CN105980594A - 薄膜涂覆方法及实施该方法的生产线 - Google Patents

Abstract

本组发明涉及在大规模生产中用于处理表面的处理设备，具体地说，一种施加具有设定光学、电学和其他特性的薄膜涂层的真空处理设备。技术效果是确保能处理柔性大尺寸基板及小尺寸基板，且具有高度的涂层均匀性，且能够使用广泛的技术和处理装置，以及施加材料的高效有用的操作。所述技术效果通过提供一种在基板上施加薄膜涂层的方法来实现，所述基板放置到旋转鼓上，其以相同恒定的线速度和角速度依次沿着处理区移动。另外，选择所述鼓线速度和角速度的比率，以使得通过处理区时，所述鼓表面上的每一个点进行至少两次完整的公转。另外，所述技术效果也可通过以下事实来实现，在施加薄膜涂层的生产线中包括进口气闸室、内有至少一个处理装置的处理室(其形成处理区)，出口缓冲室、输送系统和基板支架(设计用于通过各室)。所述基板支架设计成其上安装有鼓的滑架，所述鼓以滑架移动方向同轴地安装，设计用于旋转，且在处理过程中，移动的旋转角速度和线速度将是恒定的且经选择，以确保通过处理区时，所述圆通表面上的每一个点进行至少两次完整的公转。另外，输送系统装配有辊，并且所述滑架装配有与辊接触的导轨。

Description

薄膜涂覆方法及实施该方法的生产线

技术领域

本组发明涉及在大规模生产中用于处理表面的处理设备，具体地说，设计用于具有设定光学、电学和其他特性的薄膜涂层的真空处理设备。

背景技术

从技术层面看，将薄膜涂层施加到处理的工件(基板)上有多种方法。

1989年7月25日公布的专利US 4851095记载了一种磁控管沉积薄膜涂层到置于旋转鼓上的基板上的方法。通过操作位于真空室中围绕所述鼓的装置实现将涂层沉积到基板上。

由于为了获得结构中所需的层数而需要重复处理步骤，该技术方案的缺点是低生产率和相当大的生产成本。

2005年5月17日公布的专利US 6893544公开了与本发明所提出的方法最接近的一种重要特征的组合，该专利公开了一种施加薄膜涂层的方法，其中基板安装在垂直平坦的滑架(carriage)上，所述滑架可在线性处理设备(磁控沉积阴极、线性等离子体源等)中移动。

该方法的缺点是高成本和低生产率，尤其是当施加复杂且精确的涂层时，由于需要使用复杂的控制系统和设置(即，间接时间和材料费用)，高材料消耗，由于处理设备内的处理区的面积高于均匀区域，例如在磁控沉积期间，30％-50％的靶材未到达基板，以及适用处理设备的范围受限，因为我们只能使用能保证可接受均匀性的这种设备，而这将许多前沿技术排除在外。

从技术水平看，我们也知晓多种将薄膜涂层施加到处理的工件(基板)上的设备。

特别地，在大规模生产中，使用定期操作的鼓装置来处理小尺寸基板，例如1989年7月25日公布的专利US4851095中描述的装置，其包括圆柱形基板支架，基板围绕着所述基板支架。在一个方向上涂层的均匀性是通过鼓的旋转来确保的，而在另一方向通过使用线性处理设备。

在显示器的生产中，使用直线型设备来处理平面基板。作为这种设备的实例，其中基板安装在滑架上，随着随后的处理阶段移动，我们可以参考2008年12月10日公布的实用新型专利RU78785公开的一种形成薄膜涂层的自动化装置。然而这种设备，正如迄今所知的其他设备那样，其缺点在于：由于依赖于在输送系统的平稳移动中可靠地固定到基板上，操作可靠性低，以及由于为确保施加到表面上的所需均匀性的复杂控制系统和设置而导致的高成本。

从整体重要参数上看，2005年5月17日公布的专利US6893544公开了与本发明最接近的沉积薄膜涂层的处理线，其包括顺次设置的气闸室、内部具有处理设备的处理室、缓冲室和设计为沿所述室移动的平面基板支架。

