1、 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 1 / 30目 录中文 摘要 .2英文摘要 .51 绪论 .611 真空卷绕镀膜技术及设备的现状与发展 .61.1.1 真空卷绕镀膜技术的应用领域 .62 磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数 .72.1 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程 .72.2 磁控溅射的工艺参数 .82.2.1 磁控溅射的功率 .82.2.2 磁场强度 .82.2.3 溅射气压 .82.2.4 基片的温度 .93 ROLL-TO-ROLL 磁控溅射镀膜系统 .93.1 ROLL-TO-ROLL磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作过程 .93.1.1 Roll-to-Roll 磁控溅射系
2、统的组要组成 .93.2 平面磁控溅射靶的类型选择 .104 磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则 .114.1 设计参数 .114.2 磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则 .114.3 磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求 .115 ROLL-TO-ROLL 磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算 .125.1 真空系统的设计与计算 .125.1.1 真空室壳体的类型选择 .125.1.2 真空室壳体的计算 .125.1.3 抽气系统的设计与计算 .125.1.4 主泵的选择 .135.1.5 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 .145.1.6 前级泵的选择 .
3、155.1.7 抽气时间的计算 .16Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 2 / 305.2 卷绕系统主轴的 ANSYS 分析 .175.3 真空室的气流速度和压强的 FLUENT 分析 .215.3.1 气体压强分析 .225.3.2 气体的速度分析 .245.4 ROLL-TO-ROLL磁控溅射系统设计 .27致谢 .29参考文献 .30Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 3 / 30摘要：随着柔性基体材料在太阳能电池和柔性显示屏中的运用，在柔性基体上镀膜的技术越来越受到人们的关注，并且是现代科技发展中的一项关键技术。磁控溅射镀膜技术是真空镀膜中运用广泛，不仅能够在各种面积
4、的基体上镀膜，而且还能还能够得到镀膜厚度均匀，性能稳定的薄膜。而 R-to-R磁控溅射镀膜技术不仅具有普通磁控溅射镀膜技术的优点，它还具有能够在柔性基体上镀膜的特点，解决了在柔性基体上连续镀膜难题。文中在对平面磁控溅射阴极的工作原理分析的基础上，阐述了磁控溅射镀膜的主要工艺流程和影响参数，并介绍了 R-to-R 磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作原理，从而对卷对卷磁控溅射镀膜系统可行性的分析。文中主要对真空室、抽气系统、传动系统、冷却系统进行设计以及对主轴进行了应力和位移的 ANSYS 的分析，对真空室的气流进行压强和气体流速的 FLUEND 分析。该抽气系统采用旋片泵做前级泵，扩散泵做主泵，传
5、动系统用带传动和齿轮传动的结合方式。关键词：卷对卷、磁控溅射、柔性基体、矩形靶材、镀膜Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 4 / 30Abstract: with the flexible base material in solar cell and the application of flexible displays, on the flexible substrate coating technology more and more get the attention of people, and is a key technology in the development
6、of modern science and technology. Magnetron sputtering deposition technology is widely used in vacuum coating, can in all area of the substrate coating not only, but also can be uniform coating thickness, stable performance of the film. And Roll-to-Roll magnetron sputtering deposition technology not
7、 only possesses the advantages of ordinary magnetron sputtering deposition technology, it also has the characteristics of the can on the flexible substrate coating, solved the difficult problem on the flexible substrate for coating. On planar magnetron sputtering cathode in this paper based on the a
8、nalysis of working principle, elaborated the magnetron sputtering coating process flow and main impact parameters, and introduces the Roll-to-Roll magnetron sputtering coating system composition and working principle, main to roll on the roll of the magnetron sputtering coating system feasibility an
9、alysis. This paper mainly on the vacuum chamber, extraction system, transmission system, cooling system to carry on the design of main shaft and the stress and displacement of the ANSYS analysis，on the airflow in vacuum chamber pressure and gas velocity FLUEND analysis. Before the extraction system
10、adopts the rotary vane pump as prepump, diffusion pump in charge pump, transmission system with transmission and gear transmission mode.Keywords: volume to volume, magnetron sputtering, flexible substrate, rectangular target material, coatingRoll-to-Roll 磁控溅射系统设计 5 / 301 绪论11 真空卷绕镀膜技术及设备的现状与发展真空卷绕镀膜
