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_机电助理工程师职称论文（浅析机电技术在真空磁控溅射镀膜设备上的应用）蒋攀成都巨峰玻璃有限公司（157厂）2016年8月目录摘要11 机电技术简概22 真空磁控溅射镀膜原理及其特点22.1 真空磁控溅射镀膜原理22.2 真空磁控溅射镀膜特点23 真空磁控溅射镀膜设备33.1 机械部分33.1.1 真空室33.1.1.1 壳体33.1.1.2 真空室门33.1.1.3 真空室冷却套43.1.2 磁控溅射靶43.1.2.1 磁场强度43.1.2.2 磁场均匀性53.1.2.3 磁控溅射靶的水冷系统53.1.3 工作架53.1.3.1 摩擦传动工作架53.1.3.2 齿轮传动工作架53.1.4 充气布气系统53.1.4.1 充气布气管路63.1.4.2 充气布气的控制63.1.5 真空系统63.1.5.1 典型真空系统63.1.6 加热系统63.1.6.1 加热器63.1.6.2 测温装置63.2 控制部分73.2.1 电导入导出系统73.2.1.1 绝缘与导电性能要求73.2.1.2 密封性能要求73.2.2 电气控制系统83.2.2.1 传感器83.2.2.2 电路83.2.2.3 终端84参考文献8附图1 9精品资料摘要常言道：兵马未动，粮草先行。设备对于企业的重要性不言而喻，设备是技术研发的基础，更是批量生产的保障。真空磁控溅射镀膜设备是保障军用航空透明件镀制透明导电膜的关键，而机电技术在真空磁控溅射镀膜设备上有着众多应用。设备人员了解真空磁控溅射镀膜设备的结构及其工作方式，有助于其保养、维修以及改进；技术人员掌握真空磁控溅射镀膜设备的相关知识并综合应用，有助于减少生产成本、缩短研发周期以及提高生产效率。关键词：机电技术、真空磁控溅射技术、真空磁控溅射镀膜设备。机电助理工程师职称论文（浅析机电技术在真空磁控溅射镀膜设备上的应用）精品资料1 机电技术简概机电技术是由计算机技术、信息技术、机械技术、电子技术、控制技术、光学技术等多技术融合构成的一门独立的交叉学科。现代科技技术的发展对机电技术的发展起着巨大的推进作用，使得机电技术逐渐趋向于高精度化、高柔性化以及高智能化等。2 真空磁控溅射镀膜原理及其特点真空磁控溅射镀膜设备是在直流溅射阴极靶中增加了磁场，利用磁场的洛伦兹力束缚和延长电子在电场中的运动轨迹，导致气体分子的离化率增加，使得轰击靶材的高能离子增多和轰击被镀基片的高能电子的减少。2.1 真空磁控溅射镀膜原理在压力为10-110-2Pa的真空容器内，在两个电极间加上由高输出阻抗直流电源控制的直流电压，低压气体会产生辉光放电效应并进行离化，离化后的正离子经过电场加速入射到阴极靶材表面，入射离子与靶材中的原子（分子）和电子相互作用，击出阴极靶材的原子（分子）；击出阴极靶材的原子（分子）具有一定的能量，它们可以重新沉积凝聚在基片表面形成薄膜。而离化后的电子在磁场的洛伦兹力和电场的的电场力共同作用下，在靶表面附近以旋轮线和螺旋线的复合形式做回旋运动，使电子的运动被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子区域内，使其达到阳极的行程大大增长，从而极大程度地增加了溅射气体的离化率和溅射速率。2.2 真空磁控溅射镀膜特点工作参数有大的动态调节范围，镀膜沉积速度和厚度（镀膜区域的状态）容易控制；对磁控靶的几何形状没有设计上的限制，以保证镀膜均匀性；膜层没有液滴颗粒的问题；几乎所有金属、合金和陶瓷材料都可以制成靶材料；通过直流或射频磁控溅射，可以生成纯金属或配比精确恒定的合金镀膜，以及气体参与的金属反应膜，满足各类薄膜等多样和高精度要求。3 真空磁控溅射镀膜设备真空磁控溅射镀膜设备在机电技术上可分为机械部分以及控制部分。机械部分可分为真空镀膜室、磁控溅射靶、工作架、充气布气系统、真空系统、加热系统。