真空镀膜机

第一章真空镀膜机工架系统设计
1.1研究目的及意义
1.1.1研究目的
随着人们生活水平的不断提高，越来越多的镀膜产品被广泛的应用，而与之相应的真空镀膜设备的制造也在镀膜技术的提升中变得愈加的重要。

现在大部分的真空镀膜机仅能镀制一种膜，但是在实际工程中，有时需对同一工件或样品镀制两种不同的膜，重复定位会产生定位误差，使产品所镀的膜不均匀，这主要是由于镀膜机的工件架设计存在一定不足所造成的。

本文将对于真空镀膜的工架系统设计进行研究，了解现有真空镀膜机工架系统设计的优点与不足。

全面了解现状，了解真空镀膜机工架系统设计的发展与应用状况、熟知真空镀膜机工架系统设计的基本类型与特征，并在研究的基础之上提出合适观点。

1.1.2研究意义
本文是对真空镀膜机的工件架子系统进行了设计与分析，以半球型或半球壳型工件或样品为研究对象，采用三点支撑、升降换位以及样品自转的方式，使半球型或半球壳型工件或样品进行完全镀膜，确保工件或样品无漏镀现象。

采用导轨装置使工件架平移至镀制第二种膜的位置，进行再次镀膜，可以实现对同一工件或样品镀制两种不同的膜，不仅避免了二次定位所产生的偏差与再次定位的繁琐，而且减少了二次定位给操作人员带来的安全方面的危险。

运用solidworks 三维设计软件，对磁控溅射离子镀膜机的工件架系统的自转升降部分和平移部分进行了仿真装配与模拟运动，对装配和运动的零部件进行了动态的干涉检查，增加了设计的精确性，减少了生产成本与生产周期。

1.2真空镀膜设备的应用
真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法，其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。

电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点。

电子束加热上利用聚焦电子束直接对被轰击材料加热，电子束的动能变成热能，使材料蒸发。

激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研究性实验室中使用。

溅射技术与真空蒸发技术有所不同。

“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或分子从表面射出的现象。

射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。

用于轰击靶的溅射粒子可以是电子，离子或中性粒子，因为离子在电场下易于加速获得所需要动能，因此大都采用离子作为轰击粒子。

溅射过程建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。

不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。

直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。

离子溅射镀膜机已经被广泛的运用于半导体集成电路、太阳能光伏、显示器、LED、触摸屏、化工及医药制造等行业中,因此,离子溅射镀膜机对我国制造行业的发展具有重要作用。

本文从磁控溅射离子镀膜机的优点入手,对磁控溅射离子镀膜机工件架系统设计进行研究。

1.3国内外研究的概况
随着我国制造行业的快速发展，真空镀膜中常用的方法有真空蒸发和离子溅射。

真空蒸发镀膜是在真空度不低于10-2Pa的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发或升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。

离子溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场的作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀工件的表面，形成所需要的薄膜。

此外，将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。

这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，膜的密度高。

对于现有的几种镀膜方法做出合理的了解。

在原有的基础上做出创新与改进，并提出远见性话题。

真空镀膜技术是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多高新技术发展必不可少的手段。

真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景，特别是在制造大规模集成电路的电学膜;数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜:在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜;在计算机显示用的感光膜:在TFT，PDP平面显示器上的导电膜和增透膜:在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和装饰膜;在包装领域用防护膜、阻隔膜;在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜，在工、模具上应用的耐磨超硬膜:在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是真空镀膜技术及设备在!“泛应用的基础上得到的不断发展的领域。

从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年代开始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80 90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。

但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司的强有力的竞争和挑战，这种竞争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的其它成员国--样,在同等条件下参与整个世界市场的竞争。

但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性。

优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。

从目前真空镀膜设备的市场发展现状来看，国外许多实力雄厚的真空镀膜设备生产商已在中国成立了许多合资或独资的加工企业，井将一些新的真空镀膜工艺技术和产品移植到这些企业中来。

