1、目 录中文 摘要： .1英文摘要： .21 绪论 .31.1 大尺寸平板玻璃镀膜设备的发展 .31.2 磁控溅射技术的最新进展 .32 磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数 .42.1 磁控溅射法的原理 .42.2 磁控溅射的工艺参数 .43 大平面磁控溅射镀膜玻璃生产线 .63.1 大尺寸磁控溅射镀膜玻璃生产线的组成 .63.2 平面磁控溅射镀膜玻璃生产线的分类 .74 磁控溅射镀 膜真空室的设计要求与原则 .84.1 设 计参数 .84.2 磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则 .84.3 磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求 .95 磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算 .105.1 真空室壳体的设计
2、与计算 .105.1.1 真空室壳体的类型选择 .105.1.2 真空室壳体的计算与校核 .105.2 传动系统的设计与计算 .125.2.1 传动方式的选择 .125.2.2 变频电机的确定 .135.2.3 传动 轴的计算与校核 .135.2.4 V 带传动的设计与计算 .145.2.5 轴承的配置与轴承座的选定 .155.2.6 轴承密封与传动轴动密封的设计 .165.3 平面磁控溅射靶的选择与计算 .165.3.1 平面磁控溅射靶的类型选择 .165.3.2 平面磁控溅射靶水冷系统的设计与计算 .185.4 抽气系统的设计与计算 .185.4.1 选泵与配泵 .185.4.2 抽气时间
3、的计算 .195.5 机架的设计与计算 .205.5.1 磁控溅射真空镀膜室总重估算 .205.5.2 机架的结构设计 .215.6 工艺气体的分布的分析与设计 .21结论 .24谢辞 .24参考文献 .251大尺寸平板玻璃磁控溅射室与真空系统设计摘 要：大尺寸平板玻璃镀膜技术主要应用于建筑玻璃、平板显示等领域。目前，生产大尺寸玻璃广泛采用真空磁控溅射镀膜工艺，每年都有大量的平板玻璃进行溅射镀膜。我国连续式磁控溅射镀膜设备多为进口,国内自主研发设计还有很大的空缺。因此本设计具有十分重要的意义。本文介绍了磁控溅射镀膜的工艺流程和大尺寸玻璃生产线的组成。设计出了一种用于大尺寸平板玻璃镀膜的磁控溅射
4、室和真空系统。本文对真空腔体和机架进行可行性设计，然后传动系统采用带传动进行玻璃的输送，抽气系统选用分子泵作为主泵，溅射靶使用最新的中频电源供电的矩形平面孪生磁控溅射技术。关键词：大尺寸玻璃镀膜；磁控溅射；矩形平面靶；镀膜玻璃生产线2The design of magnetron sputtering chamber and vacuum system for large area glass coatingAbstract: Large area glass coating mainly used in the field of architectural glass and flat pa
5、nel display. Nowadays, magnetron sputtering coating film is the mainstream technology of vacuum coating , every year a large number of flat glass for coating. Thus, this design has very important practical significance. This article introduces the process line of the plane magnetron sputtering coate