11、技术发展至今，已经完全适应了现代工业生产的需要。传统的真空卷绕普通装饰镀膜不断发展，并衍生出了一序列专业性较强的真空卷绕功能膜镀制设备。1.1.1 真空卷绕镀膜技术的应用领域真空卷绕镀膜技术的应用领域很多。其产品主要用于装饰、彩印等。在功能性薄膜的应用领域中真空卷绕镀膜技术可用于激光防伪膜的镀制。另外在高速公路反光标志的制作过程也少不了卷绕镀膜技术。此类产品镀层多为纯铝，基体一PET、BOPP、CPP、涂漆纸及复合玻璃微珠的纸等居多。在薄膜电容器行业，由于薄膜电容器很容易达到小体积高容量，因此发展很快。此领域对真空卷绕镀膜技术的应用要求更为严格。体积的缩小要求基材更薄，其基材厚度一般为 1.2
12、-9um。国内电容器厂家多用 4-8um 的 PET 和 BOPP 薄膜。其中由于电学性能的影响，BOPP 薄膜的应用有占总量的 90%以上。电容器薄膜镀膜层多为纯铝和锌铝，银锌铝复合材料也有应用。应用磁控溅射原理的卷绕设备能够在基材上镀制 ITO、SiO2、In、Cu、Ni、Ti 等金属、非金属及其氧化物。ITO 膜可以作为冷发光材料。在棉布表面镀上 SiO2 可以制成防电磁辐射的防护服，镀透 Ni 的海绵烧制后可做镍氢电池。镀上 Ti 等多种材料的基材可做柔性显示器件。总之，真空卷绕镀膜技术发展至今，其应用领域越来越广，同样对真空卷绕镀膜设备的要求越来越高 1。2 磁控溅射原理及溅射沉积工
13、艺参数2.1 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程磁控溅射技术是在普通直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的 8，它是利用磁场束缚电子的运动(即磁控管模式)，其结果导至轰击基片的高能电子的减少和轰击靶材的高能离子的增多，使其具备了“低温” 、 “高速”两大特点 9。磁控溅射等离子体中的物理过程如图 2.1 所示。与直流二级溅射相比较，区别只在于增加正交Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 6 / 30电磁场对电子的束缚效应。可见，正交电磁场的建立，靶面磁场 B 值的大小及其分布，特别是平行于靶表面的磁场分量 B，是磁控溅射中一个极其重要的参数。不 管 有 没 有 碰 撞 ， 最 终 沉 积 到
14、 基 片 上（ 沉 积 效 应 ）经 碰 撞 返 回 阳 极以 中 性 原 子 返 回碰 撞 发 生 电 离 ， 以 正 离 子 返 回（ 自 溅 射 效 应 ） 阴 极 原 子 发 射（ 溅 射 效 应 ）二 次 电 子 发 射轰 击 阴 极 表 面正 离 子 正 离 子 中 性 化经 阴 极 暗 区加 速 经 阴 极 暗 区 加 速受 磁 场 束 缚（ 束 缚 效 应 ）与 中 性 分 子 碰 撞 ， 产 生 正 离 子 和 电 子（ 电 离 效 应 ）没 与 中 性 分 子 碰 撞电 子 飞 向 阳 极 一 次 电 子图 2.1 磁控溅射的物理过程为了提高对电子的束缚效应，磁控溅射装置中
15、应当尽可能满足磁场 B 与电场 E相互垂直（即正交）和利用磁力线及电极（一般为阴极靶）封闭等离子体的两个重要条件。由于束缚效应的作用，磁控溅射的放电电压和气压都远低于直流二级溅射，通常分别为 500600V 和 10-1Pa10。2.2 磁控溅射的工艺参数溅射镀膜过程中，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：Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 7 / 302
16、.2.1 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 11。2.2.2 磁场强度磁
17、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，以得到均匀的溅射区，提高靶材的利用率。2.2.3 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 12-13。从分子的平均自由程的
18、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。2.2.4 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
19、高时到达基片的沉积原子较易解吸的缘故。但Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 8 / 30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 2。3 Roll-to-roll 磁控溅射镀膜系统3.1 Roll-to-roll 磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作过程3.1.1 Roll-to-Roll 磁控溅射系统的组要组成卷绕式真空镀膜机主要由卷绕系统、溅射系统、真空系统、控制系统组成。3.1.2 Roll-to-Roll 磁控溅射系统的工作过程将近二十米长的柔性基体卷放置在放卷机构
20、上，通过放卷机构让柔性基体穿过磁控溅射区，传送到收卷机构上，将镀好的薄膜收卷起来，如图 3-1。在真空室达到一定的真空条件下充入氩气，在磁控溅射靶极（磁控溅射靶材基体）上加一定的直流电压（-500-600V） ，是充入真空室体内的氩气电离，Ar+在正交电磁场的作用下轰击基体，北溅射出来的 Ar 原子或分子均匀沉积在被镀的基体上，使基体成为导电体；从而完成基体的导电化处理。由于整个导电过程是在高真空条件下进行的，所以通过真空磁控溅射方法可以或得优质的电镀用薄膜。在整个镀膜过程中要求基体不能受任何外力，即牵引传动，放卷传动，收卷辊的线速度必须一致，即柔性基体在镀膜过程是“零张力”传动。同时控制柔性
21、基体的传动速度（或减少电流的大小）能有效地控制所镀薄膜的厚度。因此，柔性基体传动系统是保证柔性基体导电化处理的关键技术之一。其中冷却辊在镀膜的过程中起着非常重要的作用。一方面冷却辊起到对基体进行冷却的作用，以消除由于柔性基体温度的升高，使得薄膜附着性能的变化，以及薄膜层中原子的重新排列。另外，冷却辊也起到了引导柔性基体传动和展平柔性基体的作用，是被镀材料均匀地镀到基体上。3.2 平面磁控溅射靶的类型选择磁控溅射靶主要分为：同轴圆柱形磁控溅射靶、平面磁控溅射靶、S 枪磁控溅射靶三种。其中，平面磁控溅射靶又分为圆形平面磁控溅射靶和矩形平面磁控溅射Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 9 /
22、30靶两种。同轴圆柱形磁控测射靶的优点是结构紧凑，靶材利用率较平面矩形靶高。但缺点是在溅射时，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
23、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
24、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
25、。因此，磁控溅射靶采用孪生矩形靶。Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 10 / 304 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 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）
26、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，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 1.32.610 -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。