因此我国真空镀膜设备在今后三到五年内的主要市场除了国内的企业外，外商投资企业也是设备需求新的增长点。

真空镀膜工艺技术的不断发展，也推动了真空镀膜设备的不断更新，真可谓是一代工艺、一代设备，而各类新的真空镀膜设备的出现，又为先进、复杂的工艺应
用于工业化生产提供了可靠的保证。

以下将从真空镀膜设备的几个主要应用领城，简述国内外真空镀膜应用技术及设备的基本现状及主要差距。

在光学应用领域。

真空镀膜技术在光学领域的应用近年来是发展得非常快的。

在各种光学零件的光学镀膜方面，主要是利用传统的电阻蒸发、电子束蒸发、低压等离子辅助镀膜、磁控溅射的方法来制备各种具有光学特性的镜片和棱镜，在有机或无机材料上镀宽带增透膜、红外膜、激光膜、冷光反射膜、热保护滤光片、宽带干涉光片、硬质增透膜等光学薄膜。

平面玻璃镀膜也是大面积光学镀膜应用的一种，它主要是利用高速磁控溅射技术在大面积的玻璃表面镀制膜层厚度均匀，并且具有各种光学特性的薄膜，如高透明度、色泽中性、低辐射率(Low-E)薄膜;低辐射率与太阳能控制(Low-Esun or sunbelt Low-E)的组合特性薄膜;具有各种透光特性和反射不同色彩的阳光保护膜(solar control); 用于汽车玻璃的透明、导电、防热辐射膜;用于TFT、PDP平板显示技术的透明导电膜和防护膜:用于光通讯方面的DWDM特性膜，用于背投电视的反射成像膜层等。

完成以上各种光学薄膜制备的设备是多种多样的，主要是箱式真空镀膜机、隧道式连续磁控溅射台等。

目前国内外这类设备的主要生产厂家有:
2.国内主要厂家
与国外厂家同类设备相比，我国生产的设备主要的差距在于:
1.设备的自动化程度低，光学膜镀层控制精度低，达不到自动控制的要求;
2.设备的可靠性较差，电气控制以手动为主，全自动控制较少;
3.设备的研发落后于镀膜工艺技术的发展和市场的需求。

与国外厂家同类设备相比，我国生产的设备主要的差距在于:1.设备的自动化程度低，镀层控制精度低;
4.设备的可靠性低，生产效率低;设备的结构形式落后，生产成本高。

发展国内真空镀膜设备需要更深的思考，真空镀膜设备的研制、技术水平与国外厂家设备的差距，观念上的差距创新意识不够。

国内真空镀膜设备的生产厂家，主要考虑的是国内的中、低端市场，常常受用户给出的低价格所迫，以牺牲设备的性能和可靠性来贏得市场，而生产厂家也缺乏对设备研制的能付诸于实施的中长期规划。

这样就使得对新技术、新工艺的应用迫切性降低，而给国外厂家创造了进入中国市场的大好机会。

国内厂家从观念上不是尽可能的利用新技术、新工艺研制出市场发展需要的优质、高可靠的新一代设备，用新技术、新工艺、新设备去引导市场需求的发展方向，而是被市场的某- -些临时需求所左右，其结果就是设备制造的技术水平与国外同类设备的差距不断加大，虽然能以低价格的设备参与竞争，但最终结果却是镀膜的产品质量不高(如对CR-39树脂眼镜片的镀制)。

规模和投入上的差距规模和投入的基础较为薄弱。

目前国内的生产厂商以中、小规模居多，规模小，综合实力低，就算年产值达到6000 万元人民币的企业，其产值也仅是国外同等规模企业的1/ 15-1/ 20。

由于大多数企业以国有资产为主，普遍经济效益不高，对新产品新技术的研制都存在投入较少的问题，这使企业的发展后劲不足。

如何增加国内企业的创新实力，是我们目前面临着的一个急待解决的问题.
在新技术、新工艺的转换应用上的差距国内一些企业为适应市场的激烈竞争的环境，容易产生短期行为，造成产品低水平，以低价格竞争，加上某些厂产品自我开发能力不足，其产品设计就是低水平的抄袭，产品生产也是低水平的重复。

