毕业设计（论文）-大尺寸平板玻璃磁控溅射室与真空系统设计.doc

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25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The 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 panel display. Nowadays, magnetron sputtering coating film is the mainstream technology of vacuum coating , every year a large number of flat glass for coating. Thus,thisdesign hasveryimportantpracticalsignificance. This article introduces the process line of the plane magnetron sputtering coated 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. Feasibilitydesignof vacuum system and rackare presentedin the paper.Then drivetrain system uses the belt conveyor 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 glass product line1 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-Mag）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，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：（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Bmax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。（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流程要求，图3.1是该类生产线的典型流程图：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对原片，发现疵病有在线筛选能力。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1#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，在清洁真空室卫生方面周期长，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、O2、N2）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。图4.1 充气源装置断面图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。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 磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算5.1 真空室壳体的设计与计算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。圆筒形壳体制造容易、强度好。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。盒形壳体制造复杂，耗费金属材料多。但其内部可利用的空间大。为减少板材厚度，在盒形壳体上通常都使用了加强筋。考虑到玻璃制造时的形状以及实际应用结果，盒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盒形壳体。5.1.2 真空室壳体的计算与校核本设计采用1Cr18Ni9Ti作为真空室壳体材料，其，。为了减少盒形壳体的厚度，采用矩形截面的横向加强筋，其中。真空室长3860mm，宽2900mm，高470mm。（1）按强度极限确定许用应力（2）按屈服极限确定许用应力（3）确定最小厚度（4）确定实际厚度壁厚附加量，：钢板的最大负公差附加量，取0.5；：腐蚀裕度，取2；：封头冲压时的拉伸减薄量，取0.4。故壁厚附加量为2.9。所以实际厚度圆整为7。又因为钢板厚度中没有此规格，故取实际壁厚为8。（5）校核水压试验应力水的试验压力水的静压力总的压力当做水压试验时，矩形板的应力为：满足水压试验要求，故可取壁厚为8。（6）选取矩形截面横向加强筋，宽与高之比为，其截面模量为则其加强筋的宽度为取整为35即3.5。则其高度为即17.5。