6、d glass and the main craft processes of magnetron sputtering coating film. Then a feasibility of design proposal on the magnetron sputtering chamber and vacuum system is carried out. Feasibility design of vacuum system and rack are presented in the paper. Then drivetrain system uses the belt conveyo
7、r to drive， vacuum pumping system chooses the molecular pump as the main pump, and sputtering target uses the latest intermediate frequency power supply rectangular planar twin-target sputtering technology.Keywords:large area glass coating；magnetron sputtering； rectangular planar target；coating glas
8、s product line31 绪论1.1 大尺寸平板玻璃镀膜设备的发展目前，用于生产大尺寸玻璃的方法很多，主要有真空磁控溅射法、真空蒸发法、凝胶浸渍法和电浮法镀膜等。从镀膜玻璃的膜层均匀性、牢固度、膜厚可控性以及产品品种、生产操作的难易程度和生产效率等方面比较，真空磁控溅射镀膜法是生产大尺寸镀膜玻璃的最佳方法 1。用这种方法生产的镀膜玻璃，膜不易受污染，膜的纯度高，膜层的均匀性、牢固性和工艺重复性都很好。另外，由于该种工艺能有效地控制膜的厚度，所以可采用不同膜材来生产不同光学性能的各种颜色的热反射玻璃和低辐射玻璃，甚至还能生产导电膜玻璃。磁控溅射镀膜技术是七十年代末期发展起来的一种先进的工
9、艺方法,它的膜层由多层金属或金属氧化层组成,允许任意调节能量通过率、能量反射率,具有良好的外观美学效果,它克服了其它几种生产方法存在的一些缺点,因而目前国际上广泛采用这一方法 2。磁控溅射镀膜玻璃已越来越多地被运用于现代建筑并逐渐在民用住宅、汽车、电子等领域使用,具有广阔的发展前景。这种的我国应用磁控溅射镀膜工艺生产镀膜玻璃起始于八十年代中期,其时国内一些厂家陆续引进了一批磁控溅射镀膜设备和技术,生产高档的镀膜玻璃。但由于当时人们对镀膜玻璃的功能还没有足够的认识,加之价格偏高,国家又采取了一系列的紧缩政策,一批高档的楼、堂、馆、所被停建或缓建,因而镀膜玻璃的市场极不景气,磁控溅射镀膜工艺也未受
10、到人们的重视和青睐。1.2 磁控溅射技术的最新进展由于磁控溅射能够精确地控制工艺参数和膜层质量，它已经成为大面积镀膜领域的主流。然而这种镀膜技术亦存在一些缺点，特别是在反应溅射过程中存在着沉积速率低及工艺不稳定等问题。所以普通的直流磁控溅射对于大面积薄膜产品的工业化生产来说不是最佳的工艺手段 3。目前，国内外多采用将直流磁控溅射电源改为交流中频电源的中频磁控溅射技术。单靶可抑制打弧现象的发生 4，中频交流溅射技术还应用于孪生靶（Twin-4Mag）溅射系统中。孪生靶溅射技术大大提高磁控溅射运行的稳定性，可避免被毒化的靶面产生电荷积累，引起靶面电弧打火以及阳极消失的问题，溅射速率高，是目前化合物
11、薄膜溅射镀膜生产的理想首选技术 5。本文共分 5 章，第 1 章介绍了我国低辐射玻璃的现状以及大面积磁控溅射技术的最新进展；第 2 章介绍了磁控溅射原理、过程及工艺参数；第 3 章介绍了平面磁控溅射镀膜玻璃生产线；第 4 章介绍了磁控溅射镀膜室、磁控溅射靶、真空系统以及传动系统的设计原则与要求；第 5 章对四个系统部分以及机架进行了设计计算。2 磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数2.1 磁控溅射法的原理磁控溅射是在真空室中进行的，将真空室的气体抽空，阴极接通负电压（-500） （-800）V，阳极接通正电压（0100V） ，并向真空室的负压达到溅射工作压力 10-410 -5Pa 时，在阴极前面产
