roll-to-roll磁控溅射镀膜系统设计论文

Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 1 / 30 目 录 中文 摘要 .2 英文摘要 .5 1 绪论 .6 11 真空卷绕镀膜技术及设备的现状与发展 .6 1.1.1 真空卷绕镀膜技术的应用领域 6 2 磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数 7 2.1 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程 .7 2.2 磁控溅射的工艺参数 8 2.2.1 磁控溅射的功率 8 2.2.2 磁场强度 8 2.2.3 溅射气压 8 2.2.4 基片的温度 9 3 ROLL-TO-ROLL 磁控溅射镀膜系统 .9 3.1 ROLL-TO-ROLL磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作过程 .9 3.1.1 Roll-to-Roll 磁控溅射系统的组要组成 .9 3.2 平面磁控溅射靶的类型选择 .10 4 磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则 11 4.1 设计参数 .11 4.2 磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则 .11 4.3 磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求 .11 5 ROLL-TO-ROLL 磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算 .12 5.1 真空系统的设计与计算 .12 5.1.1 真空室壳体的类型选择 .12 5.1.2 真空室壳体的计算 .12 5.1.3 抽气系统的设计与计算 .12 5.1.4 主泵的选择 .13 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 .14 5.1.6 前级泵的选择 .15 5.1.7 抽气时间的计算 .16 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 2 / 30 5.2 卷绕系统主轴的 ANSYS 分析 .17 5.3 真空室的气流速度和压强的 FLUENT 分析 21 5.3.1 气体压强分析 .22 5.3.2 气体的速度分析 24 5.4 ROLL-TO-ROLL磁控溅射系统设计 .27 致谢 29 参考文献 30 Roll-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 / 30 Abstract: 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 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 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 analysis 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 analysis. 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 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, coating Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 5 / 30 1 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 1.2-9um。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 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 / 30 2.2.1 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 / 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。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 10 / 30 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 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、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。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 11 / 30 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。 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 1L/D8，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 500500,真空室体积： ；真空室内表面积：；真空室采用=2=2502500=9.821073 材料为不锈钢 1Cr18Ni9Ti；系统极限压强： ；工作压强：Pw=1.3310-4 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 12 / 30 。Pg=2.2510-2 （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； Q2 为系统的漏气量； 查表知不锈钢一小时后出气率为 ，故不锈钢表面的q1=2.110-7./(.2） 出气量为： ；出 1=11=2.110- 71.18104=2.4810-3./ 考虑真空室内其他表面的放气量取 出 2=出 1=2.4810- 3./ 系统的漏气量： 2=/3600=1.3398.2/3600=3.6310-2./ 上式中 为压升率（国内一般取压升率为 ） ， 为真空室容积。