控制部分可分为电导入导出系统及电气控制系统。3.1 机械部分3.1.1 真空室真空室是真空镀膜设备的核心部件，各种真空镀膜工艺必须在真空室中进行。真空室为承受外压的容器，对于不带水冷套的真空室，其内外压差的最大值相当于大气压；若镀膜室带有水冷套，其内外压差除大气压力外，还应加上水冷套冷却水的最大工作压力。因此，对真空室的材质要求是可焊性好、气密性优异。真空室可分三个部分：壳体、真空室门、真空室冷却套。3.1.1.1 壳体壳体的结构应便于加工制造和内部构件的组装，工作时应便于操作，且应具有良好的刚度稳定性，特别是在热态工作条件下，大多数镀膜设备采用圆筒形或矩形的金属焊接结构。为减小壳体的壁厚常常使用加强圈或者加强筋。3.1.1.2 真空室门真空室门通常由法兰、门板、传动铰链、预紧机构等组成。其中门板有凸形和平板形。真空室门按其形状按其形状分有圆形和矩形两种，圆形门用得较多。真空室门的开启和关闭可以用手动方式，也可采用自动方式，其开启、关闭、夹紧与放松的动力可以是液压、气动或电动，其夹紧机构的类型有丝杆螺母机构、偏心机构、楔形机构等。真空室门受大气压力影响，容易损坏密封圈，因此，密封槽的截面积要大于密封圈的截面积，且能允许密封圈变形30%。3.1.1.3 真空室冷却套真空室的冷却可以采用风冷（自然冷却），也可以采用水冷。水冷有两种形式，一种是将水管螺旋式地焊在真空室外壁，另一种是在真空室外壁加装水冷套。热负载较大时，宜采用冷却水套；热负载较小时用水管冷却；热负载再小时，可用风冷；3.1.2 磁控溅射靶在磁控溅射镀膜设备中，最重要的部件是磁控溅射靶，它是磁控溅射镀膜设备的“心脏”。阴极磁控溅射靶的特性直接与溅射工艺的稳定性和膜层的特性相关，与靶材的利用率及镀膜成本相关。阴极磁控靶的设计不仅要考虑靶面的磁场分布、工作气体分布、靶的溅射速率、沉积速率以及靶材的利用率有关，还要考虑靶源的导电、导热、磁屏蔽、冷却、密封和绝缘等诸多因素。其中电磁场的分布直接决定了等离子体的特性，需重点考虑。电磁场的分布可以从两个方面进行设计：磁场强度和磁场均匀性。同时，为保证磁控溅射靶的正常运转，必须设置相应的水冷系统。3.1.2.1 磁场强度靶磁场强度过低，会导致沉积速率降低，并且可能引起非靶材原件的溅射而污染薄膜；但如果靶磁场强度过高，尽管其初始溅射速率可以很高，但是会导致靶刻蚀形貌很窄很尖，从而导致靶的利用率迅速降低。因此，适中的靶磁场强度，既有一定的溅射速率，也能保障良好的靶材利用率。3.1.2.2 磁场均匀性总的来说，磁场在整个矩形靶面范围必须一致，不一致的磁场将引起靶材的异常刻蚀和薄膜厚度不均匀。3.1.2.3 磁控溅射靶的水冷系统靶的冷却很重要，特别是使用电流密度高的磁控靶时。对于价格适中的整体金属靶可直接用水冷却靶的背面。3.1.3 工作架工作架的作用是在真空室中夹持工件。基片的尺寸、数量、日产量，允许的卡具标记，热膨胀系数，装卡方式，热冲击阻抗，除气特性，厚度均匀性及特殊操作要求等因素决定了采用何种结构的工作架及如何旋转基片。理论上，工作架的转速越快，膜厚均匀性越好，但由于振动、惯性等因素的影响，转速过快会带来诸多不利影响，故转世应适中。在真空磁控溅射镀膜设备中常用工作架有摩擦传动工作架以及齿轮传动工作架。3.1.3.1 摩擦传动工作架摩擦传动工作架是利用摩擦的原理进行转动，其特点是：加工容易，可实现无级调速，但运转时容易丢转。3.1.3.2 齿轮传动工作架齿轮传动工作架是利用齿轮啮合的原理实现其转动，其特点是：转速恒定。3.1.4 充气布气系统充气布气系统是通过提供溅射（工作）气体以及反应气体依靠机械部件表面的碰撞和自身的扩散运动达到充气布气的均匀性，从而保证沉积膜层的均匀性和溅射沉积过程的稳定性。充气布气系统可分为：充气布气管路和充气布气的控制。3.1.4.1 充气布气管路充气布气管路有两种结构形式：喷嘴型和二元型。3.1.4.2 充气布气的控制目前普遍采用具有精度高、响应速度快、软启动稳定可靠、工作电压范围宽等特点的质量流量控制器。