一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法
阅读说明：本技术 一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法 (Evaluation device and evaluation method for sputtering coating uniformity of hemispherical harmonic oscillator ) 是由 黄帅 王建青 何晓霞 党建军 张培新 柳凯 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法,其目的是解决现有半球谐振子溅射镀膜均匀性评价中存在若采用硅片膜层均匀性评价结果来衡量谐振子的膜层均匀性,硅片膜层均匀性无法代表谐振子膜层均匀性,若随批抽取一件谐振子进行破坏,来得到谐振子膜层厚度均匀性,则成本高、效率低,不适合批量化生产的技术问题。该评价装置包括平行镀膜工装和(M×N)个硅片；平行镀膜工装的外形尺寸与待镀半球谐振子的外形尺寸相同,包括中心杆和固连于中心杆上的半球壳体；半球壳体上沿其经线方向均布有M列台阶孔组,每列台阶孔组均布有N个台阶孔；硅片的尺寸与台阶孔的大端尺寸相等；所有硅片分别粘接于各台阶孔内。(The invention relates to a device and a method for evaluating the sputtering coating uniformity of a hemispherical harmonic oscillator, and aims to solve the technical problems that in the existing evaluation of the sputtering coating uniformity of the hemispherical harmonic oscillator, if the film uniformity of the harmonic oscillator is measured by using a silicon wafer film uniformity evaluation result, the film uniformity of the silicon wafer cannot represent the film uniformity of the harmonic oscillator, and if one harmonic oscillator is extracted in batches to be damaged to obtain the film thickness uniformity of the harmonic oscillator, the cost is high, the efficiency is low, and the method is not suitable for batch production. The evaluation device comprises a parallel coating tool and (M multiplied by N) silicon chips; the parallel coating tool has the same overall dimension as that of the hemispherical harmonic oscillator to be coated, and comprises a central rod and a hemispherical shell fixedly connected to the central rod; m rows of step hole groups are uniformly distributed on the hemispherical shell along the meridian direction, and N step holes are uniformly distributed on each row of step hole groups; the size of the silicon chip is equal to the size of the big end of the step hole; all the silicon chips are respectively adhered in the step holes.)
