CN101886253B

CN101886253B - 潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机

Info

Publication number: CN101886253B
Application number: CN 201010210467
Authority: CN
Inventors: 祝宁
Original assignee: HEFEI KEYE ELECTRICITY PHYSICS EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: HEFEI KEYE ELECTRICITY PHYSICS EQUIPMENT MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: CN101886253A

Abstract

一种潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，涉及真空镀膜机，包括电极、磁路、收卷辊、放卷辊、换向辊、张紧辊、真空系统、双向进给控制单元、进气管和电源组成，所述真空系统主要由真空室构成，在所述真空室内设置两组对称的电极结构和磁路结构，相邻两电极之间形成磁场，且电极、磁路和进气管沿真空室轴线的上下对称布置，在高频放电的作用下，将电子离化率提高到较高水平。有益效果是可以实现化学气相沉积的三个基本过程，即反应物的输运过程，化学反应过程和去除反应副产品过程，得到镀层均匀性优良、相对已知镀膜方法更为高的沉积率、大面积、平滑、较高附着率，且具有较低温度过程的镀膜。

Description

潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机

技术领域

本发明涉及真空镀膜机，具体是一种潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，用于半导体、太阳能薄膜、装饰材料和包装行业常用的柔性材料(如PET)材料等原料薄膜(基片)表面上，通过PECAD(等离子体增强化学气相沉积)方法，使用高密度潘宁放电离子源(PDP)，形成纳米硅基氧化物沉积固态薄膜。

背景技术

此前，有公知的真空物理及化学气相沉积镀膜(PVD或CVD)装置，前者有：真空蒸镀、磁控溅射及离子束镀、分子束外延生长镀膜装置，后者有：等离子体增强化学气相沉积(PECAD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、光化学气相沉积(LCVD)及热激发化学气相沉积(TCVD)等镀膜装置。它们可以在真空状态下，在所为由纸、塑料等形成的各种原料薄膜(基片)上，形成可能匹配的金属、非金属(如铝层、氧化铝层、氧化硅、氮化物)的镀层，一边赋予原料薄膜气体隔离性能和湿气隔离性能，或制备各种用途的薄膜材料。现代的薄膜材料和薄膜技术已经成为新材料研制必备的，不可或缺的重要手段之一，并已经渗透到现代科技、国防和国民经济的各个重要领域，如航空航天、医药、能源、交通、通信和信息技术。

传统的物理气相沉积(PVD)真空镀膜装置，具有粘着率好、沉积效率高、可镀材质广泛、绕射性能良好等优点，但是，这种设备十分昂贵、难于进行大面积镀膜、镀层均匀性难于控制等缺点也影响其使用。

传统的化学气相沉积(CVD)真空镀膜装置，具有既可以制造金属膜，又可按要求制造多成分的合金膜，通过对多种气体原料的流量进行调节，能够在相当大的范围内控制产物的组分并能制取混晶等复杂组成和结构的晶体，同时能够制取用其它方法难以得到的优质晶体，可以获得平滑的沉积表面、绕射性能良好及辐射损伤低等优点。但是，化学气相沉积所需的反应温度太高，一般需要1000℃左右，许多基片材料大多经受不住CVD高温，因此其用途大大的受到限制。

近年来，多弧离子源和分子束外延生长镀膜装置问世，前者其消耗功率很高的缺陷在能源紧张的形势下限制了它的商业使用前景，后者其设备综合性强、难度大，涉及到超高真空、电子光学、能谱、微弱讯号检测精密机械加工等现代技术，商业使用前景可想而知。

针对上述装置优缺点的分析，目前很有必要进行改进和创新。而本发明是采用等离子体增强化学气相沉积(PECAD)的方法，具有镀膜温度较低、节能、材料利用率高，可对耐热较低的基质(例如聚乙烯、聚丙烯)进行镀膜，性价比优于磁控溅射等特点。因此，找到一种较经济、镀膜温度较低的、可持续保持稳定等离子体的离子源是本发明的关键技术。

