fā)對(duì)半球樣品進(jìn)行金屬化，在公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)多自由度運(yùn)動(dòng)下，對(duì)半球內(nèi)外表面沉積了Cr/Au薄膜，利用臺(tái)階儀測量半球上各位點(diǎn)石英片上的薄膜厚度，得出了半球內(nèi)外表面的膜厚分布。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，外球面上的膜厚從球頂?shù)酱窖刂饾u下降，球頂處的薄膜厚度約為唇沿處的6倍；而內(nèi)球面上膜厚較外球面上變化稍緩，球頂處的薄膜厚度為唇沿處薄膜厚度的3.26倍。此外，在本文中，利用光學(xué)模擬，將半球上接收到的朗伯光源的輻照度等效為半球上的膜厚分布，得到的半球上輻照度分布與實(shí)驗(yàn)得到的半球上的膜厚分布具有一致性。通過分析光源與半球呈不同夾角情況下半球上的輻照度分布，可在理論上得出電子束蒸發(fā)中不同擺角情況下半球上的膜厚分布，這為后續(xù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)球面上薄膜厚度的均勻性提供了理論基礎(chǔ)。