技术领域
本发明涉及半球谐振子，具体涉及一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法。
背景技术
半球谐振陀螺因其具有高精度、高可靠性、长寿命、小体积和抗辐照等特点，成为惯性仪表领域的研究热点。熔融石英谐振子是半球谐振陀螺的核心零件，谐振子通常为Ψ型，主要特征结构包括半球壳和中心锚杆。为确保谐振子静电激励效率，要对半球谐振子表面进行金属化镀膜。镀膜主要针对除半球唇沿以外的整个谐振子表面进行，唇沿位于谐振子内、外表面之间，起到绝缘作用。通常采用溅射镀膜技术对半球谐振子进行镀膜，这种镀膜技术具有成膜均匀性高、膜基结合力强、膜层致密和内应力小等优势，是一种技术成熟度高，且应用广泛的镀膜技术。
频率裂解值(频差)是衡量谐振子性能的关键指标，直接影响到半球谐振陀螺的漂移精度。谐振子工作状态下处于几千赫兹左右频率的振动中，谐振子金属化(金属化镀膜)后，金属膜层的不均匀性会引起谐振子质量沿轴向的不对称，从而增大频差和损耗。因此谐振子金属化镀膜工序应尽量保持谐振子的前期特性，即低频差，这就要求镀膜工艺过程应保证膜层具有很高的均匀性。
谐振子属于半球形薄壁零件，镀膜厚度约为几百纳米，在不破坏零件的条件下，要对其膜层厚度直接测量，难度很大，如何实现谐振子溅射镀膜均匀性精确评价，成为该领域研究的重点工作。
目前，对于谐振子溅射镀膜均匀性评价的方法主要有两种：
一种是在谐振子镀膜过程中，同炉放置平面硅片，完成镀膜后，对硅片膜厚及膜厚均匀性进行评价，以硅片膜层均匀性评价结果来衡量谐振子的膜层均匀性。该方法存在的缺陷是评价结果特别不准确。由于谐振子属于异形零件，比硅片结构复杂得多，镀膜过程中硅片与谐振子各镀膜部位运动轨迹、溅射距离等差异很大，导致硅片膜层状态与谐振子膜层状态存在差异，最终使得硅片膜层均匀性无法代表谐振子膜层均匀性。
另一种是在谐振子完成镀膜后，随批抽检一件谐振子进行破坏，选取需评价的谐振子镀膜部位，用聚焦离子束切割出断面，配合扫描电子显微镜对断面膜层厚度进行测试，从而得到谐振子的膜层厚度均匀性。该方法每批次均需破坏一个谐振子，而且需要用聚焦离子束切割多个断面，虽然可以较为准确地评价谐振子膜层的均匀性，但该方法成本高、效率低，不适合批量化生产。
发明内容
本发明的目的是解决现有半球谐振子溅射镀膜均匀性评价中存在若采用硅片膜层均匀性评价结果来衡量谐振子的膜层均匀性，硅片膜层均匀性无法代表谐振子膜层均匀性，若随批抽取一件谐振子进行破坏，来得到谐振子膜层厚度均匀性，则成本高、效率低，不适合批量化生产的技术问题，提供一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法。
发明构思：
通过设计一款外形尺寸与待镀谐振子相同的平行镀膜工装，并在其上布置一定数量的硅片，通过测试分布于平行镀膜工装上不同位置处硅片的镀膜厚度，对应获得谐振子不同部位的镀膜厚度数据，低成本实现谐振子表面膜层均匀性的精确评价。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置，其特殊之处在于：
包括平行镀膜工装和(M×N)个硅片；其中，M≥2，N≥2；
所述平行镀膜工装，作为待镀半球谐振子的平行试件，其外形尺寸与待镀半球谐振子的外形尺寸相同，包括中心杆和固连于中心杆上的半球壳体；
所述半球壳体上沿其经线方向均布有M列台阶孔组，每列台阶孔组均布有N个台阶孔，在半球壳体上形成(M×N)个台阶孔；
所述硅片的尺寸与台阶孔的大端尺寸相等；
(M×N)个硅片分别粘接于(M×N)个台阶孔内。
进一步地，还包括2(M×N)个硅片掩模，分别粘贴于(M×N)个硅片的正反两面；
每个硅片掩模上均匀分布有L个镂空条纹；所述L≥2。
进一步地，所述硅片的正反两面均平整。
进一步地，所述平行镀膜工装为金属合金材质；
所述硅片为纯硅；
所述硅片掩模采用耐高温、无挥发胶带。
进一步地，所述平行镀膜工装为不锈钢材质。
进一步地，所述硅片掩模采用聚酰亚胺薄膜胶带。
进一步地，所述M、N和L的取值范围分别为：
3≤M≤6；3≤N≤5；3≤L≤5。
进一步地，所述M、N和L的取值分别为：
M＝4；N＝4；L＝3。
同时，本发明还提供一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价方法，其特殊之处在于，基于上述半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置，包括以下步骤：