而潘宁放电磁约束离子源是一种磁约束等离子体的技术，当电源通电时，产生内部电场，在磁场的相互作用下，会产生一对持久的霍尔电流环(Hallcurrent)形成实质上的阴极。受霍尔电流环的限制，在两环之间的豁口处，产生一个高密度等离子体，被霍尔电流限制的电子化合物和中心的离子流，在形成实质上的阴极与两电极辊卷绕的基片之间产生离子轰击和化学反应。由于潘宁放电离子源具有操作压力低(10mTorr)，等离子体阻抗值低、且为常数等特点，结果产生了较高的电子温度和较低的中子和离子温度，较高的电子温度，可以从根本上提高了生产效率，同时，一对阴极和磁场的存在，中子和离子温度接近室温，使得热能损失减到最少。从而得到镀层均匀性优良、相对已知镀膜方法更为高的沉积率、大面积、平滑、较高附着率，且具有较低温度过程的镀膜。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种潘宁放电离子源，通过PECAD方法，在原料薄膜PET的内表面上形成纳米硅基氧化物镀层的真空镀膜机。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，包括电极、磁路、收卷辊、放卷辊、换向辊、张紧辊、真空系统、双向进给控制单元、进气管和电源组成，所述真空系统主要由真空室构成，其特征在于：在所述真空室内设置两组对称的电极结构和磁路结构，相邻两电极之间形成磁场，且电极、磁路和进气管沿真空室轴线的上下对称布置，在高频放电的作用下，将电子离化率提高到较高水平。

所述磁路设置的数量为两个，电极设置的数量为四个，每两个电极均匀的分布在一个磁路的两侧。

本发明在工作原理是设置了新的电极结构，在电极之间构成磁场，在通电时，产生一对持久霍尔电流环(Hall current)形成实质上的阴极，受霍尔电流环的限制，在宽400mm的PET薄膜上方产生持久、阻抗恒定的、高电子密度的(1*10¹²/cm²)且受磁约束的等离子体。同时在磁场的约束下，电子围绕磁力线做螺旋运动，电子的运动路径由于磁场的作用而大幅增加，从而有效地提高原料薄膜PET与离子源之间直线运动距离内的气体离化效率，同时一对进气管道入流速适当的纳米硅基氧化物气体，这样原料薄膜先后四次穿过电极辊间的电晕，在原料薄膜上形成500nm/min的镀层。在镀膜过程中，等离子体的基本作用是促进化学反应，在等离子体中电子的平均能量(1-20eV)足以使大多数气体电离或分解，可以避免由于基片的额外加热使之受到的损害，各种薄膜材料可以在温度敏感的基片(如聚合物)上形成。

在膜运动控制及工艺过程控制方面，采用了PLC/PC及MFC宽调速变频器闭环同步恒速控制系统技术和相应的执行单元。对于不同宽度(最宽400mm)或不同材质(如PET、PE\PA)的原料薄膜，由于其摩擦系数、张力的不同，都可以实现优良的宽调速特性及稳速特性；同时，对于薄膜沉积过程中的变量，如：气体流量、气体组分、沉积温度、气压和真空室几何构型的匹配等变量进行自动控制。

本发明的进一步技术方案是在将所述真空镀膜机连接小机械泵和DN150的分子泵，建立所需1x10-3Pam3/s的低真空，可以去除反应副产品，将废气通过机械泵排出。

在所述两组电极结构的内部，通过四组旋转接头，设计四套水冷却回路。

本发明的有益效果是可以实现化学气相沉积的三个基本过程，即反应物的输运过程，化学反应过程和去除反应副产品过程。

附图说明

图1为本发明潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机的原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，进一步阐述本发明。