12、生辉光放电，氩气发生电离，生产氩离子和电子，形成等离子区；阴极通电后产生的电场与永磁铁产生的磁场正交，氩离子在正交的电磁场的作用下飞向阴极，在很短距离的阴极电位下降区获得很大能量，在到达阴极前轰击靶材 6。根据动能传递作用将能量传递给靶材的中性原子（或分子），使这些原子（或分子）脱离附近的其他原子（或分子）而从靶面上弹射出来。在溅射的粒子中，带有高能量的中性靶原子（或分子）在玻璃表面上沉积成膜层。而其他的二次电子进入等离子区参与电离碰撞，不断地补充大量的正离子，二次电子在其能量将耗尽时，被阳极吸引而导出真空室。它具备了“低温” 、 “高速”两大特点 7。2.2 磁控溅射的工艺参数溅射镀膜过程中
13、，由于靶功率与靶的溅射率呈直线正比关系，因此提高靶的功率即可提高靶的溅射率和沉积到基片上的沉积速率，从而提高设备的工作效率。经验表明：高的溅射速率的最佳参数是提高阴极电压，增大靶的电流密度，选择溅射率高的溅射气体，较高的工作真空度以及合适的基片温度。现就这些参数分述如下：5（1）磁控溅射的功率从理论上看，对于磁控溅射源，镀膜沉积速率都会随着靶功率的增大而增大，二者具有较好的线性关系。由于在异常辉光放电中，电流的增大，必然导致电流密度成比例地增加，而电流密度的增加会引起电场的进一步畸变，使阴极位降区的长度不断减少，维持放电所必须的阴极位降将进一步增加，撞击阴极的正离子数目及动能都大为增加，在阴极
14、表面发生溅射作用也要强烈得多，致使沉积速率增大。但是需要指出的是，靶材承受的功率是有限的。靶面温度过高会导致靶材熔化或引起弧光放电。因此靶功率应当在靶材允许值范围内调节。因此提高镀膜速率的工艺原则应当尽可能接近允许值；靶电压尽可能接近最佳值 8。（2）磁场强度磁控溅射的关键参数是与电场垂直的水平磁场分量B ，而垂直磁场B 对磁控模型运行没有作用。B 在靶面各处并不是一个均匀的值，一般以最大水平场强B max 代替靶面的场强要求。通常要求距靶平面35mm处测得的数值为0.020.06T。但在靶面上水平场强分布不均匀时会引起溅射的不均匀，因此，适当调整磁铁布局，使之得到均匀的水平磁场，以得到均匀的
15、溅射区，提高靶材的利用率。（3）溅射气压在直流磁控溅射过程中，溅射气压(工作气压)是一个很重要的参数，它对溅射速率，沉积速率以及薄膜的质量都有很大的影响。气体分子从一次碰撞到相邻的下一次碰撞所通过的距离的统计平均值，称之为平均自由程 9-10。从分子的平均自由程的角度来说，溅射气体压力低时溅射粒子的平均自由程大，与气体离子的碰撞的几率小，使沉积速率增大。但是，溅射气体压力低时入射离子浓度低，溅射出的离子数目也少，又使沉积速率减小。当溅射气体压力高时，轰击靶的气体离子多，溅射出的离子数也多，使溅射速率增大。但是溅射粒子的平均自由程减小，与气体离子碰撞的几率增大，使沉积速率减小。溅射气压所产生的这
16、两种效果互相制约，随着溅射气压的增加，最初沉积速率不断增大，当溅射气压增大到一定程度时，沉积速率达到最大值，之后随着溅射气压的增大又不断减小。（4）基片的温度基片的温度对沉积速率也有一定的影响。有些材质的沉积速率随着基片温度的上升略有下降，这可能是基片温度升高时到达基片的沉积原子较易解吸的缘故。但在反应沉积化合物时，沉积速率是随着基片温度的增加而上升的。因为反应沉积实6际上是反应气体和溅射原子在表面上发生化学反应的过程，而这一过程是随基片温度升高而增强的 11。3 大尺寸磁控溅射镀膜玻璃生产线3.1 平面磁控溅射镀膜玻璃生产线的组成任何类型的生产线，对于产品的产生过程都要遵守符合某种规律的生产
