PAGEPAGE38磁控濺射鍍膜機(jī)原理與設(shè)計(jì)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32697磁控濺射鍍膜機(jī)原理與設(shè)計(jì) 1175031.1磁控濺射技術(shù)簡(jiǎn)介 186951.1.1二級(jí)濺射原理 2179241.1.2磁控濺射鍍膜工作原理 394881.1.3磁控濺射鍍膜的特點(diǎn) 4249031.2磁控濺射鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4122271.1.1真空鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作過程 4198011.1.2真空鍍膜設(shè)備設(shè)計(jì)概述 5251271.3鍍膜機(jī)的零部件設(shè)計(jì) 62511.3.1鍍膜室的材料選擇 6232841.3.2真空鍍膜室的焊接及密封要求 7325341.3.3真空鍍膜室的設(shè)計(jì) 8154211.3.4真空室的爐頂蓋設(shè)計(jì) 1023261.3.5真空鍍膜室門設(shè)計(jì) 11212011.3.6充氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13279611.3.7基片架的及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 13240361.3.8真空計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 141.1磁控濺射技術(shù)簡(jiǎn)介 磁控濺射技術(shù)是通過二級(jí)濺射的基礎(chǔ)上研究發(fā)展起來的[19,20],1940年前后，首先出現(xiàn)了實(shí)心柱狀磁控管式的濺射裝置。自1969年以來，柱狀磁控濺射技術(shù)非常活躍，1974年出現(xiàn)平面磁控濺射源使磁控濺射成為鍍膜的主流技術(shù)之一。磁控濺射鍍膜設(shè)備是在直流濺射陰極靶中增加了磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)的洛倫茲力束縛和延長(zhǎng)電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加電子與氣體的碰撞機(jī)會(huì)，提升氣體原子的離化律，使轟擊靶材的高能離子增多和轟擊被鍍基片的高能電子減少。其基本原理即是以磁場(chǎng)改變電子運(yùn)動(dòng)方向，束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子對(duì)工作氣體的電離率和有效利用了電子的能量，使正離子對(duì)靶材轟擊引起的靶材濺射更有效，滿足快速低溫的功效[21]。1.1.1二級(jí)濺射原理圖圖1.1二級(jí)濺射模型Fig1.1Secondarydepositionmodel 二級(jí)濺射定義：在真空度趨于穩(wěn)定的狀態(tài)下，兩極間出現(xiàn)的輝光放電使得其間的氣體分子被電離從而產(chǎn)生帶電電荷，在電場(chǎng)力的作用下正離子轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰Ｗ硬⑥Z擊陰極靶材，靶材上原子被轟擊濺射至陽極沉積并形成薄膜，此物理現(xiàn)象即二級(jí)濺射。圖1.1為二級(jí)濺射模型。白球代表高能粒子，黃球則是被轟擊靶材濺射出的原子，被高能量粒子轟擊后，被轟擊粒子向四周，如圖1.2。在一系列碰撞后，粒子獲得足夠克服表面勢(shì)壘并指向靶材表面的能量后就會(huì)從靶材中逃逸并形成濺射粒子，如圖1.3。濺射粒子大部分都源于靶材表面幾納米處的淺表層。當(dāng)轟擊粒子的能力不足時(shí)，表面原子只發(fā)生振動(dòng)而無法濺射出粒子；而當(dāng)轟擊粒子的能量過大時(shí)，由于高能轟擊粒子的注入形成，濺射的粒子數(shù)目減少[22]。氣體氣體固體固體圖1.圖1.2粒子擴(kuò)散示意圖Fig.1.2Sketchmapofparticlediffusion圖1.3能量傳遞示意圖Fig.1.6Diagramofenergytransfer1.1.2磁控濺射鍍膜工作原理基片基片圖圖1.4磁控濺射工作原理Fig.1.4.Schematicdiagramofmagnetronsputtering 圖1.4表示了磁控濺射鍍膜的工作原理[23,24]，電子在電場(chǎng)E的作用下獲得能量，并加速飛向基片，Ar原子在此過程中與運(yùn)動(dòng)的電子發(fā)生碰撞，電離出Ar+和一個(gè)電子e，電離的電子繼續(xù)飛向基片，Ar+則受到電場(chǎng)E的作用下加速并以高能量轟擊靶材，使靶材產(chǎn)生濺射。