该技术方案的缺点如下：

-可处理的基板的标准尺寸范围受限，尤其是不能处理柔性基板例如薄玻璃，因为沿生产线移动时它们不能确保可靠的固定和防护；

-高成本，由于复杂的控制系统和设置，特别是复杂和高精度的涂层，以及大量材料的消耗，30-50％的材料未到达基板，因为提供沉积层的均匀性以生产设备的处理区的面积大于均匀区为代价；

-可应用的技术和处理设备的范围受限，因为可能的应用受限于沉积层可接受的均匀性的要求。

发明内容

本组发明的挑战在于提供一种高生产率的统一设备，其用于处理具有宽范围标准尺寸的基板。

当该挑战得到解决后，实现了技术效果，其确保能处理柔性大尺寸基板，及小尺寸基板，其具有高度的均匀覆盖度且能够使用广泛的技术和处理设备，以及增值使用施加的材料的高效性。

所述技术效果通过提供一种在基板上施加薄膜涂层的方法来实现，所述基板由支架支持，接着基板随着支架移动通过处理室，在处理室内，通过放置在处理室内的处理设备施加涂层。另外，所述基板支架设计为旋转鼓，其平行于鼓的旋转轴移动通过处理设备的处理区且以恒定的线速度和角速度旋转，而所述线速度和角速度的比率选自下述条件，所述条件使得通过处理设备的处理区时，所述鼓表面上的每一个点进行至少两次完整的公转。

所述技术效果通过提供薄膜涂层生产线来实现，该生产线具有气闸、缓冲室和至少一个具有处理设备的处理室、设置在滑架上的基板支架(安装滑架是为了能通过各室)，和输送系统。另外，移动通过处理设备的处理区的所述基板支架设计成旋转鼓，以滑架移动方向同轴地安装在所述滑架上，且以恒定的角速度和线速度旋转，并确保当通过处理设备的处理区时，所述鼓表面上的每一个点至少两次完整的公转。

为实现该技术效果，所述生产线可包含进口和出口气闸以及缓冲室。此外，基板支架滑架可设计成设置在基板支架上方的挂架，或框架，或设置在基板支架下方的具有线性导轨的推车。

所述生产线可装配有至少一个驱动器，以旋转基板支架。所述基板支架装配有摩擦力和/或磁性可拆卸的联轴器(coupling)和/或低压电动机。另外，每个基板支架可以装配有电动机，输送系统可以装配有辊，并且所述滑架可以装配有与辊接触的导轨。

下面通过描述平稳旋转和向前移动通过一个处理设备的处理区的圆筒形支架的移动来解释由设计产生的实现均匀性的原理。当圆筒移动时，在整个圆筒表面的每个点上，每次公转都会施加厚度为f(x)的涂层。每次公转，每个观察点A将会移动圆筒步长d到点A′，并且在随后的一次公转，它将具有相应于点A′的涂层厚度。通过整个处理区后，施加在A点的总厚度T，将通过步长d的点状图的值求和来获得。这个总和等于步长d的中点法则方法的曲线的积分。对于另一点B，同样的求和，但其是通过另一组的选择。这意味着对于每个点，总施加厚度的估值是通过T₀＝S/d来计算，其中S是曲线下的面积。该估算的准确度随着步长的减小与其平方成正比例的增加。相对误差的估值由表达式给出，其中f_cp是f(x)的平均值，M₂是f″(x)的最大值。该估值是在处理设备稳定运行的条件下对涂层厚度的不均匀性的评估。

当使用N个相同的处理设备时，等间距分布在基板支架周围时，上述估值仍是正确的，对于单个处理设备，其是可以重复的，处理设备按顺序从1到N编号。另外，对于每个点，第k个处理设备的进口将由点的总值来确定，相对于第一个移动如果此时结合了所有点的求和，这意味着我们将步长为d/N的点的值求和。这意味着这种设备配置的使用等于集成了N倍，因此，提高了N²倍。