一种潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，通过等离子体化学气相沉积方法进行镀膜，是由第一电极1、1’，第二电极2，、2’，第一磁路3，第二磁路4，收卷辊5，放卷辊6，换向辊7，张紧辊(图中未示出)，真空系统8，双向进给控制单元9，进气管10、10’和电源11组成，其中真空系统8主要由真空室构成，在真空室内将第一电极1、1’和第二电极2，、2’对称布置，在第一电极1、1’之间形成磁场12，第二电极2、2’之间形成磁场13，此时第一电极1、1’，第二电极2，、2’，第一磁路3，第二磁路4和进气管10、10’均沿真空室轴线的上下对称布置，第一电极1、1’与第一磁路3的两侧相接，第二电极2，、2’与第二磁场的两侧相接，进气管10安装在磁场12的一侧，进气管10’安装在磁场13的一侧，在高频放电的作用下，将电子离化率提高到较高水平。

在将第一电极1、1’和第二电极2，、2’作为镀辊时，原料薄膜PET先后四次穿过电极辊的电晕，通电时，产生一对持久的霍尔电流环(Hall current)形成实质上的阴极。受霍尔电流环的限制，在宽400mm的PET薄膜上方产生持久、阻抗恒定的、高密度的(1x1012/cm2)且受磁约束的等离子体。同时一对进气管10、11通入流速适当的纳米硅基氧化物气体，在原料薄膜上形成500nm-m/min的镀层，从而得到的镀层厚薄一致性优良、相对已知镀膜方法，具有更高的沉积率、较大的镀膜面积、较高附着率，且具有较低温度过程.

由于潘宁放电磁约束离子源具有操作压力低(10mTorr)，等离子体阻抗值低且为常数等特点，结果产生了较高的电子温度和较低的中子和离子温度，较高的电子温度，从根本上提高了生产效率，同时，一对阴极和磁场的存在，中子和离子温度接近室温，使得热能损失减到最少。

参照附图1中潘宁放电磁约束离子源的等容线，当电源11通电时，产生内部电场，在第一磁路3，第二磁路4的相互作用下，在两环之间的豁口处，产生一个高密度等离子体，被霍尔电流限制的电子化合物和中心的离子流，在两电极辊卷绕的基片之间产生离子轰击和化学反应。

同时在双向进给控制单元9的控制下，放卷辊6的变频器、电机和收卷辊5伺服电机，分别受安装在换向辊7上的旋转编码器和张力传感器的闭环控制，在防卷料卷在直径由大变小的过程中，防卷电机可自动从拉料渐变成送料。在双向进给控制单元9的程序中，可以预设定收卷电机的张力和起步速度，且可以在触摸屏上进行人、机对话，改变薄膜的卷绕速度和初始张力，使系统迅速进入稳定运转状态。同时，对气体流量、气体组分、沉积温度、气压和真空室几何构型的匹配等变量，进行自动控制。需要时，可对换向辊电机进行反向退料。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，包括电极、磁路、收卷辊、放卷辊、换向辊、张紧辊、真空系统、双向进给控制单元、进气管和电源组成，所述真空系统主要由真空室构成，其特征在于：在所述真空室内设置两组对称的电极结构和磁路结构，相邻两电极之间形成磁场，且电极、磁路和进气管沿真空室轴线的上下对称布置，在高频放电的作用下，将电子离化率提高到较高水平。

2.根据权利要求1所述潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，其特征在于：所述磁路设置的数量为两个，电极设置的数量为四个，每两个电极均匀的分布在一个磁路的两侧。

3.根据权利要求1所述潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，其特征在于：所述真空镀膜机可连接小机械泵和DN150的分子泵，建立所需1x10^-3Pam³/s的低真空，去除反应副产品，将废气通过机械泵排出。

4.根据权利要求1所述潘宁放电离子源柔性材料真空镀膜机，其特征在于：所述两组电极结构的内部，通过四组旋转接头，设计四套水冷却回路。