生产厂家同大学和研究单位的新技术新工艺的转换应用上结合不紧密，使得有些在我国己研制出的新技术新工艺得不到有效、及时的转换和应用。

另一方面企业不能正确预测产品的发展方向，提不出产品更新换代的思路，有的能预测却拿不出用于研制的投入资金，使得一些大学和研究单位即使有能力参与也使不上劲。

产品质量上的差距由于国内的整体配套更新较慢，加工设备较差，加工手段不先进，造成产品的一致性差，产品质量在许多方面低于国外同类产品的水平。

有一-些能提高产品质量的手段和方法，也因为要降低产品成本的原因和一些较为落后的生产工艺方式而无法得以应用。

产品的整体设计质量也低于国外公司的技术水平。

由于我国现在大多数真空镀膜设备的自动化操作水平低，都不随设备提供工艺技术，所以利用这些产品生产出的最终镀膜产品的质量是由用户的操作水平来作决定，而不是设备的性能就能决定产品的质量。

但是，中国真空镀膜设备的发展和应用也是有相对的优势。

资源上的优势我国有近20多个有- -定规模的真空镀膜设备的研制和生产厂家，并都拥有一-支有一定技术水平和研发能力的技术队伍和销售网络，从真空行业的组织机构来看，有中国通用机械真空设备行业协会和中国真空学会的组织、协调和指导，体系是健全的，整个真空行业是有凝聚力的。

从全行业的研制生产规模和从业人数上来看都是具有-定优势的。

市场上的优势随着中国进入WTO以后，中国将逐步成为世界最大工业产品的
加工基地，中国范围内就有巨大的市场发展空间，同时中国国内的真空镀膜设备，由于价格上的优势，也正将市场扩大到泰国、新加坡、印度、马来西亚等亚洲发展中国家。

因此，中国的真空镀膜设备的市场销售潜力是巨大的(国产真空镀膜设备的销售额在2亿多人民币，而进口的真空镀膜设备的销售总额在30亿人民币以上)。

研制和制造成本的优势国内的主要真空镀膜设备生产企业，同国外厂家相比都具备低的人工成本和低的加工设备和工作场地的租金成本(或资产占用费)。

这也许是国外许多同类企业无法比拟的优势，同时也是中国成为世界制造业的最大的加工基地的必要条件之一。

1.4本章小结
最后，利用有限元理论和ANSYS有限元软件，对真空磁控溅射离子镀膜机的镀膜室壳体在200℃环境下，进行了静力分析与研究。

对镀膜室壳体进行有限元建模、网格划分、施加一定量的载荷，对其结构的稳定性和安全可靠性进行验证，通过对计算结果的分析和研究，并结合镀膜室壳体的实际工作情况，提出了对镀膜室壳体的结构改进设计，改进设计后的镀膜室壳体在稳定性和可靠性方面有明显提高，完全满足工程实际需要。

高真空镀膜机,镀膜机是目前制作真空条件应用最为广泛的设备.其相关组成及各部件：机械泵、增压泵、油扩散泵、冷凝泵、真空测量系统。

此外，将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。

这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，膜的密度高。

溅射比蒸镀和工作真空低一个数量级,所以膜层的含气量要比蒸镀高.蒸镀不适用于高溶点材料,如钼,钨,~~等.因为溶点高,蒸发太慢,而溅射的速度比蒸镀快很多.溅射不适用于低硬度材料,如非金属材料.溅射不适用于非导电材料.蒸镀不能控制厚度,而溅射可以用时间控制厚度.蒸镀不适应大规模的生产.蒸镀的电子动能比溅射小很多,虽然含气量少,但是膜层易脱落,溅射的膜均匀,蒸镀的膜中心点厚,四周薄.在国内蒸镀工艺比溅射工艺成熟.当然还有很多,一会也说不完.就看你主要想知道什么。

