电子束蒸发电源的蒸发速率实时调控方法

电子束蒸发技术是制备高精度薄膜（如光学镀膜、半导体器件钝化膜）的核心技术之一，而电子束蒸发电源作为该技术的能量核心，其输出功率的稳定性直接决定了蒸发速率，进而影响薄膜的厚度均匀性与性能一致性。在实际应用中，蒸发速率易受多种因素干扰，如蒸发材料的熔融状态变化、坩埚内材料余量减少、真空腔体内气压波动等，导致传统固定功率输出的电源难以满足高精度薄膜制备需求。因此，研发蒸发速率实时调控方法，成为提升电子束蒸发电源应用价值的关键。
传统调控方法多采用 “功率反馈” 模式，即通过监测电源输出功率来间接控制蒸发速率，但该方法存在明显滞后性 —— 当蒸发材料状态变化导致速率波动时，功率反馈需经过 “速率变化 - 功率调整 - 速率恢复” 的循环，响应时间通常超过 1 秒，对于厚度精度要求在纳米级的薄膜（如 50nm 以下的光学增透膜），这种滞后会导致薄膜厚度偏差超过 5%，无法满足使用要求。为解决这一问题，研发团队提出了 “速率直接监测 + 多参数协同调控” 的实时调控方案。
在速率监测环节，采用石英晶体微天平（QCM）作为核心传感器。QCM 能通过晶体振荡频率的变化直接计算薄膜沉积速率（频率变化量与沉积速率呈线性关系），响应时间可缩短至 10ms，远快于传统功率反馈。同时，为避免 QCM 在高温蒸发环境下的测量误差，研发团队设计了水冷式 QCM 固定装置，将传感器温度控制在 50℃以下，测量精度提升至 ±0.01nm/s。
在调控策略上，建立了 “蒸发速率 - 电子束功率 - 坩埚温度 - 真空度” 的多参数耦合模型。通过实验采集不同蒸发材料（如二氧化硅、钛酸锶）在不同真空度（10⁻³~10⁻⁵Pa）、不同坩埚温度下的蒸发速率数据，构建数据库。当 QCM 监测到蒸发速率偏离设定值时，调控系统会同时调整电子束加速电压（影响电子束能量）与束流强度（影响电子束功率），并结合热电偶采集的坩埚温度数据进行补偿。例如，当坩埚内材料余量减少导致蒸发速率下降 5% 时，系统会先将电子束加速电压从 15kV 提升至 15.5kV，同时将束流强度从 200mA 调整至 205mA，若速率仍未恢复，则根据坩埚温度变化进一步微调，整个调控过程在 50ms 内完成，速率波动可控制在 ±1% 以内。
为验证该方法的实用性，在光学薄膜制备实验中，采用该调控方案制备 100nm 厚的二氧化硅增透膜。实验结果显示，薄膜厚度均匀性误差为 2.3%，远低于传统方法的 8.5%，且薄膜的透光率提升至 99.2%，满足高端光学镜头的使用要求。该实时调控方法的研发，不仅解决了电子束蒸发过程中速率波动的难题，还为高压电源在高精度薄膜制备领域的应用提供了可靠的技术支撑。