发布时间 : 星期五 文章Roll-to-Roll磁控溅射镀膜系统设计论文更新完毕开始阅读5ac479fcb9f67c1cfad6195f312b3169a451ea15
Roll-to-Roll磁控溅射系统设计
点是在溅射时，整个靶表面上为多个辉光环，不能形成连续的条形辉光，故在镀制大面积的膜层时，膜层表面的均匀性差，很难满足要求。平面磁控溅射靶的特点是结构简单，通用性强，膜层均匀性与重复性好。但缺点是靶材的利用率低，一般约为20%左右。当辉光区，即磁力线分布区域的靶材消耗到一定程度时，将形成条形凹坑，靶材体变薄，凹坑深度达到一定程度时，靶材就不能继续使用。S枪磁控溅射靶由于其特殊的靶形和冷却方式，使其具有靶材利用率高、膜厚分布均匀、靶功率密度大和易于更换靶材等优点。但是S枪磁控溅射靶的结构复杂、磁场计算困难。
矩形平面磁控溅射靶虽然从基本原理方面看劣势较多，但近年来矩形溅射靶的研究和改进不断。现如今的矩形溅射靶已经非常成熟、先进，并且在工业生产中成功应用。
从以上各个方面，并且联系生产实际，本设计采用矩形平面磁控溅射靶。 但是一般的磁控溅射靶存在两个主要的问题：靶的电弧放电问题，阳极消失问题。因此，目前国内外采用一种用中频电源供电的孪生靶进行磁控溅射，即“Twin Targets”。 中频溅射常用于溅射两个靶，通常为并排的两个靶，尺寸和外形全部相同，因此这两个靶常称为孪生靶。孪生靶在溅射室中悬浮安装，在溅射过程中，两个靶周期性轮流作为阴极与阳极，既抑制了打火，而且由于消除了普通直流反应磁控溅射中的阳极消失现象，从而使溅射过程得以稳定进行。
中频孪生磁控溅射具有以下优点：（1）可以得到高的沉积速率；（2）溅射过程可以始终稳定地工作在设定的工作点上；（3）由于消除了打火现象，缺陷密度较普通直流磁控溅射要小几个数量级；（4）由于交流反应溅射时到达基板的原子平均释放的能量高于直流反应溅射的值，因此在沉积过程中基板温度较高，沉积膜会更致密，与基板的结合会更牢固。
近几年，新型的大面积孪生磁控溅射源的诞生，又克服了传统的孪生磁控溅射源如下所述的缺点：a磁控溅射源与直流电连接，长期使用后容易在磁控溅射源表面形成污物；b磁控溅射源的磁钢与冷却用的水路共用一个通道，磁钢泡在冷却水中，长期使用后容易退磁和腐蚀[19]。
因此，磁控溅射靶采用孪生矩形靶。
4 磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则
4.1设计参数
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需要传送的基片尺寸的最大宽度和最大长度分别是300mm，2000mm，真空镀膜室采用不锈钢圆筒形壳体，使用旋片泵和扩散泵机组抽气，对于旋片泵和扩散泵机进行选配，溅射电压300-600V，工作压力0.01-1Pa，平行靶面的磁感应强度分量在0.04-0.07T之间。
4.2磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则
（1）创造良好的安装磁控溅射阴极位置，提供良好的电场条件，维持稳定的辉光放电。
（2）创造磁控溅射阴极间有良好的隔离条件，设置隔离挡板。
（3）提供充足的充气源装置（可通入Ar、O2、N2）达到均匀弥散，特别是沿磁控溅射阴极长度方向喷射的介质气体越均匀越好，保证膜质均匀[10]。
（4）设有独立的变速范围较宽的传动输送柔性基体系统，随意可调。 （5）壳体结构，卧式采用剖分式，立式采用剖分式，方便清洁卫生。普通钢结构要满足真空容器要求的强度、刚度条件。
（6）备有观察、检测、发讯等装置。
4.3磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求
（1） 镀膜机抽气系统应有足够大的抽气速率，该抽速即应迅速抽走镀膜过程中基片及膜材和真空室内其他构件所放出的气体，也应对溅射镀膜过程中渗气及系统的泄漏等气体量迅速地抽出。