xP1.33/V 真空室总的放气量： Q=Q1+Q2=22.4810-3+3.6310-2=4.1310-2./s （2）真空室有效抽速的确定 =/ 为真空室的有效抽速:l/s；S 为总气体量:Pa.L/s；Q 为极限压强:Pa;wP 故真空室的有效抽速 ,但为了可靠起见， =4.1310-21.3310-4=310.5/ 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： 。1=1.2=1.2310.5=373/ 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 ，并配出 =3.16/(. 2) 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373/ 泵的有效抽速是泵的抽速的 左右） ，暂选抽速为 1118L/s 的扩散泵来进行试算。1/3 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。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 13 / 30 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 、挡板阀 4 的流导 （因其工作时打开，故忽1C2C 略） 、挡板 5 的流导 串联组成如（图 5.1 所示） 。 图 4.1 高真空有扩散泵系统简图 1电离规；2真空室；3高真空管道；4高真空挡板阀；5挡板； 6扩散泵；7前级管道；8热偶规；9电磁阀；10机械泵。 确定气体管道的流动状态。真空室工作压力： ，分子泵入=2.2510-2 口压力很低，即管道出口压力可以忽略，管道平均压力： 此时 ,可见为分子流。 高真空管道的流导： （ 为克劳辛系数查表为 1， 管道截面积）即3=11.6A3=11.621=11.61021=3.6103/ 挡板阀流导：查表得：C2=1500l/s； 障板（5）的流导： 3=比 （ 比 由表 217查得： 比 =3.16/(. 2)） Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 14 / 30 =3.163.144252 =1.6103/ 串联有 1/=1/ 1+1/2+1/3 得 =637L/s 计算分子泵的抽速 pS1113769020CLss 故所选泵满足要求。 5.1.6 前级泵的选择 K-200 型扩散泵临界前级压力 为 。由抽速曲线可知，在 下，nP40a2.710Pa 扩散泵最大排气量 。在扩散泵出口2max.71/32.4/QpSLsPaLs 管道断面处要求前级泵的有效抽速不小于 11max3.40.8qnssP 扩散泵排气口直径 ，选前级管道直径为 ，长度为 ，由于管道长5656m2 可以不考虑弯角影响。 确定流动状态：扩散泵出口压力为 ，机械泵进气口压力要比 低得多，在40a40Pa 计算管道平均压力时可以忽略，故 。此时12np ，可见为粘滞流，故前级管道流导为：20.153.67pdPam443330.512(/)0.14/dCpmssLL 前级泵抽速 0.834.1/1qpSCLs 通常把增大 倍后选泵。若增大 3 倍，则为 ，可选 2X-4 型旋片式机132./ 械真空泵。 考虑到由于真空室中实际体积会因为卷绕系统的引路而减小，而没有引入卷绕 系统只需的抽速也较小。所以可以用 K-150 的扩散泵来代替 K-200 的扩散泵，而选 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 15 / 30 片泵选用 2X-4. 5.1.7 抽气时间的计算 真空系统设计中抽气时间计算公式为 0lnpVtKS 从大气压排气至 Pa 时 K 取 1310 则代入数据计算得 =56.5s；t 从 Pa 至 50Pa 时 K 取 1.5310 则代入数据计算得 =55.2s；2t 从 50Pa 至 5Pa 时 K 取 2 则代入数据计算得 =56.5s；3t 从 5Pa 抽至 Pa 时 K 取 410 则代入数据计算得 =192.1s；t 高真空抽气时间计算主要考虑材料的放气率，从 抽至 。10Pa310a 利用解析法求解： 。iegciSpQAqt 一般的不锈钢内部溶有大量的氢气，如果没有进行高真空去气处理，则热扩撒 放出的氢气是主要的，而渗透，蒸发，微漏可以不考虑，即 。不锈钢的放气0cQ 率为： ， ，总放气面积为 。1q=72.032/()Pamsc1218Am 泵对镀膜室的有效抽速为： 。3067.4/eSms 把起始压强 代入得10a ，15.4.0/t 解得 ；.87th 把起始压强 代入得4130Pa4-5.16.302.81/“t 解得 。“.6th 所以高真空抽气时间: 。“.7.639.mint h 故总的抽气时间为： 。1234inTtt Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 16 / 30 5.2 卷绕系统主轴的 ANSYS 分析 （1）建立模型 在 Solidworks 中建立溅射主辊轴的模型，并用 ANSYS 中的 File/Input 命令把 模型导入 ANASYS 中。如图 5-1。 如图 5-1 溅射冷却轴 （1）生成有限元模型 定义单元类型。选取 solid 单元，打开 Library of Element Type 对话框，在 单元库中选择 8node 185。 设定单元尺寸。在 global Element Size 对话框中选择 15-25。 定义材料属性。在 Preprofessor- Material Props-Material Models 在对话 框中选择与 Q235 材料对应的参数。 生成网络。在 Mesh 对话框中分别选择 Smart Sizing(on)-Volumes-Tet-Free, 选择模型，就没能生成网格划分后的模型。如图 4-2。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 17 / 30 如图 5-2 溅射冷却主轴有限元模型图 （3）施加载荷 约束安装轴承处的两个柱面，并施加位移约束，在键槽的一面施加相应的推 力载荷，在长度为 300mm 的圆柱上表面施加均匀分布的径向载荷。 （4）求解和后处理 选择 Solution-Solve-Current Ls 命令，开始求解。求解完成后，选择 Nodal Solu 命令打开对话框，选择当中的 Stress 和 Von Mises 项，得到等效应力图。