真空镀膜-第二讲(共六讲)课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二讲 真空镀膜 设备性能及其匹配,一,.,凡是真空镀膜设备 都由以下配置组成,真空系统,-,机械泵（罗茨泵）,+,油扩散泵 无油泵组（分子泵 冷凝泵 钛扩散吸附泵）,+,管道阀门冷阱,+,真空室,+,冷却系统,+,真空测量,低真空的获得,获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为1.331.3310,-2,Pa，,抽气速率与转速及空腔体积,V,的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。,旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达带动的，定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。,当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。,高真空的获得,目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（1.330.133,Pa）。,油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.3310,-5,1.3310,-7,Pa。,抽气速率与结构有关，每秒几升几百升不等。,油扩散泵的结构如示意图,真空中可近似地看作是没有气体“污染”的空间，因为真空中气体分子密度很低，被镀膜料的分子被气体分子撞碰的机会很低，在自由程以内才被镀在基片上成膜。,目的：为了获得,一定的真空环境,真空度单位和区域划分,真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托”(,Torr,),作为测量真空度的单位。国际单位制(,SI),中规定压力的单位为帕(,Pa)。,我国采用,SI,规定。,1标准大气压(1,atm)1.01310,5,Pa(,帕),1,Torr1/760atm1mmHg,1Torr133Pa,我国真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。,粗真空,低真空,高真空,超高真空,极高真空,分为热阻蒸发，蒸发低温材料如金属，,ZnS,等。,电子枪蒸发,蒸高温材料,高频感应蒸发,电弧加热蒸发,磁控溅射蒸发,激光加热蒸发等几种,还有离子镀,蒸发系统,每种蒸发手段均包括：蒸发器,+,电源控制系统（高压电源、灭弧系统、灯丝电源、束斑偏转扫描电源）,膜厚和蒸发速率控制系统,各类光学膜厚控制仪,石英晶体监控仪,IC/5,MD-360C,FTM-B,由微机控制的自动控制系统,（,4,）蒸发辅助系统 （工艺条件）,A-,基片转动系统,B-,基片支架和均匀性修正挡板系统,C-,基片加热系统,D-,离子辅助蒸发系统和等离子体源,E-,真空测量、充气、压强控制系统,F-,水汽捕集系统（,Polycold,),G-,水冷却系统,H-,供气恒压系统,M-,电、气、水报警制动系统,N-,离子轰击系统（有离子源配置时则免配）,C-,基片加热系统,D-,离子辅助蒸发系统和等离子体源,G-,水冷却系统,（,5,）整机的电气与自动化控制系统,PLC,程控真空系统、基底加热和转动,晶控仪与电子枪、挡板的联动控制,整机的全自动化,2,总的要求：,具有高性能，可操作性好，高稳定和高效率，适合高品质薄膜的规模化生产及其试验。其中高效率生产是主要目的之一。