1)采用有机溶剂清洗所有硅片，使硅片表面干净、无污染；
2)利用粘接剂，将清洗后的所有硅片，粘接于平行镀膜工装的各台阶孔内，完成半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置的装配；
3)将半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置作为平行试件，按照与待镀半球谐振子相同的安装方式、安装位置、空间运动规律和镀膜时长，与待镀半球谐振子同炉完成镀膜；
4)将完成镀膜的硅片取下，并按照位置依次进行编号，编号依次为1#、2#、3#…、(M×N)#，同时对每个硅片的正反两面进行标记；
5)采用有机溶剂清洗所有洗硅片，去除残留粘接剂，得到镀有膜层的硅片；
6)利用台阶仪对步骤5)所得每个硅片正反两面的膜层厚度进行测量，得到并记录所有硅片正面的膜层厚度数据Xi，i＝1,2,3…,(M×N)，以及所有硅片反面的膜层厚度数据Yi，i＝1,2,3…,(M×N)；
7)通过以下公式，分别计算半球谐振子整个外球面膜层厚度的均匀度值A，以及半球谐振子整个内球面膜层厚度的均匀度值B：
A＝(max Xi-min Xi)/(max Xi+min Xi)；
B＝(max Yi-min Yi)/(max Yi+min Yi)；
其中，max Xi和mix Xi分别代表膜层厚度数据Xi的最大值和最小值；
max Yi和mix Yi分别代表膜层厚度数据Yi的最大值和最小值；
8)选取同一经线上所有硅片正反两面的膜层厚度数据，评价半球谐振子内、外球面沿经线方向的膜层均匀性；
选取同一纬线上所有硅片正反两面的膜层厚度数据，评价半球谐振子内、外球面沿纬线方向的膜层均匀性；
所述同一纬线上所有硅片是指在径向上位于不同列，但在周向上位于相同位置的所有硅片。
进一步地，步骤2)具体为，将清洗后的所有硅片的正反两面均粘贴硅片掩模，然后利用粘接剂，将所有粘贴了硅片掩模的硅片，粘接于平行镀膜工装的各台阶孔内，完成半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置的装配；
步骤5)具体为，将每个硅片正反两面的硅片掩模依次撕去，然后采用有机溶剂清洗硅片，去除残留粘接剂，得到在镂空条纹位置镀有膜层的硅片；
步骤6)具体为，利用台阶仪对步骤5)所得每个硅片正反两面的各膜层厚度进行测量，通过计算每个硅片正面所有膜层厚度的平均值，得到并记录所有硅片正面的膜层厚度数据Xi，i＝1,2,3…,(M×N)，通过计算每个硅片反面所有膜层厚度的平均值，得到并记录所有硅片反面的膜层厚度数据Yi，i＝1,2,3…,(M×N)。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、相比于现有同炉放置平面硅片及同批谐振子破坏式膜层均匀性评价方法，本发明提供的半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法，其平行镀膜工装上分布了一定数量的硅片，通过测量分布于平行镀膜工装的不同位置上硅片镀膜厚度，获得谐振子正反两面不同部位镀膜厚度数据，间接实现了谐振子膜层的精确测量，进一步提高了半球谐振子内外表面溅射镀膜均匀性评价精度，降低了评价成本，其平行镀膜工装可重复使用，再次使用时只需更换硅片即可，操作方法简单，进一步降低了成本，提高了效率。
2、本发明提供的半球谐振子溅射镀膜均匀性评价方法，利用台阶仪进行膜层厚度的高精度测量，测量误差小，从而实现了膜层均匀性精确评价，可广泛应用于航空航天等领域中的异形零件镀膜均匀性评价。
3、本发明提供的半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置及评价方法，采用了掩模方法，硅片掩模上分布有镂空条纹，实现了硅片部分区域镀膜，部分区域不镀膜，实现了通过一次测试得到多个数据，对多个数据求均值以更准确反映膜层厚度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中平行镀膜工装的俯视图；
图2为本发明实施例中平行镀膜工装的剖面图；
图3为本发明实施例中硅片掩模的结构示意图；
图4为本发明实施例中硅片正反两面均粘贴了硅片掩模的结构示意图；
图5为本发明实施例中平行镀膜工装安装了硅片后的剖面图，其中硅片粘贴了硅片掩模；
图6为本发明实施例中硅片正面镀膜后的结构示意图；
附图标记说明：