如 图 4-3，4-4 图中用颜色的冷暖来表示应力的大小，也能直观地看出变形，根据底 下的彩色条也能确定应力的大小，单位为牛顿。不过分析出来的应力图为了更明显 的显示变形情况而将变形明显夸大了，实际的变形是很细小的。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 18 / 30 图 5-3 冷却主轴应力图 图 5-4 冷却主轴应力变形图 另外我们也可以得到该轴的位移图，如图 4-5。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 19 / 30 图 5-5 冷却主轴位移图 (5)结果分析 从 4-3、4-4 两幅图中，我们可以看到，该轴所受应力最大处为安装轴承处与 动力传动端之间的台阶处，其次为安装 V 带轮的台阶处。而安装冷却辊处所受应力 很小，或者基本不受应力。因而我们可以确保冷却辊对基体材料能够起到稳定的冷 却作用，从而我们能够得到均匀的薄膜。从图 4-5 中我们可以看到该轴位移量最大 处为连接 V 带轮端，该段位移真空室外，主要是传递动力作用。而对我们镀膜质量 很重要端，即安装冷却辊处，位移很小，可以认为为零。当我们需要度灵敏度很高 的薄膜时，要求薄膜要均匀，性能要稳定。由应力图和位移图我们可以知道，冷却 辊非常稳定，即有很好的冷却效果，摆动基本不存在，所以可以认为可以确保得到 均匀稳定的镀膜材料。而对于所受应力比较大的台阶处，我们可以采取圆锥面来替 代台阶，从而加强该轴的强度。而对于连接 V 带轮处位移变形较大的缺陷，我们将 在设计时，在端部设计一个支架，一方面可以把冷却水引路冷却辊，另一方面起到 一定程度限制该段位移变形的作用。 综上所述，我们可以知道，冷却主轴的设计能够符合我们的设计要求。由于放 卷辊和收卷辊与冷却轴具有相似的结构，但他们所受载荷比较少，我们可以认为放 卷辊和收卷辊也能符合要求，所以此处就不在对放卷辊和收卷辊做 ANSYS 分析。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 20 / 30 5.3 真空室的气流速度和压强的 FLUENT 分析 该设计中我将进气口开在不同位置,然后进行 FLUENT 分析，分析进气口位置的 不同对真空内的压强和气体流速的影响，从而找出最合适的进气口位置。如图 5- 6、5-7，分别是将进气口放在中间位置和偏离中间位置 200mm 处的网格划分。 图 5-6 进气口在中间的网格模型 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 21 / 30 图 5-7 进气口偏离中间 200mm 处的网格模型 5.3.1 气体压强分析 图 5-8、5-9 分别为不同位置的整体压强情况，图 5-11、5-11 分别为对应的剖 视图。 图 5-8 进气口在中间时的压强分布 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 22 / 30 图 5-9 进气口在旁边时的压强分布 图 5-10 进气口在中间时的压强分布剖视图 图 5-11 进气口在旁边时的压强分布剖视图 从图 5-8、5-9、5-10、5-11 四副压强图中我们可以看出，当把进气口开在中 间时，真空室所受压强最大处为进气口处的断面，其次是靠近出气口那端。而当把 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 23 / 30 进气口开在远离中间位置时，所受压强最大处为出气口处，其次为进气口处。 经过分析比较，我们有必要对进气口端和出气口端的真空壁进行加强。 5.3.2 气体的速度分析 图 5-12 进气口在中间时的气体流速图 图 5-13 进气口在中间气体流速分布图 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 24 / 30 图 5-14 进气口在中间是气体流速剖视图 图 5-15 进气口开在旁边时的整体气体流速图 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 25 / 30 图 5-16 进气口开在旁边时的气体速度分布图 图 5-17 进气口开在旁边时的气体速度的剖视图 从图 5-12、5-13、5-14、4-15、5-16、5-17 六副图中，我们可以看出，当进 气口开在中间时，气体流速从进口处到出口处速度不断减小，气流分布从中间向四 周递减。而当进气口开在旁边时，气流速度也是从进气口处到出气口处递减，而气 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 26 / 30 流分布却是在进气口处的另一端比较均匀的分布，镀膜时，我们要求的是在镀膜一 侧的气流要均匀，所以，把进气口开在旁边能够符合要求。 综上分析，通过压强分析我们知道，进气端和出气端所受压强较大，需要进行 加强处理。所以我在设计时把进气端处的壁厚加厚为 40mm,而出气端，由于，有一 挡板的阻挡作用，可以减轻压强对出气端的作用。在原始设计时就考虑了压强的作 用，所以此处可以不需要对出气端处的壁进行加厚。而通过气体速度分布我们知道， 当把进气口开在中间，会使气体流速分布不均匀，而开在旁边，可以使镀膜一侧的 气体流速较中间的更均匀，所以我将把进气口安排在旁边。 5.4 Roll-to-roll 磁控溅射系统设计 （1） 卷绕系统和溅射系统的设计 图 6-1 卷绕系统图和溅射系统示意图 本设计中的卷绕系统为主要为一个放卷辊，一个收卷辊，和一个冷却辊组成。 镀膜时基体的运动方式如图红色箭头所示，基体由放卷辊到冷却辊完成三种不同材 料的镀膜，然后被卷绕到收卷辊上，从而完成一个镀膜过程。 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 27 / 30 本设计中采用三个磁控溅射矩形靶座同时对基体进行镀膜。该镀膜方法不但避 免了由于反复装换靶材而影响已镀薄膜的性能，而且可以镀制更高性能的功能膜， 还大大的节省了镀膜时间。 (2) 冷却系统的设计 为了得到更高性能的功能薄膜，要使镀膜室温度保持在室温下，该系统需要配置冷 却系统。一下为我设计的水冷系统。图 6-2 图 6-2 水冷系统 该水冷系统最好的一面是避免与真空室直接相连，即水冷系统是独立的。该水 冷系统既实现了对基体的冷却，又不会影响真空室的真空度。 (3) 卷绕系统的装配图 Roll-to-Roll 磁控溅射系统设计 28 / 30 致谢 衷心地感谢王旭迪老师在设计过程中给我的精心指导和帮助，无论从资料的收 集还是工程图的改