,高效率生产：高效益，设备的稳定性和好工艺，低成本（人工，材料耗材等）,3,分类,分为通用设备和专用设备两种，前者配置齐全，价位较高；后者不要求齐全，但必须有针对性的齐备配置，价位相对较低 。,如日本“光弛”公司的,OTFC-1100DB,型镀膜机为一种通用型的高档光学镀膜设备。适合大面积制备各种光学膜。,如日本“光弛”公司的,NBPF-2,型镀膜机为制备光通信业,DWDM,干涉滤光片的专用镀膜机，工件面积只有,250mm,，配备光控,+,晶控，,EB,2+RF,源，基板,1500r/m,高速旋转，并精确温控，中心波长的不均匀性,12,小时，中间不能间断。,前者价位,65,万,$,/,台。后者,100,万,$,/,台。,再如韩国“韩一”和“因泰克”两家生产的镀膜机大都是用晶控实现自动化生产的专用设备，每台,30,万,$,/,台套价位。,再如德国“莱宝公司”的,HEL10S,磁控溅射镀膜机和日本“新科隆公司”的,RAS,磁控溅射镀膜机是最新研制出用于大面积生产光学薄膜的专用机，可制备出膜层结构致密，牢固，无漂移的高品质薄膜，而且效率非常高，打破了溅射机产量低的局限。,这两种溅射机价位为,120160,万,$,/,台套。,Radical Assisted Sputtering,RAS-1100 SHINCRON,4,主要配置可归为以下：,1,）真空性能：高抽速，低漏气率，稳定的低压强（离子源所需一定的气流量和低压强）,选材和加工,+,密封性好。,2,）光控,+,晶控,精确的监控（方法，标定，精度和稳定性）。,3,）高性能电子枪,+,可记忆,X-Y,扫描控制机,-,不打坑的稳定蒸发。,4,）冷水机（,+1822,）或,POLYCOLD,冷阱（,-160,）,-,防返油，提高抽速，抽水份。,5,）稳定性能高的离子源,-,长时间的稳定输出离子束流。,6,）气体流量控制仪（压强度,+,流量计）。,7,）基板工件架的平稳转动系统及其夹具方式。,室外电机和转动系统传动，磁流体密封,转速无机变速,上下左右摆动,1mm,（托盘可调，仿光弛结构，成都维特公司）,8,）基板均匀加热（,PID,三路可调）,关键是用金属针式表面温度计测量,9,）自动化控制,PLC,程控,+,微机,-,人机对话（,OPTORON,将膜系设计参数结果自动输入自控系统减少失误）,强调的几个具体问题,一,.,关于防止扩散泵返油问题,1.,选择优质的油扩散泵,目前沈阳泵,2.,采用有效的冷阱,迈斯钠挡板,（双人字形,+,低温冷却）,3.,大型镀膜机采用有效的高真空抽气组合,低温冷却挡板（冷阱）,+,油扩散泵,有效、低价、容易维护,二,.,关于工件架形式的选择,工件架有几种,1.,平板式,-,适合大平面基片，如反射镜、保护镜、滤光片,2.,不同半径的圆帽式,-,适合曲率半径较大的工件且量大。,3.,三片或四片式圆帽夹具,-,同上，易装卸,4.,自转,+,公转,=,行星式夹具,-,适合对膜厚均匀性要求严格的工件,-,以牺牲装载量为代价,5.,下传动塔式工件架,-,比圆帽式均匀，装载量提高近一倍,三,.,关于晶体监控问题,石英晶体监控即微量平衡法，天平法（,QCM,），是最直接、最简单的膜厚监控方法。它可以精确的控制速率。并通过,PLC,驱动挡板，与系统软件（控制）相连则可实现镀膜整个过程的监控。,如,MD-360C,，同电子枪转动联动，控制蒸发速率，,SiO2-,0.5A/s,TiO2- 0.1A/s,驱动蒸发挡板的开闭，很自如，可镀多层膜，,IR-cut,。但是其精度有限。,原因：,1.,监控的膜层质量、几何厚度,d,、而不是膜层的光学厚度,nd,。,2.,在低温下稳定，受高温时晶体很敏感，长时间加热环境下，会给膜层带来较大误差。