在濺射出的粒子中，中性的靶原子在基片上沉積形成薄膜，被濺射出的二次電子受洛倫茲的的作用下，以一種復(fù)合形式在靶表面附近做螺旋運(yùn)動(dòng)，增加了電子到陽極的路程，從而增加了碰撞電離幾率，使得該區(qū)域氣體原子的離化律增加，同時(shí)也增加了轟擊靶材的高能Ar+離子，實(shí)現(xiàn)了磁控濺射的高速沉積鍍膜特性。這部分經(jīng)過多次碰撞的電子由于能量降低，達(dá)到基片時(shí)傳遞的能量減小，致使基片溫度降低，因此，磁控濺射又有低溫的特點(diǎn)。1.1.3磁控濺射鍍膜的特點(diǎn) 1)不限制靶材的幾何形狀，同時(shí)保證薄膜的均勻性；可以鍍制合金、半導(dǎo)體和陶瓷材料。 2)沉積速率高。由于采用磁控電極，產(chǎn)生的正交電磁場(chǎng)可以增加Ar的電離率，從而可以獲得非常大的靶轟擊離子電流，增加轟擊靶的高能離子，因此，靶表面的濺射刻蝕速率和基片面上的膜材沉積速率都很高。 3)基片溫度較低。在磁控濺射的條件下，相比于二級(jí)濺射，基片被電子轟擊的幾率更小，從而基片的溫度更低。 4)可制備大面積薄膜。制備出的基體和薄膜結(jié)合力強(qiáng)，膜層的表面針孔少，無液體顆粒問題，可按要求控制膜層的厚度，并且工藝可重復(fù)性較高，可以進(jìn)行任何物質(zhì)的濺射，因此近年來磁控濺射鍍膜發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍也十分廣闊。 5)靶的刻蝕不均勻。傳統(tǒng)磁控濺射靶中，一般采用的是不均勻磁場(chǎng)，等離子體會(huì)產(chǎn)生局部收聚效應(yīng)，從而靶上局部位置的建設(shè)刻蝕速率極大，并產(chǎn)生顯著的不均勻刻蝕。 6)磁性材料靶濺射困難。若濺射靶是由高磁導(dǎo)率材料所制成，由于磁力線直接通過靶的內(nèi)部造成磁短路現(xiàn)象，使得磁控放電難以進(jìn)行。[25]1.2磁控濺射鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1.1真空鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作過程 真空鍍膜室即真空腔是構(gòu)成真空鍍膜機(jī)的主體部分，其大小由目的加工零件的尺寸所決定。鍍膜室的制造材料一般選用不銹鋼，為制造真空環(huán)境，鍍膜室的內(nèi)部分布著各種連接閥并用于真空泵的連接。在真空泵與真空室之間存在真空閥體，主要作用為調(diào)節(jié)氣體流動(dòng)量、阻斷氣體流通管路，在閥體上方安裝有可以實(shí)時(shí)對(duì)真空室內(nèi)氣壓值進(jìn)行反饋的檢測(cè)儀器。真空閥體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、耐久性高和自動(dòng)調(diào)節(jié)氣壓的優(yōu)點(diǎn)。[26，27] 真空鍍膜機(jī)的工作過程：首先用機(jī)械泵對(duì)真空室抽真空達(dá)一定數(shù)值，但機(jī)械泵為低真空泵，無法完全抽走有害氣體和水蒸氣，因此還需用擴(kuò)散泵繼續(xù)抽氣至所需的真空狀態(tài)。之后便可進(jìn)行濺射鍍膜，鍍膜過程中可使用目測(cè)或計(jì)時(shí)控制來控制膜厚度，全部鍍制完成后，先將真空系統(tǒng)關(guān)閉再取出所鍍工件，完成鍍膜。1.1.2真空鍍膜設(shè)備設(shè)計(jì)概述 在20世紀(jì)80年代前，真空鍍膜設(shè)備設(shè)計(jì)的主要方法為理論分析和模型試驗(yàn)。研究者解決真空鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)中所遇到問題的方法為推到理論公式，例如分析磁場(chǎng)問題，但實(shí)際邊界結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，無法準(zhǔn)確用理論公式表達(dá)出，計(jì)算時(shí)只能將其簡(jiǎn)化，用近似理論公式表述，得到模糊近似結(jié)果，以此提供參考進(jìn)行設(shè)計(jì)，此基礎(chǔ)上制成的永磁體實(shí)物模型需留有很大的工程余量，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試后才能用到鍍膜機(jī)上，增加了設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期且風(fēng)險(xiǎn)較大、費(fèi)用較高。