第二章真空镀膜机工件架系统方案分析
2.1真空镀膜机工架系统设计的基本参数
,W6m*L6m,W6m*L8m,
其他技术参数水压》=0.2Mpa,水温《=25℃，气压
0.5-0.8Mpa
备注镀膜设备的具体配置可根据客户的镀
膜产品工艺要求进行设计。

2.2支撑点的换位和自转设计
真空室(镀膜室)构造。

由钟罩、蒸发器、挡板、轰击棒支架、烘烤炉等组成。

如图 5
所示。

钟罩和底板组成一个密封的真空室 ,在室内能进行各种操作 ,蒸发器由加热电极和蒸发源两部分组成 ,蒸发源有由钨丝绕成的螺旋状形式。

蒸发源上面的挡板可转动。

它能挡住一些奔向镀件的杂质蒸汽分子。

放置镀件的支架可以转动 ,以便镀上均匀的膜层。

图5 :镀膜室
11 轰击棒;21 烘烤炉;31 烘烤电极及插头;41 工件架;
51 蒸发档板;61 范发源;71 蒸发电极
维护。

在降钟罩的过程中,要保证钟罩边沿的密闭性。

如果需要在真空镀膜机处于工作状态时升钟罩 ,那么 ,首先要使钟罩与其它系统隔离(即高阀与予抽阀处于关闭状态) ,然后慢慢打开放气阀 ,最后才可升钟罩。

如果钟罩升起后 ,需要降钟罩 ,再次对钟罩进行抽气时 ,首先要关闭放气阀 ,再慢慢打开予抽蝶阀 ,高阀仍处于原来的状态(关闭状态) 。

2.3工件平移部件的方案确定
真空镀膜机的构成，真空镀膜机由三部分组成( 见图 1) : 抽真空系统、电气系
统和镀膜室 ,其中抽真空系统包括机械泵和油扩散泵两部分。

图1 :真空镀膜机结构
11 真空室;21 热偶计规管;31 放气阀;41 予抽蝶阀;51 扩散泵出口阀;61 电离规管;71 高阀;
81油扩散泵;91 储气筒;101 机械泵
下面将主要通过镀膜机的抽真空系统、镀膜室以及用来测量真空度的复合
真空计三部分讨论真空镀膜机的工作原理及其具体操作维护。

抽真空前准备工作:保证循环水的畅通;保证放气阀处于关闭状态;检查电路 ,保证真空室升降器是否需要加油以保证其正常升降。

油扩散泵(次级泵)原理。

其原理是利用高速定向运动的油蒸气使气体分子获得
定向移动的动能。

在图 4 中给出了油扩散泵的结构图。

油槽中的扩散泵油(硅油)
在真空中加热到沸腾时 ,产生的油蒸气流沿导流管上升 ,在经过各级喷嘴向下
高速喷出 ,随着喷嘴处低压区的形成 ,进气口处的气体分子便进入泵体内 ,并
且自上而下作定向流动 ,经排气口进入储气桶压缩存储 ,此后被前级泵(机械泵)
抽走 , 油蒸气则遇到水冷的扩散泵管壁后被冷凝凝结 ,回入泵体底部的油槽 ,重新被加热 ,如此循环工作 ,实现连续抽气 ,所以泵壁外有一段冷凝水管 ,从
而达到抽高真空目的。

图4 :油扩散泵的结构
维护。

泵油具有蒸气压很低的特点 ,属高分子化合物 ,氧化变质后的泵油因由分子发生裂变 ,蒸气压升高 ,这将严重影响泵的极限真空度。

在排气口处的压强维持在 1～0. 1Pa ,扩散泵的极限真空度可达 6. 67 ×10 - 4Pa 。

所以 ,油扩散泵的操作维护 ,在整个真空镀膜实验过程中 ,是至关重要的。

具体如下 :必须在前级泵(机械泵) 达到一定的压强(0. 1Pa) 后才能加热泵
油 , 使扩散泵工作; 在加热泵油之前; 必须先开冷却水 ,否则泵油的蒸气将沾污整个真空系统; 必须保证冷却水不能中断。