（7）计算加强筋和壁联合的截面模数加强筋截面积壁部分的截面积加强筋截面的惯性矩壁部分截面积的惯性矩由壁到联合重心的距离加强筋与壁联合作用的界面模量 （8）计算水压试验应力可见满足水压实验要求。5.2 传动系统的设计与计算5.2.1 传动方式的选择带传动是由固联于主动轴上的带轮、固联于从动轮上的带轮和紧套在两带轮上的传动带组成的。当原动机主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用17。在一般机械传动中，应用最广的是V带传动。V带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，V带只和轮槽的两个侧面接触，即以两侧为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。本生产线中采用窄V带用做主传动轴和电磁调速异步电动机之间的连接。平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。本生产线采用平带传动来连接两个相邻传动轴的转动，借以带动传动轴上面的滚抡转动。5.2.2 变频电机的确定（1）计算最终输出功率系统所镀玻璃的尺寸为，厚度为810可调，镀膜玻璃的密度为。玻璃与辊轮之间的摩擦因数为0.50.7，取0.6。则最大的摩擦力为生产线的生产节拍为30s90s，辊轮的直径取90，则最大的传输速度为因此，输出地最大功率为（2）确定电机型号由电机传动到最后一根滚轮的传动效率为其中、分别为V带传动、滚动球轴承、平带传动的传动效率。因此电动机的功率为满足条件的调速电机主要有三种：YVFZ80M1，YCT1124A，YCTD1004A。根据生产经验和应用范围，最终选用YCT1124A型电机。其功率为0.55KW，转速为1250125r/min。5.2.3 传动轴的计算与校核（1）预算最小轴径取每根轴之间的间距为350，则玻璃最少横跨10根轴，因此每根轴所提供的最大摩擦力为因此每根轴的功率为轴材料选用45号钢，则传动轴的最小直径为轴径上面有两个键槽，轴径应增大10%-15%，即为16.8。轴径最终选取为30。（2）轴的理论校核18从轴的受力方面看，轴的两轴承之间的中点面为最危险截面，因此只需校核此截面。弯扭合成强度校核计算为了简化计算，假设重力在轴上分布均匀，并且在这之外的区域也有均布。此时截面的弯矩弯矩因此轴的弯扭合成强度条件为轴满足弯扭合成强度条件。轴的刚度校核计算轴满足刚度校核条件。5.2.4 V带传动的设计与计算（1）确定计算功率（2）选择V带的带型选取A型普通V带。（3）确定带轮的基准直径并验算带速初取，则带速（4）确定中心距啊，并选择V带的基准长度初选中心距为500mm，最后算得所需基准长度为1400mm，实际中心距493.29mm。（5）验算小带轮上的包角（6）确定带的根数z由于带的速度较慢，一般要求带的根数要多一些，因此选择5根。5.2.5 轴承的配置与轴承座的选定合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置，为防止轴向窜动及轴受热膨胀后不将轴承卡死。（本溅射室温度能达200）。对于跨距较大（大于350mm）且工作温度较高的轴，其伸长量大，应采用一支点双向固定，另一支点游动的支承结构。作为固定支承的轴承，应能承受双向载荷，故内外圈在轴向都要固定。作为补偿轴的热膨胀的游动支承，若使用的是内外圈不可分离型轴承，只需固定内圈，其外圈在座孔内应可以轴向游动；若使用的是分离型的圆柱滚子轴承或滚针轴承，则内外圈都要固定，当轴向载荷较大时，作为固定的支点可以采用向心轴承组合在一起的结构；也可以采用两个角接触球轴承（或圆锥滚子轴承）“背对背”或“面对面”组合一起的结构。综合以上的考虑，本设计选用深沟球轴承，并采用一支点双向固定，另一端支点游动。对于深沟球轴承（内外圈不可分离型），对双向固定端，内外圈均要固定；而对作为补偿轴的热膨胀的游动支承，只需固定内圈，其外圈在座孔内应可轴向移动。根据轴径为30mm，查机械设计手册，可选到深沟球轴承，代号为6306。根据6306轴承选定轴承座型号为：SN306。5.2.6 轴承密封与传动轴动密封的设计（1）轴承密封装置的设计据真空设计手册上动密封形式，选用材料密封件是氟橡胶。因氟橡胶具有如下特性：具有良好的耐高温、耐油和化学稳定性。使用温度在左右，长期去气温度达，短期去气温度可达,在烘烤条件下，氟橡胶放气率也很低。（2）传动轴动密封的设计真空动密封连接结构与工作在常压下的密封结构有所不同。这种密封除了要求其结构本身有足够的强度、寿命和合理的外形尺寸等外，针对真空的特点，它还必须保证密封的可靠性。即动密封连接在长期工作中必须保证外界环境不向真空容器内漏气或使漏气维持在设计要求的范围之内。在此，采用O型橡胶密封圈结构的接触式真空动密封。O型橡胶密封圈不但能传递圆周速度不大于2m/s的旋转运动，而且还能传递真空度不高于1.310-4Pa，速度小于0.2m/s的直线运动。在这里完全符合传动与密封要求，并且技术成熟，价格低廉。5.3 平面磁控溅射靶的选择与计算5.3.1 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。