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)得到發(fā)展，使得數(shù)值分析手段能引入到真空鍍膜機(jī)和相關(guān)部件的設(shè)計(jì)中，利用仿真模擬技術(shù)，可以對(duì)磁控濺射陰極靶、真空室體、離子源、加熱器、等真空鍍膜機(jī)重要組成部件進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，使得真空鍍膜機(jī)的制造和設(shè)計(jì)水平完成了一次飛躍。從功能角度出發(fā)，這些軟件分為電磁場(chǎng)分析軟件、熱場(chǎng)分析軟件、磁控濺射與沉積行為分析軟件、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析軟件和電荷粒子動(dòng)力學(xué)分析軟件，用與電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氣體分布及壓力長(zhǎng)、真空室體的分析設(shè)計(jì)，為真空鍍膜機(jī)及其有關(guān)的器件設(shè)計(jì)制造提供發(fā)展動(dòng)力。 真空鍍膜設(shè)備可以從真空室、蒸發(fā)或?yàn)R射靶源、工作架、充氣布?xì)庀到y(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電源與電氣控制系統(tǒng)、薄膜沉積工藝等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1.5給出了磁控濺射鍍膜設(shè)備的工程設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖。圖圖1.5真空鍍膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程1.3鍍膜機(jī)的零部件設(shè)計(jì)1.3.1鍍膜室的材料選擇 真空室的材料選擇時(shí)宜選用焊接性良好、性價(jià)比高、密封性強(qiáng)的金屬板材。目前國(guó)內(nèi)鍍膜機(jī)的生產(chǎn)制造廠家常選用低碳鋼、合金鋼、不銹鋼。真空度較高求需要耐腐蝕性的真空室時(shí)候則選用不銹鋼作為制造材料，而當(dāng)真空室需要低溫時(shí)，則需零星選取低溫性能好的制造材料。表2-1為幾種材料的真空性能。表2-1幾種材料適用的壓力范圍材料壓力范圍/Pa105-102QUOTE102-10-310-1-10-310-3-10-510-6-10-8鋼鐵、鑄銅、鑄鋁札銅及其合金鎳及其合金鋁好好好需除氣后用不銹鋼好好不好不好不好好好好需除氣后用無氧鋼好好好好好好好經(jīng)過除氣后不使用 為滿足設(shè)計(jì)要求，在上表材料中選取耐腐蝕、剛性金屬性能優(yōu)異的不銹鋼，其主要特性如下[28]：焊接性：產(chǎn)品用途要求不同所對(duì)應(yīng)的焊接性也不同，與其他金屬材料相比，不銹鋼的焊接性能優(yōu)異，而且從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，不銹鋼也是是性價(jià)比最高的材料?；瘜W(xué)性能：大部分不銹鋼的制品的耐腐蝕性好，在鋼材中，不銹鋼的耐電化學(xué)腐蝕性能和耐化學(xué)性能優(yōu)異，僅次于鈦合金。物理性能：在高溫、低溫、超低溫的環(huán)境下仍能保持良好的物理性能。力學(xué)性能：表2-2中為常用金屬力學(xué)性能對(duì)照表，相比于其他材料，不銹鋼的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和彈性性能優(yōu)異，具有良好的力學(xué)性能。表2-2常用金屬材料力學(xué)性能對(duì)照表材料名稱抗剪強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率屈服點(diǎn)彈性模量QUOTE灰鑄鐵銅鋁合金不銹鋼1802503-1500002603003070108000130-160180-230-10070000430-550540-70040200200000 工藝性能:相較于其他幾種金屬材料，不銹鋼金屬材料更能適應(yīng)多種加工工藝，且具有良好的拋光性和彎曲性。