（2） 磁控溅射镀膜机抽气系统的极限压强应根据不同膜的要求，而有所不同。目前箱式磁控溅射镀膜机的极限压强可在1.3～2.6×10-3Pa范围内选择。
（3） 在油扩散泵为主泵的抽气系统中，要求泵的返油率越小越好，否则返流的油蒸汽将会污染被镀的玻璃表面，使膜层易于脱落。
（4） 镀膜室及抽气系统的漏气率要小。即或是微量气体的漏入，也易影响膜的质量，为了保证系统的密封性能，必须把系统的总漏率限制在一定的范围之内。目前这一范围国内尚无标准。设计时可根据工艺要求而定。
（5） 真空系统的操作，使用及检修维护应方便，系统的抽气性能应稳定可靠。
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5 Roll-to-roll磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算
5.1 真空系统的设计与计算
5.1.1真空室壳体的类型选择
真空容器是构成真空室的基本部件。在真空工程中，各种真空应用对真空室的功能要求不同，构成真空室的真空容器形状和大小就不相同。真空容器壳体主要有圆筒形壳体、球形壳体、圆锥形壳体、盒形壳体、椭圆球形壳体和圆环形壳体[15]。
盒形壳体制造复杂，耗费金属材料多。球形壳体从稳定性和节省材料上来说是最好的，但球形制造困难，内部有效利用空间小，因此应用不多。圆筒形壳体制造容易、强度好。考虑到柔性基体都是用卷筒储存的，圆形壳体对此镀膜生产线最适合。因此，本设计真空镀膜室的形状采用圆筒形壳体。
5.1.2 真空室壳体的计算 (1) 圆筒体内径的确定
根据所需镀膜的尺寸长宽分别为300mm、2000mm，所以确定圆筒内径为
D=500mm
(2) 圆筒形壳体壁厚的确定 按经验确定外压圆筒形壳体壁厚为
S=20mm
(3) 圆筒长度的确定
根据1≤L/D≤8，为使真空室紧凑，所以选择
L=500mm
5.1.3抽气系统的设计与计算
真空室尺寸为Φ500×500,真空室体积：
；真空室内表面积：；真空室采用材
料为不锈钢1Cr18Ni9Ti；系统极限压强：
。
（1）真空系统总放气量的计算 Q=Q1+Q2
Q为真空室总的放气流量； Q1为真空室表面的出气量；
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；工作压强：
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Q2为系统的漏气量；
查表知不锈钢一小时后出气率为气量为：
考虑真空室内其他表面的放气量取 系统的漏气量：
上式中Px为压升率（国内一般取压升率为真空室总的放气量：
，故不锈钢表面的出
；
），V为真空室容积。
（2）真空室有效抽速的确定
S为真空室的有效抽速:l/s； Q为总气体量:Pa.L/s；
Pw为极限压强:Pa; 故真空室的有效抽速
,,但为了可靠起见，可
根据设备具体情况增大，实际有效抽速在此基础增大20%即：
。
5.1.4主泵的选择
根据要求的工作压力，选扩散泵作为主泵。为防止油进入真空室中，扩散泵与真空室之间安装“山型”挡板，查表知山型挡板的比流导为
上一个高真空插板阀，扩散泵前级泵选机械泵组成的真空机组。 根据要求，泵的有效抽速为
，考虑到加上挡板、阀门后的抽速流失（一般泵
，并配
的有效抽速是泵的抽速的1/3左右），暂选抽速为1118L/s的扩散泵来进行试算。查表选K-200型扩散泵 满足要求。泵的进气口直径200mm，排气口直径65mm。
5.1.5计算扩散泵与真空室排气口管路的流导，验证选K-200型扩散泵是否合适
K-200型扩散泵泵口径为200mm，为增大挡板流导，将其直径扩大到250mm。计算流导时为简化计算起见，挡板椎体部分不做计算。
总流导C由高真空管道3的流导C1、挡板阀4的流导C2（因其工作时打开，故忽略）、
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