图5.3.1为孪生靶安装示意图图5.3.1矩形孪生靶安装示意图5.3.2 平面磁控溅射靶水冷系统的设计与计算（1）冷却水管内径的计算本设计的溅射靶靶材的尺寸为，一般阴极设计的功率密度通常工程应用取1520。因此，溅射靶的功率为根据此设计靶的结构，水冷系统分成了四个部分，相当于计算功率为原来的四分之一，因此冷却水管内径为取管径。（2）冷却水管长度的计算溅射电压为300600V，所以溅射镀膜装置冷却水管的长度L为从靶的结构上看，冷却水管的长度一定比600mm要大，具体的长度大小要根据实际装配之间的关系来算。5.4 抽气系统的设计与计算5.4.1 选泵与配泵本系统采用分子泵和罗茨泵作为主泵，选用旋片泵作为预抽泵和前级泵。图5.4.1为抽气系统示意图。图5.4.1抽气系统示意图主泵可以利用下面的经验公式计算。式中：V镀膜室的体积，L。所以，分子泵的抽速为：选用10台抽速为3500的F400/3500型涡轮分子泵。罗茨泵的抽速可由下式算出：因此，选用ZJP70的罗茨泵作为分子泵的前级泵。通常，罗茨泵所配前级泵抽速根据经验公式计算，旋片泵的抽速为：选用2XZ15的旋片泵作为罗茨泵的前级泵及真空系统的预抽泵。5.4.2 抽气时间的计算（1）镀膜机抽气系统的气体来源真空镀膜机的镀膜室中，主要有如下几种气源：抽空前真空室、管道、阀门、阱等元件中所含有的空气；原片玻璃所放出的气体量；靶材所放出的气体；真空室内壁及室内所有构件表面因压强降低和温度升高所释放出来的气体量；从真空室外漏入到系统内的气体量。上述五项气源中，第一项对计算高真空泵而言，这部分气体主要在抽气系统预抽真空时被预抽真空泵抽走，因而它只是作为选择预抽真空泵缩短预抽时间的依据。由于各种材料的放气量不但数字差别很大，而且也不完整。因此，高真空的抽气时间的计算结果与实际就有一定的出入。（2）预抽时间计算分子泵启动前先用选片泵预抽至10Pa，预抽管道大小和选片泵进气口径一致。则选片泵从大气压抽到10Pa的抽气时间为：（2）分子泵抽气时间计算分子泵抽气范围为，抽气管道直径为200mm，管道长1000mm。由于过渡态流导的计算比较复杂，工程上允许用分子流导计算代替。这样不但计算简单而且设计偏于安全，因此可以将这个过程全部当做高真空抽气来计算。对于高真空抽气，有一些特殊的地方要考虑。这时容器中空间的气体已经大大减少了，而其他气源越来越成为主要的气体负荷。其中有：微漏，渗漏，蒸发，表面解吸。高真空领域的抽气，实际上是对伴随排气过程的变化所产生的放气流量的排除。常用的近似计算高真空抽气时间的方法有解析法和图表法。本设计采用的是解析法。真空室的主要表面放气的对象及放气率分别如下：真空室内表面： 溅射靶： 输送轴： 隔离板： 利用解析法的求解方程：分别在压强为10Pa和压强为时的时间t，二者相减可以得到高真空的抽气时间所以，总的抽气时间为23min，再加上分子泵启动时间，仍然满足要求。5.5 机架的设计与计算5.5.1 磁控溅射真空镀膜室总重估算真空室：六块钢板组成，钢的密度为7.85g/cm3，则真空室壳体总重约20724Kg；矩形靶：每个靶大约300Kg，总重600Kg；玻璃：玻璃最大尺寸为3600mm2540mm10mm，密度为2.6g/cm3，质量为241.7Kg；传动轴：每根约15.6Kg，总重为203Kg；轴承座：每个约2.1Kg，总重为54.6Kg；滚轮：每个0.5Kg，总重110.5Kg；平带轮：每个1.6Kg，总重40Kg；V带轮：大带轮2Kg。因此，磁控溅射真空镀膜室总重约为21975Kg。5.5.2 机架的结构设计机架采用槽钢构成，根据机械设计手册选择槽钢型号为10#。（10槽钢在平放时一米跨度能承受集中力为13.4KN，立放时一米跨度能承受集中力为34.1KN17），满足设计要求。图5.5.2为机架结构三维图。图5.5.2机架结构三维图5.6工艺气体的分布的分析与设计由于市场对膜层颜色的均匀性（即在整个镀膜玻璃表面上膜层厚度的平坦性）等方面的要求不断增长，溅射气体的充入就显得特别重要了。对于在纯氩气环境中进行的金属溅射工艺，只要一个气体分布系统管路就足够了（见图5.6（a）。由于在流导上存在着差异，从气体喷嘴处喷出的气体量会从中心向两端逐渐减少。不过这不会对膜层的均匀性造成影响。但对于反应溅射工艺，则必须采用一个二元的布气系统（见图5.6（b）。在这个系统中，每个喷嘴对于溅射气体的流导都是一致的，所以在整个阴极上可以得到均衡的气体的比例和数量。布气管路直接排布在阴极的一侧或两侧。（a）（b）图5.6 溅射气体分布系统 （a）单管布气系统；（b）二元管布气系统结论本设计将磁控溅射技术应用到大尺寸玻璃镀膜的研究和开发之中，设计出相应的生产装置和系统，并进行一系列的基础理论研究和成膜工艺研究以优化工艺的流程和薄膜的性能，从而提高大尺寸玻璃的成膜质量和生产效率。本文介绍了磁控溅射镀膜原理以及大尺寸磁控溅射镀膜生产线的组成与各部分作用。采用由中频电源供电的矩形平面孪生靶磁控溅射技术,从而较好的克服了靶的电弧放电问题和阳极消失问题，保证了长时间内能获得较高的沉积速率和维持稳定的镀膜状态，因而能够很好的适用于工业化大规模生产。在阐述磁控溅射技术原理的基础上