,光学监控是最精确（直观）监控膜厚的方法,其膜厚可直控或间控,但对放大器提供的高压电源和灯丝电源有严格要求,最佳的匹配方法,用晶体监控蒸发速率为主，监控超薄层,用高精度光控仪监控膜厚,-,日本和韩国的高精度光学镀膜机均用此方法,-,最复杂的设备还配有宽波段光学监控仪，可以对镀膜情况进行实时监控、实时评定，如果出现误差，可对剩余膜层重新优化设计，使膜系恢复到误差前的水平。,四,.,膜层均匀性问题,-,大镀膜机、大批量生产必须首选解决的问题,膜厚监控只是真空室里单点的膜层厚度，一般是工件架的中心位置。而远离中心的基片是无法均匀厚度的。,施加修正挡板可以获得一定的均匀性，但需要多次修正，而且不能保证一致性，其主要原因是来自电子枪蒸发特性的不稳定性和蒸发材料的不同。,蒸发特性的不稳定性主要是：束流不稳、扫描不稳、束斑打坑、蒸发角度变化。,必须选择一组高性能的电子枪,五,.,介绍北京,SP1500,镀膜机技术协议书,一 真空指标,1,测试条件：所有测试都是在洁净的真空室和装有干净的挡板条件下。,2,测试方式：,a,在乙方工厂现场验收作为第一次真空指标测试。,b,设备到公司后，安装调试完毕后进行第二次真空指标测试。,c,设备运行一个月后，在设备进行彻底清洁保养后，进行第三次真空指标测试。,3,极限真空：,a,真空室的极限压力在有深冷的情况下，,12,小时内达到,810,-5,Pa,。,b,真空室的极限压力在没有深冷的情况下，,12,小时内达到,310,-4,Pa,。,4,抽速：,a,在没有深冷，不开加热的情况下大气到,510,-3,Pa,时间小于,15,分钟。,b,在没有深冷，开加热到,200,的情况下，经过三次以上加热抽空过程以后，再进行测试时，大气到,510,-3,Pa,时间小于,25,分钟。,c,在有深冷，不开加热的情况下大气到,510,-3,Pa,时间小于,10,分钟。,d,在有深冷，开加热到,200,的情况下，经过三次以上加热抽空过程以后，再进行测试时，大气到,510,-3,Pa,时间小于,15,分钟。,5,升压率：不开加热，无深冷的情况下，从,210,-3,Pa,到,110,-1,Pa,时间大于,20,分钟。,二 工艺指标,1,镀制反蓝滤光片，连续镀制,3,次。,50%,透过率截止波长定位精度为,500nm 5nm,（罩内均匀性和每次镀膜之间一致性的综合指标），通带（,520nm-650nm),平均透过率大于,90%,，最低透过率大于,88%,。所用基材为,GE,公司,HP92S PC,基片，镀制上述膜系，之后用,100,沸水煮,5,分钟后划百格，,3M,胶带测附着力无任何脱膜情况。,2,使用甲方提供的,PET,贴膜钢化玻璃（冲击高度平均,50cm,以上）镀制,C,款产品，镀贴膜面连续,5,次，每次,20,片样片满足；冲击高度平均,40cm,以上；,100,沸水煮,5,分钟后划百格再取,5,片用,3M,胶带测试无任何脱膜情况；光谱符合,C,款产品的要求。,3,在玻璃基材上镀制,IR-CUT,，连续两炉。,420-620nm,平均透过率大于,92%,，,最低透过率大于,88%,。,50%,透过率截止波长定位精度为,650nm 5nm,。,700nm-1000nm,平均透过率小于,2%,，最大透过率小于,3%,。,用,100,沸水煮,5,分钟后划百格，,3M,胶带测试附着力无任何脱膜情况。,三 机器配置,1,真空抽气系统,a,两台,2X-70,南光旋片泵做主泵，一台,2X-15,南光做维持泵。,b,两台兰州,KT-600,扩散泵。,c,一台,ZJP-600,浙江真空罗茨泵。,d,深冷：真空室外管道的回口温度在开制冷状态下,10,分钟内达到,-120,以下，两路输出。,e,装有预抽阀，防止湍流。,f,真空管道和阀门使用,SUS304,不锈钢。两个前级阀门,KF-100,，高阀使用,600mm,两位一体。