1.3.2真空鍍膜室的焊接及密封要求真空鍍膜室的具體焊接要求如下：為防止漏氣，需將焊縫盡可能的做短，以減少漏氣量。焊縫高度需大于殼體厚度的三分之一，避免使用十字交叉的焊縫結(jié)構(gòu)；兩焊縫中心線之間的距離應(yīng)大于100mm。所有焊縫均能進(jìn)行簡(jiǎn)易方便的真空檢測(cè)漏氣量。應(yīng)減少殼體上的開孔個(gè)數(shù)。需開孔時(shí)，應(yīng)盡量避免在殼體的焊縫出開孔。非氣密性焊縫可以用間斷焊，以防止殼體的剛性變形真空室是由法蘭、管道、閥門等各種材料不同的元件通過不同的連接形式形成的。對(duì)于真空室各個(gè)部件的接頭處，如電源，傳動(dòng)軸，觀察窗等都要有可靠的真空密封。由于是高真空鍍膜系統(tǒng)，所以其密封形式盡可能多的采用密封圈密封。在動(dòng)密封處，根據(jù)真空度及各處動(dòng)密封的具體特點(diǎn)，可選用O型密封圈，J型密封圈，JO型密封圈以滿足不同的要求。用于真空密封時(shí)，橡膠材料需滿足一系列條件。首先要求表面平整無裂縫，其次需保證有良好的通透性且漏氣率低，還需有足夠的耐久性和抗彈性變形能力。目前常用的真空密封的橡膠材料有：天然橡膠：通透性強(qiáng)但耐久性低。一般用于粗、低真空密封。丁基橡膠：透氣率很小，可用于10-5Pa。但不適宜用在超高真空中，因其會(huì)升華，從而導(dǎo)致橡膠圈密封不牢靠。丁腈橡膠：綜合性能較強(qiáng)的橡膠材料，可以廣泛適用于高真空環(huán)境。氟橡膠；是一種耐高溫、耐各種介質(zhì)的密封材料，且具有較小的擴(kuò)散速度和較大的溶解度，透氣性很小。國(guó)產(chǎn)氟橡膠26-41含氟量高達(dá)50％，耐油性、耐熱性優(yōu)良、出氣率低、允許長(zhǎng)期在200～250℃溫度下使用，在300℃下可短期使用。硅橡膠。是一種耐熱橡膠。其工作溫度范圍最寬（－100～350℃），即使在200℃高溫下也可以長(zhǎng)期使用。缺點(diǎn)是氣體滲透率較普通橡膠大數(shù)十至數(shù)百倍，線膨脹系數(shù)也比其他的橡膠大。根據(jù)聚四氟乙烯的性能：具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，與強(qiáng)酸強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化劑均不起作用，有很高的耐熱性，耐寒性，使用溫度在1800C~2500C，摩擦系數(shù)底等。所以，本設(shè)計(jì)中采用聚四氟乙烯作為絕緣材料。在本設(shè)計(jì)中，真空室為了隔絕大氣，它的各個(gè)部件的接頭處，如導(dǎo)線、觀察窗、法蘭等都要有可靠的真空密封。由于是真空鍍膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為能獲得盡可能高的真空度，其密封形式盡可能多的采用金屬密封。在鍍膜機(jī)上離子源系統(tǒng)和磁控濺射系統(tǒng)等位置須要接入電源，與真空室之間必須絕緣可靠。由于陶瓷具有耐高溫，高強(qiáng)度，高硬度，良好的電性能、熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使用溫度可達(dá)1000℃，摩擦系數(shù)低等優(yōu)良的性能，所以在本設(shè)計(jì)中，采用了陶瓷作為絕緣材料。因此在磁控濺射系統(tǒng)中有陶瓷底座。1.3.3真空鍍膜室的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鍍膜室選用強(qiáng)度高和制造工藝簡(jiǎn)單的圓形殼體，參考表2-3選出圓筒的公稱直徑、容積、內(nèi)表面積以及質(zhì)量[22]表2-3常用金屬材料力學(xué)性能對(duì)照表公稱通徑1m高的容積1m高的內(nèi)表面積壁厚/mm1m高節(jié)鋼板質(zhì)量/kg345681012144500.1591.41QUOTE344556675000.1961.51375062751001251501755500.2381.74415568826000.2831.88456075901211501802116500.3321.046581971307000.3851.2069871051401762132508000.5031.517999119159200240280 鍍膜室筒體可以按其長(zhǎng)度與直徑的不同比例劃分為長(zhǎng)筒與短桶，判別式如下： (2-1) 式中 L1——圓筒的分界長(zhǎng)度，mm；Di——圓筒體內(nèi)徑，mm；——筒體壁厚，mm；其中長(zhǎng)度超過L1的圓筒稱為長(zhǎng)圓筒，長(zhǎng)度小于L1的稱為短圓筒。