所需均匀性可以通过以下手段实现：

-几个相同的处理设备对称地设置在基板支架的周围；

-沿着基板支架的路径，设置几个相同的步长为S＝(m+1/n)*d的处理设备，其中，m是整数，n是装置的数量，d是每次公转基板支架的线性位移；

-沉积区的一部分通过盖来掩蔽，外部控制。

对于均匀性的原则，还必须注意的是，如果需要，所述基板支架可以以不同的速度通过处理室，并且在处理区只有恒定的速度。在一个处理室中以不同的速度移动基板支架的能力：在处理区中速度均匀并且恒定，且在处理区外是另外的速度，但在该处理室受限的范围内由于能够使用所需依据设计的处理室确保生产线组件的优化，进而将提高生产线的生产率。

附图说明

本组发明将通过附图来说明，其中：

图1示出了单一处理装置一次公转所施加的厚度的分布曲线，在图中示出(从所述装置的中心开始的X轴坐标以mm为单位)；

图2示出了基板支架的结构图；

图3示出了基板支架的前视图；

图4示出了磁性轴联器部件的结构图；

图5示出了磁性轴联器的前视图；

图6示出了生产线的总图。

具体实施方式

所提出的在基板上施加薄膜涂层可由用于在玻璃上施加四层抗反射涂层的处理设备生产线的布局的实例来说明。第一和第二层要求的层均匀性是±1％，第三和第四层为±3％。

基板支架的长度为100厘米，在处理区中由生产线的周期所确定的支架移动的速度为1m/min。

为了施加涂层，设立了四个处理区，每个区对应一层。使用靶距为800毫米的中频磁控管作为处理设备。处理设备的数量由生产需要和层厚度决定。使用一个处理装置01来施加第一层(氧化镁)，使用两个处理装置02来施加第二层(氧化钛)，分别使用四个处理装置03和04来施加第三(氧化镁)和第四(氧化钛)层。

由于前两层具有更严格的均匀性要求，并且使用少量的处理装置来施加第一层，保证均匀性所需要的旋转速度将由第一层确定。

单一处理装置一次公转所施加的厚度分布的实例在曲线(图1)中示出，其中沿所述装置中心开始的X轴的坐标以mm为单位。

依据所示出的曲线，处理区的长度为120cm，而边缘区域的长度约为10cm，其中边缘区域的厚度减小到零。

当基板支架通过处理区经两次公转后，不均匀性约为±35％：最小厚度位于处理区的边缘和中心的点上，最大厚度位于经过处理区两次的一个点上。这些厚度的比值约为1∶2，导致±33％不均匀性。

为了实现所需的均匀性，需要将该值降低35倍，得出所需的公转数量的估值为

通过上述曲线更准确的估值显示，经过上述数量的公转，不均匀性为±0.8％。

基于此，所述基板支架的旋转速度需要设定以使得所述支架每次公转的线性位移不超过120/12≈10cm。如果前进速度为1m/min，旋转速度至少为10rpm。

其他层可以得到更佳的均匀性，因为使用两个或更多个相同的处理装置等比例地增加了旋转速度，即，提高均匀性。

所述生产线的操作可由具有两级气闸的线性排布的实例来表示。该线性排布包括基板支架、真空锁、低真空进口气闸室、高真空进口气闸室、进口缓冲室、处理室、出口缓冲室、高真空出口气闸室、低真空出口气闸室、具有驱动辊的输送系统、高真空泵和处理设备。