3.1.5 真空系统真空系统为镀膜工艺提供了接近太空的洁净环境以及辉光放电的低压条件。因其工作对象的不同，其抽气特性也有很大差别。下面简介一种普通镀膜设备用典型真空系统。3.1.5.1 典型真空系统典型真空系统只适用于没有特殊的无油清洁要求的镀膜工艺。系统的主泵为有扩散泵，泵上方设有水冷挡板（阱），主泵的前级泵为机械泵或罗茨泵机组，其结构见附图1。3.1.6 加热系统真空磁控溅射镀膜设备的加热系统是用以满足真空系统的烘烤和提供薄膜生长所需的温度条件的系统。基片的温度对薄膜的特性有很大的影响，如膜基结合力、薄膜的结晶度、薄膜晶体的择优取向、薄膜的内应力、导电薄膜的面电阻值等。加热系统可分为加热器和测温装置。3.1.6.1 加热器通常基片加热可采用加热罩加热工件架或采用加热基片底座的方式，利用辐射传递来对基片进行烘烤加热。3.1.6.2 测温装置为测量和控制加热烘烤温度，在真空磁控溅射镀膜设备必须设置测温和控温装置。测温方式分为非接触式测温和接触式测温；非接触式测温一般采用热电偶作为测温元件，因为是非接触式测量，其温度偏差自然较高；接触式测温与被测物体接触良好，其测温精度高，响应快。3.2 控制部分3.2.1 电导入导出系统在真空磁控溅射镀膜设备上，必须向真空室导入电能或导出电信号。向真空室导入电能可以为磁控溅射靶和加热系统提供电源，电信号的引出可以获得真空室当前真空度及温度信号。电导入导出系统有绝缘性能、导电性能、密封性能等要求。电导入导出的结构形式根据镀膜工艺参数的不同而不同。3.2.1.1 绝缘与导电性能要求 导入导出电极及其接线的截面积应根据通过电流及所选材料来确定； 导入导出电极必须与连接密封处绝缘，绝缘材料应根据导入导出电极的工作电压的大小、工作温度和影响等因素进行选择。 应避免各种金属材料溅射到导入导出的绝缘材料上，以避免造成漏电、短路、放电等问题。 导入导出电源频率对电极及密封材料无影响。 温度对其绝缘性能、导电性能影响不大。3.2.1.2 密封性能要求 采用真空橡胶密封结构的导入导出电极装置，如果通过的电流很大，则产生的热量可能会使密封材料失效。此时，应采用水冷设施。 为保证真空密封可靠，导电电极棒应较高的精度和较小的表面粗糙度。 真空室内的引电装置尽可能可拆卸的连接密封，这样便于维修。 高真空系统的导入导出线能承受450高温烘烤。3.2.1.3 结构形式要求电导入导出系统结构形式与工艺参数中的工作电压、电流、频率、温度以及工作气压等条件有关。3.2.2 电气控制系统电气控制系统是真空磁控溅射镀膜的“神经中枢”，它通过模拟电路、数模转换电路以及数字电路处理对电导入导出系统导出的电信号，并实现工艺参数的控制。电气控制系统有:传感器、电路、操作及显示面板。3.2.2.1 传感器传感器是能将某一物理量转换与之有确定对于关系的电量输出的器件。它在真空磁控溅射镀膜设备有许多应用。真空度：电阻规和电离规，温度：热电偶或者电阻片，工作气体及反应气体的流量：流量计，溅射电压及电流：电压表和电流表，工作架转速：转速传感器，镀膜时间：计时器等。3.2.2.2 电路电路的作用，将传感器测量出的电压或电流信号经过滤波、放大、整流、模数转换后作用于PLC的输入端，再经过PLC内部程序（如：比较测量信号与设定信号的差值，做出相应调整或根据操作面板上的按钮控制相应的系统动作），由PLC的输出端作用于真空磁控溅射设备的分系统或者输出设备（显示面板）上。3.2.2.3 操作及显示面板操作面板实际是一种输入设备、而显示设备是一种输出设备。通常，我们可以通过操作面板来调节显示面板上的参数。但我相信，在将来，机电技术趋向于高度智能化，我们不必调节操作面板便能得到与预设参数一致的工艺参数，从而保证工件生产效率、膜层的均匀性、面电阻的高精度以及工艺的稳定性。4参考文献1张以忱.真空镀膜设备M.北京：冶金工业出版社.20092张以忱.等.真空镀膜技术M.北京：冶金工