根據(jù)題設(shè)條件，從上表中選擇筒直徑800mm，高度為1.4m的圓筒型真空室，且當(dāng)材料為不銹鋼時(shí)，最小可取2mm，壁厚將數(shù)據(jù)帶入上式中可得L1=22600mm，其結(jié)果遠(yuǎn)大于所選取的高度，故計(jì)算時(shí)應(yīng)該采用短圓筒公式進(jìn)行計(jì)算。真空室的計(jì)算壁厚應(yīng)滿足： (2-2)且對(duì)于所有金屬材料，若滿足條件和時(shí)，短圓筒壁厚的計(jì)算公式為： (2-3)式中 L——短圓筒長(zhǎng)，mm；Di——圓筒體內(nèi)徑，mm；E——彈性模量，MPa；p——圓筒所受外壓力，Pa；帶入數(shù)值之后計(jì)算出壁厚為10mm。在設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮真空室的水冷系統(tǒng)，故將真空室筒體設(shè)計(jì)為雙筒嵌套，以便在其中注入冷卻水，內(nèi)外筒間隔為20mm。1.3.4真空室的爐頂蓋設(shè)計(jì)在真空室的爐頂平蓋設(shè)計(jì)中，由于所計(jì)算圓筒體直徑較小，圓蓋在適用于小型圓筒體鍍膜室即圓通直徑小于1.5m的真空室時(shí)，生產(chǎn)方便且價(jià)格事宜，故鍍膜室封頭選取橢圓形封頭。壁厚h的計(jì)算公式： (2-4)式中 DB——計(jì)算容器內(nèi)徑，mm；——材料的許用應(yīng)力，MPa；hB——封頭凸出部分內(nèi)邊高度，mm；p——設(shè)計(jì)壓力，MPa；——焊縫系數(shù)，MPa；C——壁厚附加量，mm；計(jì)算得出h=6mm，為保證留有一定的工作余量，取h=10mm根據(jù)表2-4，封頭的內(nèi)表面積為0.7566m2，容積為0.0796m3。 表2-4EHA橢圓形封頭內(nèi)表面積、容積序號(hào)公稱直徑Dn/mm總深度H/mm內(nèi)表面及A/m2容積V/m316501880.50900.04227002000.58610.054537502130.66860.066348002250.75660.079858502380.84990.094669002500.94870.11131.3.5真空鍍膜室門設(shè)計(jì) 真空鍍膜室的門通常由法蘭、門板、傳動(dòng)鉸鏈、預(yù)緊機(jī)構(gòu)等組成。門板通常有凸形和平板形的。真空鍍膜室的門按其形狀分類有圓形門和矩形門兩種，其中圓形門比較常見，通常都用做標(biāo)準(zhǔn)凸形封頭的門板。門的法蘭要求精加工，且密封槽常開在簡(jiǎn)體法蘭上，在門上很少開密封槽。根據(jù)鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇圓形門，選用標(biāo)準(zhǔn)凸形封頭。圖1.5為鍍膜室門的啟閉形式。圖1.5橢圓形真空室門真空室的啟閉可以采取手動(dòng)或自動(dòng)方式。門的開和關(guān)、夾緊和放松的動(dòng)力有多種形式，如液壓、氣動(dòng)或電動(dòng)。門上的夾緊機(jī)構(gòu)的類型有絲桿螺母機(jī)構(gòu)、偏心機(jī)構(gòu)、楔形機(jī)構(gòu)等[26]。圖1.6便是絲桿螺母機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，本機(jī)設(shè)計(jì)也采取此種夾緊方案。夾緊機(jī)構(gòu)能給予密封圈一定的預(yù)壓力，其大小為0.5~0.8MPa。而抽氣后大氣壓再作用于密封圈上，密封則變得更牢靠。但當(dāng)門過大時(shí)，密封圈受的大氣壓力過大，導(dǎo)致其更易損壞。故設(shè)計(jì)密封槽時(shí)，應(yīng)考慮密封圈所受壓力不宜過大，使密封槽截面積大于密封圈，便于密封圈有較大的擴(kuò)展裕量，一般要保證有百分之三十的擴(kuò)展裕量，讓密封圈更難損壞。本次所用的為4個(gè)弓形夾M20×80。圖圖1.6絲桿螺母夾緊機(jī)構(gòu)1—螺桿2—彎臂3—鉸鏈座4—小軸5—簡(jiǎn)體6—大門7—螺桿1—螺桿2—彎臂3—鉸鏈座4—小軸5—簡(jiǎn)體6—大門7—螺桿鍍膜室門上加一觀察窗，如圖1.7，中科帥虹生產(chǎn)的