基板支架由鼓(1)组成，其安装在滑架(2)的轴承上。基材例如玻璃，以任何已知的方法安装在板(3)上，在鼓旋转时需确保它们可靠的固定。

滑架上装配有位于鼓下面的导轨(10)，并且安装在由介电材料制成的支架(stands)(11)上。

在多种情况下，根据不同的生产工艺，滑架(2)可以设计成下述形式：

-推车的形式，其中线性导轨设置于所述鼓下方；

-悬浮在空气中，其中线性导轨设置于所述鼓上方；

-框架的形式，其中线性导轨沿着所述鼓的边设置。

-或其他形式，其能确保所述旋转圆筒的线性移动。

可拆卸的磁性联轴器部件(4)和(5)安装在鼓轴的端部。联轴器的设计是公知的。可拆卸联轴器的第一部件(4)由软磁性中空材料组成，并且磁体(6)沿着内表面安装。磁体以交替的极性形式安装，其磁化方向在图中示出。磁性联轴器的配合部件(5)由具有磁体(7)的软磁圆筒组成，磁体(7)安装在其表面上，这些磁体的数目与所述第一部件的磁体数量相匹配。磁体以交替极性的形式安装，其磁化方向在图中示出。第一和第二部件的磁体之间具有约5mm的间隙，这确保了当基板支架在不精确连接的情况下联轴器旋转时不发生接触。

使用直接作用电动机以保持鼓旋转。电机传动转子(8)由其上有磁体的环形磁体组成。带控制单元的电机传动定子(9)放置在滑架的框架上。电动机的电力由通过滑架的线性导轨(10)的直流电流提供。为此，线性导轨安装到滑架的绝缘支架(11)上。线性导轨的电力通过输送系统的辊提供。

所述生产线包括低真空进口气闸室(14)、高真空进口气闸室(15)、进口缓冲室(16)、其中有处理装置的处理室(17)、出口缓冲室(18)、高真空出口气闸室(19)和低真空出口气闸室(20)。

沿基板支架移动方向安装处理装置，处理区由沿基板支架移动方向放置有处理装置的区域决定，且在限制范围内，由所述装置施加的材料的主要部分(超过90％)沉积在基板支架上。此外，设计用于沉积相同材料的几个处理装置，其部分地或完全覆盖处理区，可看作是一个处理装置。如果需要，层沉积所涉及的一些处理装置，可以安装在基板支架周围。

其上固定有基板的支架(22)进入进口气闸室(14)，随后，气闸室的门(21)关闭。门关闭后，所述支架撤回，其可拆卸的联轴器(4)连接联轴器的配合部件(23)，其安装在真空入口的旋转轴上，所述旋转轴由安装在气闸室门上的电动机(24)驱动。

电动机旋转基板支架的鼓达到所需旋转速度。同时，气闸室抽吸到10-20Pa的压力。

抽吸及所述鼓旋转后，传输闸门(25)打开，滑架支架传送到高真空进口气闸室(15)，闸门(25)关闭。所述高真空气闸室装配有涡轮分子泵(26)，且其中抽吸到小于0.01Pa的压力。

高真空气闸室抽吸后，传输闸门(27)打开，所述基板支架传送到进口缓冲室(16)，闸门(27)关闭。在所述缓冲室中，所述基板支架减慢到处理速度，并且连接到上一步引入到生产线的基板支架。基板支架的磁性联轴器连接，引入的基板支架的旋转与通过处理室的基板支架(28)的旋转同步。在处理室中，为输送系统的辊提供电力，使得基板支架的电动机维持鼓旋转。

在处理室(17)内施加涂层到基板上。在处理基板(在处理区中)的过程中，所述鼓旋转，并沿其轴线均匀地移动。基板支架以彼此之间的最小间隙通过处理区。

鉴于均匀性主要由每次公转的步长位移决定，设定基板支架的线性位移速度和旋转速度的比率以使得经过处理区时所述基板支架表面的每一个点进行至少两次完整的公转。因此，每一次公转的步长位移非常小，能够得到所施加涂层的高均匀性，与使用的处理装置的类型，包括线性和精密的类型无关。