,g,保证扩散泵不返油，真空室和真空过渡室不受油气污染。扩散泵口加装氟利昂冷阱和深冷冷阱。,h,前级管道留有两个,KF25,接口。,2,工件转动和夹具系统,a,转架上置式，电机主轴在真空室外顶部。,b,球型夹具可分为四块，独立拆卸，两套厚度为,3mm,左右的不锈钢夹具,c,转架尺寸待定，尺寸附图纸。工件架尺寸不能小于,1400mm,。,d,上下左右位移小于, 2mm,。,e,转动,325,转,/,分钟，无极变速可调。,3,加热烘烤,a,最高温度,300,，恒温精度,5,，采用加热器上烘烤，进口数显温控表，,PID,调节。,b,夹具表面烘烤温度均匀，温度差不超过,5,，夹具表面温度与设定值小于,10,。,4,冷却水系统,a,有总水压报警器并显示压力，有机械泵罗茨泵组、每个扩散泵、电子枪、离子源、晶控、大门真空室、低温捕集泵、蒸发舟等需要冷却水冷却的部分有各自的水流开关和手阀，并预留足够进出水口。,b,有冷水截止阀，在开门后，真空室，离子源，电子枪，晶控自断冷水。,5,操作控制,a,采用,PLC,工业电脑组态软体通讯进行控制。,b,在人机界面上实现以下模式的全部控制：,1,）维护操作模式，无保护无条件。,2,）手动操作模式，可分别控制各阀门、泵、电子枪、离子源、流量计、压电阀等各个部件。,6.,整机,a.,所有密封圈使用氟橡胶，耐高温。,b.,真空室、过渡真空室、高阀扩散泵介面室、初抽、预抽管道、螺丝等均要不锈刚,304,材料制造，其他非不锈钢件的使用需要甲方认可。,c.,水管、气管接头全部使用快速连接、方便安装、拆卸。,7.,电子束蒸发系统,a.,电子枪可试用实力源提供,e,型磁偏转,270,的电子枪，如果效果不好，实力源公司立刻换成中方盖德,EEG-10C,型的,e,型磁偏转,270,电子枪，相关费用由实力源公司承担。功率,10KW,加速电压,6KV,、,8KV,、,10KV,三挡切换。束流,0-1A,可调，,XY,方向扫描，针对每个坩埚可各自设定、记忆。预置扫描幅度，配手持遥控盒。坩埚为,180mm,六位坩埚，带回零位功能，坩埚定位精度,0.5,度，另外预留,2,个电子枪安装位置。,b.,电子枪单枪单电源，最大蒸发速率,TiO2,大于,10,埃,/,秒，,SiO2,大于,40,埃,/,秒，束流稳定性,TiO23mA,。二氧化钛沉积速率偏差小于,0.1,埃,/,秒，二氧化硅沉积速率偏差小于,0.5,埃,/,秒。,c.,电子枪灯丝枪头备用一套，坩埚备用,2,套。,8,离子源,a.,大功率离子源，额定阳极电压,150V,，额定阳极电流,100A,。,b.,额定功率下可连续稳定工作,10,小时以上，阳极电流波动在,5%,内。,9,膜厚控制,a.MDC360C(,双探头,),高温型石英晶体膜厚仪，晶体探头从上往下安装，探头高度与监控片一致。,b.,光控系统待定。,六,.,如何使用好镀膜机,1,工艺人员和设备维护人员要各负其责互相支持、互相理解,-,目标只有一个,-,让镀膜机发挥最大的生产能力，把产品做好。,2,要有敬业精神，有作好工作的决心，努力工作；,3,要认真看好设备使用说明书，了解每个单元设备性能,4,建立好工艺操作程序，加强责任心，不误操作，并认真分析每个结果。,5,按工艺调节好参数。,怎样验收镀膜机？,现在以北京镀膜机为例：,1,检查外观，水，气，电路检查，报警系统。,2,配置到位齐全。,3,真空系统：抽速，极限，漏气率（升压率）。,4,工件架转动系统。,5,基板加热及其均匀性。,6,电子枪系统，离子源系统。,7,蒸发系统联动（包括晶体膜厚监控）。,8,按协议验收工艺制作是否达标。,9,至少两次验收,10,每次厂家验收后提出改进条款，把不足留在厂内改进。,11,厂家验收后，现场做好安装条件设备。,