1-平行镀膜工装；2-硅片；3-硅片掩模。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置，如图1至图6所示，包括平行镀膜工装1、16个(可以为(M×N)个，其中，M≥2，N≥2；优选地，3≤M≤6；3≤N≤5；)圆形的硅片2，以及32个(即2(M×N)个)硅片掩模3(圆形栅格状)。其中，硅片2采用纯硅制成，形状为标准圆形，其正反两面均平整；所述硅片掩模3采用耐高温、无挥发胶带，比如聚酰亚胺薄膜胶带，32个所述硅片掩模3分别粘贴于16个硅片2的正反两面；每个硅片掩模3上均匀分布有3个(可以为2个以上，如3～5，优选3个)镂空条纹。
所述平行镀膜工装1，作为待镀半球谐振子的平行试件，其外形尺寸与待镀半球谐振子的外形尺寸相同，包括中心杆和固连于中心杆上的半球壳体，平行镀膜工装1材料区别于谐振子的石英玻璃，可用易于加工的金属合金，比如不锈钢完成，镀膜时通过中心杆固定于溅射镀膜设备夹具上。
所述半球壳体上沿其经线方向均布有4列台阶孔组(分布于半球壳体球面上的0°、90°、180°、270°四条经度线位置)，每列台阶孔组均布有4个台阶孔，在半球壳体上形成16个圆形的台阶孔，台阶孔的主要作用是：通过硅片2的镀膜面积有效区分镀完膜硅片2的正、反面；所述硅片2的尺寸与台阶孔的大端尺寸相等；16个硅片2分别粘接于16个台阶孔内。
一种半球谐振子溅射镀膜均匀性评价方法，基于上述半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置，包括以下步骤：
1)采用有机溶剂清洗所有硅片2，确保硅片2表面干净、无污染；
2)将清洗后的所有硅片2的正反两面均粘贴硅片掩模3，确保粘接可靠，硅片掩模3用于遮挡硅片2，镀膜后实现硅片2部分区域镀膜和部分区域不镀膜，形成膜层厚度台阶，以便用台阶仪进行膜层厚度精确测量；然后利用粘接剂，将所有粘贴了硅片掩模3的硅片2，粘接于平行镀膜工装1的各台阶孔内，完成半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置的装配；
3)将半球谐振子溅射镀膜均匀性评价装置作为平行试件，放置于溅射镀膜设备中，镀膜过程中应保证平行试件与待镀半球谐振子镀膜参数完全一致，包括相同的安装方式、安装位置、空间运动规律和镀膜时长等，与同一批次的待镀半球谐振子同炉完成镀膜；
4)将完成镀膜的硅片2取下，并按照位置依次进行编号，编号依次为1#、2#、3#…、16#，同时对每个硅片2的正反两面进行标记；
5)将每个硅片2正反两面的硅片掩模3依次撕去，然后用有机溶剂清洗硅片2，去除残留粘接剂，该步骤可以有效消除硅片2表面残留对测量精度的影响，减小膜层厚度测量误差，得到在镂空条纹位置镀有膜层的硅片2；
6)利用台阶仪对步骤5)所得每个硅片2正反两面的3个膜层的厚度进行测量，通过计算每个硅片2正面3个膜层厚度的平均值，得到并记录所有硅片2正面的膜层厚度数据Xi，i＝1,2,3…,(M×N)，通过计算每个硅片2反面3个膜层厚度的平均值，得到并记录所有硅片2反面的膜层厚度数据Yi，i＝1,2,3…,(M×N)，通过求取平均值作为膜厚数据进行记录的方式，可以减小测量误差，提高评价精度；
7)通过以下公式，计算半球谐振子整个外球面膜层厚度的均匀度值A：
A＝(max Xi-min Xi)/(max Xi+min Xi)；
其中，max Xi和mix Xi分别代表膜层厚度数据Xi的最大值和最小值；
通过以下公式，计算半球谐振子整个内球面膜层厚度的均匀度值B：
B＝(max Yi-min Yi)/(max Yi+min Yi)；
其中，max Yi和mix Yi分别代表膜层厚度数据Yi的最大值和最小值；
8)选取同一经线上所有硅片2(例如选取1#、2#、3#、4#硅片)正反两面的膜层厚度数据，评价半球谐振子内、外球面沿经线方向的膜层均匀性；
选取同一纬线上所有硅片2(例如选取4#、8#、12#、16#硅片)正反两面的膜层厚度数据，评价半球谐振子内、外球面沿纬线方向的膜层均匀性；
所述同一纬线上所有硅片2是指在径向上位于不同列，但在周向上位于相同位置的所有硅片2。
当然，也可以不采用硅片掩模3，相应地，镀膜之后，硅片正反两面均有一片完整的膜层，可通过台阶仪测得一个膜层厚度数据用于步骤7)，不再需要求取平均值操作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
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