处理过程中，为确保所述基板支架所需的旋转速度同时线性移动，该挑战可以通过以下方法之一来实现：

1.使用所述进口室之一中的外部驱动器，旋转基板支架至所需速度，而所述滑架是静止的，且随后因惯性维持其旋转。

2.每个滑架装配有低压电动机。电动机的电力通过输送系统的辊或与滑架外壳绝缘的滑架的线性导轨上的各接触辊提供。

3.使用所述进口室之一中的外部驱动器，旋转基板支架至所需速度，而所述滑架是静止的，且所述滑架装配有低压电动机，其用来维持旋转，且可以是小功率的。

为确保处理区中所有基板支架的旋转速度相同，它们可以装配有摩擦力或磁性可拆卸联轴器，这确保了当它们以最小的间隙移动时邻接基板支架之间旋转的传输。

为施加金属-电介质和复合金属-电介质涂层，除了用于传输设备的传统设备，可以采用以下方法之一，即，多次施加薄金属或氧化层后进行氧化。

这种情况下的氧化是指导致与如氧、氮、硒等形成化学键的任何反应。

为此，形成特殊处理区，其中处理装置安装在支架周围以施加一种或多种金属，及用于氧化的处理装置，代表活化反应性气体的来源(例如等离子体源)。

高真空抽气装置设置在处理区中，确保用于氧化的处理装置和用于施加金属的处理装置之间的气体分离。

当通过该处理区时，被处理表面的各点多次通过施加金属的处理装置，其中施加超薄材料层，以及通过用于氧化的处理装置，其中该层受到完全氧化。通过处理区后，被处理的表面均匀地涂覆有具有指定含量的金属-电介质或复合金属-电介质涂层。

处理装置可以施加一种或各种各样的材料。在后一种情况下，可以设定不同的速度施加材料，以获得所需的涂层含量。

通过处理室(17)后，所述基板支架进入进口缓冲室(18)。

打开输送闸门(29)，所述基板支架加速，使其远离另一后面的基板支架，并移动到高真空进口气闸室(19)；随后，闸门(29)关闭，打开输送闸门(30)，所述基板支架移动到低真空出口气闸室(20)，其中，所述支架的磁性联轴器的前端部件与安装在门上的磁性联轴器的配合部件(31)连接。磁性联轴器部件(31)安装在轴上，所述轴的旋转因摩擦力而变困难。

闸门(30)关闭，泵送干燥空气到所述室中，且压力升高到大气压力。同时，由于联轴器制动器(31)，所述基板支架鼓停止。

出口气闸室(20)内的压力与大气压力均衡后，所述室的门(32)打开，且所述基板支架退出生产线。

Claims (10)

1.在基板上施加薄膜涂层的方法，其包括将基板设置在支架上和随后所述基板支架通过处理室的移动，其中使用处理室中的处理装置施加涂层，其特征在于所述基板支架设计为旋转鼓；另外，这些鼓平行于鼓的旋转轴通过处理装置的处理区且以恒定的线速度和角速度旋转，而选择所述线速度和角速度的比率，以使得通过处理装置的处理区时，所述鼓表面上的每一个点进行至少两次完整的公转。

2.施加薄膜涂层的生产线，其包括气闸、缓冲室和至少一个内部有处理装置的处理室、放置在滑架上的基板支架，和输送系统，安装滑架是为了移动至后续的室，其特征在于每个基板支架设计为旋转鼓，以滑架移动方向同轴地安装在所述滑架上，而所述鼓设计以恒定的角速度旋转，所述滑架设计以恒定线速度移动，以确保通过处理装置的处理区时，所述鼓表面上的每一个点进行至少两次完整的公转。

3.权利要求2所述的生产线，其特征在于其具有进口气闸和缓冲室以及出口缓冲室和气闸室。

4.权利要求2所述的生产线，其特征在于基板支架滑架设计为悬浮在空气中，设置于所述基板支架上方。

5.权利要求2所述的生产线，其特征在于基板支架滑架设计为框架。

6.权利要求2所述的生产线，其特征在于基板支架滑架设计为具有线性导轨的推车，设置于所述基板支架下方。

7.权利要求2所述的生产线，其特征在于其具有至少一个基板支架的旋转驱动器。

8.权利要求7所述的生产线，其特征在于基板支架装配有摩擦力和/或磁性可拆卸的联轴器和/或低压电动机。

9.权利要求2所述的生产线，其特征在于每个基板支架装配有电动机。

10.权利要求2所述的生产线，其特征在于输送系统装配有辊，并且所述滑架装配有与辊接触的导轨。