17、流程要求，图 3.1 是该类生产线的典型流程图：选 片 进 线 前 处 理 段 真 空 镀 膜 段 后 处 理 段 离 线图 3.1 平面磁控溅射镀膜玻璃产品生产流程图为了达到大尺寸平板玻璃表面镀膜流程要求，实现连续性生产，其总体设计构思均采用串接积木组合方式（如图 3.2）形成机械化，自动化封闭环节的生产线。从图中可以看出，生产线构成可分三大功能段，即前处理段，真空镀膜段，后处理段。每个功能段，又有各自独立承担镀膜工艺中某一个单个工序的功能。通常设计这类生产线，应考虑以下五个方面的问题做为设计依据 10。（1）对前处理段应满足如下要求：a具有足够的表面清洗能力；b具有可控的基片加热温度场；c
18、对原片，发现疵病有在线筛选能力。 入 线 V1 -后 处 理 段 -真 空 镀 膜 段 -前 处 理 段 GFED7#6543#2CBA 出 线KZ234V3图 3.2 典型的平面磁控溅射镀膜玻璃生产线A进线工作台 B打霉机、玻璃洗涤机 C防尘加热烘烤装置D膜层透射率检查台 E膜层清洗后处理机 F、G膜层物理外观台71#预储室 2#过渡室 3#溅射室4#溅射室 5#溅射室 6#过渡室7#输出室 V1V4门式闸板阀 K1K4隔离腔Z平面磁控溅射阴极（2）对真空镀膜段应满足如下要求：a全段有较强的抽气能力，创造稳定的真空环境，有良好的气密性，充入介质气体的可控性，确保溅射真空室的磁控溅射阴极稳定工
19、作。b真空镀膜段两端的真空室的工作周期，即实现由真空到破坏真空，或从大气下抽真空，达到要求的真空度所经历的时间要短，故一般设计要遵循的条件：a真空室空间体积要小；b 配置的真空机组要大，确保限定的循环周期时间，即生产节拍（每片玻璃所用的镀制时间）短。c全程清洁处理方便。（3）对后处理段应满足如下要求：a具有在线检测玻璃镀膜后的光学性能的能力。b提供物理外观表面检查能力。（4）满足设定的产量要求。（5）满足设定的产品品种要求，且具有一定开发膜层膜系的潜在能力。3.2 平面磁控溅射镀膜玻璃生产线的分类平面磁控溅射镀膜玻璃生产线，国内外已出现各种类型，归纳起来可按原片玻璃镀膜时的出送方式，镀膜玻璃的
20、产量，可实现的花样品种能力等进行不同的分类。这里介绍按照原片玻璃镀膜时的输送方式进行分类。（1）卧式水平结构，即被镀玻璃平面为水平输送。其优点：a 输送玻璃方便，不像立式输送时，必须有玻璃框架；b 输送速度比立式结构要快，输送效率高；c 投料（上片）取料（下片）方便。缺点：a 由于玻璃水平输送，易在玻璃表面沉落胀物、灰尘，造成镀后表面出现针孔；b 清洁真空室卫生的周期较频、延长了非生产时间、影响生产；c 传动系统庞大（输送辊道长，动力大）造价高。（2）立式结构，即被镀玻璃的平面垂直地面并稍有倾斜来输送。其优点：a 灰尘不易落在玻璃表面上，故不易造成针孔；b 相对卧式结构，在8清洁真空室卫生方面
21、周期长，缩短非生产时间，有利于生产；c 传动系统结构简单，拖动动力小，造价低廉。缺点：a 该类生产线，输送玻璃必须采用框架输送，而且又必须备用足够的运送玻璃的框架数量，使之达到产量节拍要求，故投资大，占地面积大，效率低；b立式结构，多为隧道式，设备检修不方便。本设计主要针对真空镀膜段中的磁控溅射镀膜真空室进行设计计算，包括真空室腔体、平面磁控溅射阴极靶、抽气系统、传动系统以及机架。本设计采用卧式水平结构。4 磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则4.1 设计参数需要传送的基片尺寸的最大宽度和最大长度分别是 2540mm，3660mm，真空镀膜室采用不锈钢圆筒形壳体，使用分子泵和罗茨泵机组抽气，对于
22、分子泵和罗茨泵泵进行选配，溅射电压 300-600V，工作压力 0.1-1Pa，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、O 2、N 2）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（如图 4.1） ，保证膜质均匀 10。（4）设有独立的变速范围较宽的传动输送玻璃系统，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。
