電子束蒸發電源的蒸發速率實時調控方法

電子束蒸發技術是制備高精度薄膜（如光學鍍膜、半導體器件鈍化膜）的核心技術之一，而電子束蒸發電源作為該技術的能量核心，其輸出功率的穩定性直接決定了蒸發速率，進而影響薄膜的厚度均勻性與性能一致性。在實際應用中，蒸發速率易受多種因素干擾，如蒸發材料的熔融狀態變化、坩堝內材料余量減少、真空腔體內氣壓波動等，導致傳統固定功率輸出的電源難以滿足高精度薄膜制備需求。因此，研發蒸發速率實時調控方法，成為提升電子束蒸發電源應用價值的關鍵。
傳統調控方法多采用 “功率反饋” 模式，即通過監測電源輸出功率來間接控制蒸發速率，但該方法存在明顯滯后性 —— 當蒸發材料狀態變化導致速率波動時，功率反饋需經過 “速率變化 - 功率調整 - 速率恢復” 的循環，響應時間通常超過 1 秒，對于厚度精度要求在納米級的薄膜（如 50nm 以下的光學增透膜），這種滯后會導致薄膜厚度偏差超過 5%，無法滿足使用要求。為解決這一問題，研發團隊提出了 “速率直接監測 + 多參數協同調控” 的實時調控方案。
在速率監測環節，采用石英晶體微天平（QCM）作為核心傳感器。QCM 能通過晶體振蕩頻率的變化直接計算薄膜沉積速率（頻率變化量與沉積速率呈線性關系），響應時間可縮短至 10ms，遠快于傳統功率反饋。同時，為避免 QCM 在高溫蒸發環境下的測量誤差，研發團隊設計了水冷式 QCM 固定裝置，將傳感器溫度控制在 50℃以下，測量精度提升至 ±0.01nm/s。
在調控策略上，建立了 “蒸發速率 - 電子束功率 - 坩堝溫度 - 真空度” 的多參數耦合模型。通過實驗采集不同蒸發材料（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速率數據，構建數據庫。當 QCM 監測到蒸發速率偏離設定值時，調控系統會同時調整電子束加速電壓（影響電子束能量）與束流強度（影響電子束功率），并結合熱電偶采集的坩堝溫度數據進行補償。例如，當坩堝內材料余量減少導致蒸發速率下降 5% 時，系統會先將電子束加速電壓從 15kV 提升至 15.5kV，同時將束流強度從 200mA 調整至 205mA，若速率仍未恢復，則根據坩堝溫度變化進一步微調，整個調控過程在 50ms 內完成，速率波動可控制在 ±1% 以內。
為驗證該方法的實用性，在光學薄膜制備實驗中，采用該調控方案制備 100nm 厚的二氧化硅增透膜。實驗結果顯示，薄膜厚度均勻性誤差為 2.3%，遠低于傳統方法的 8.5%，且薄膜的透光率提升至 99.2%，滿足高端光學鏡頭的使用要求。該實時調控方法的研發，不僅解決了電子束蒸發過程中速率波動的難題，還為高壓電源在高精度薄膜制備領域的應用提供了可靠的技術支撐。