CN106048562B - 并行卷对卷真空镀膜系统及真空镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并行卷对卷真空镀膜系统及真空镀膜方法。本发明真空镀膜系统包括一个中央传输室、连接并分布在中央传输室周边的一个样品进出室和若干薄膜沉积反应室，在所述中央传输室与所述样品进出室和与所述薄膜沉积反应室的连接处分别设有真空阀门，以控制中央传输室与样品进出室以及控制中央传输室与薄膜沉积反应室之间的通道启闭；在薄膜沉积反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置。本发明具有结构紧凑、生产效率高、工艺条件设定灵活等特点，可在同一工艺腔室中集成多个卷对卷反应装置，且能消除互相之间等离子体反应的干扰，从而实现在多个柔性料卷上的并行薄膜蒸镀。

Description

并行卷对卷真空镀膜系统及真空镀膜方法
技术领域
本发明涉及一种真空镀膜设备，具体地说是一种并行卷对卷真空镀膜系统及真空镀膜方法。
背景技术
卷对卷（Roll-to-Roll）制备技术是一种高效、低成本的大面积连续生产模式，适于各种可弯曲的柔性薄膜/软板，其材质包括多种类的塑料（PET、PEN、PI）或不锈钢卷带（厚度约0.1mm）。
将PECVD真空镀膜工艺与卷对卷制程相结合是制备高质量半导体薄膜材料的一种高效低成本生产工艺，可广泛应用于柔性电子器件和柔性光伏组件的生产。
当前产业化的卷对卷真空镀膜生产设备已经十分成熟，但其本身也存在一定的缺点，包括：（1）制造成本高、开发难度大、技术复杂；（2）占地面积大、能耗高、维护成本高；（3）连续的卷到卷生产流程不能避免各道蒸镀工艺之间的交叉污染，因此降低了柔性半导体材料和电子器件的质量；（4）各反应腔室的反应气压和沉积速率无法独立设定，因此无法完成一些特殊工艺或灵活调整工艺参数；（5）为了提高产品的工艺可重复性，需要定期清洗腔室，这也增加了设备维护的成本。以上特点限制了卷对卷镀膜设备的工艺的灵活性，而且最终增加了产品的生产成本。
发明内容
本发明的目的就是提供一种并行卷对卷真空镀膜系统及真空镀膜方法，以解决现有卷对卷真空镀膜生产设备存在的成本高、能耗高和交叉污染的问题。
本发明是这样实现的：一种并行卷对卷真空镀膜系统，包括一个中央传输室、连接并分布在中央传输室周边的一个样品进出室和若干薄膜沉积反应室，在所述中央传输室与所述样品进出室和与所述薄膜沉积反应室的连接处分别设有真空阀门，以控制中央传输室与样品进出室以及控制中央传输室与薄膜沉积反应室之间的通道启闭；在薄膜沉积反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，在所述样品进出室内设置有加热烘烤装置。
所述收/放卷装置设置在平置的滑动导轨上，所述等离子体反应气盒位于所述收/放卷装置的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接；所述等离子体反应气盒与所述收/放卷装置之间的间隙构成等离子体辉光放电区；在所述薄膜沉积反应室的侧壁上设置有用于连通中央传输室的样品进出口。
所述等离子体反应气盒的主体为匀气盒，在匀气盒上设置有进气管口，在匀气盒的顶面分布有加热丝，加热丝用于对匀气盒进行加热；匀气盒的底板为分布有出气孔的出气孔板，在匀气盒上还设置有连接射频电源的射频馈线；在匀气盒的外侧面设置有封闭等离子体辉光放电区的屏蔽罩，在匀气盒的外侧面与屏蔽罩的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒的顶面边缘设置有抽气盒，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒相通，在抽气盒的侧壁上开有抽气管口。
所述收/放卷装置是在架体的顶面设置有下电极板，在架体的两端分别设置有导向辊轴，导向辊轴的轴面上沿与下电极板的上板面持平，在架体上还设置有两个收、放柔性衬底用的收/放卷辊轴，收/放卷辊轴的轴心线与导向辊轴的轴心线相互平行；两个所述收/放卷辊轴的轴头均伸出架体，并均外接一个传动齿轮，在两个传动齿轮之间设置有张力感应器。
在所述薄膜沉积反应室中设置有上下两层分隔间，在每层分隔间内均设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，且下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅升降；在所述薄膜沉积反应室的每个分隔间的侧壁上均设置有样品进出口。
本发明是一种适用于柔性卷对卷制备技术并避免反应室内多个卷对卷装置间交叉污染的真空镀膜系统，具有结构紧凑、生产效率高、工艺条件设定灵活等特点，可在同一工艺腔室中集成多个卷对卷反应装置，且能消除互相之间等离子体反应的干扰，从而实现在多个柔性料卷上的并行薄膜蒸镀。另外该系统不同的工艺腔室可独立设定反应条件并采用不同的反应气体，因此该设备既可以制备完整的多层柔性电子器件，也能够满足某一柔性功能材料薄膜的沉积，既可满足实验研发的使用，也可满足批量生产的实际需求。
本发明还可以这样实现：一种并行卷对卷真空镀膜方法，包括以下步骤：
①设置本发明提出的并行卷对卷真空镀膜系统；
②样品装载：将柔性样品如柔性塑料或不锈钢衬底裁剪成35cm幅宽、50~100m长的料卷，通过卷绕的方式装载到收/放卷装置上。
③样品载入：将收/放卷装置放入样品进出室，关闭真空阀门，对样品进出室抽真空，真空度至0.06~0.08Torr。
④样品烘烤：开启样品进出室中的加热烘烤装置，设置加热温度为100~200℃，控制收/放卷装置倒卷，加热除去柔性样品表面附着的水分子和氧分子。
⑤样品转移：打开样品进出室与中央传输室之间的真空阀门，通过滑动导轨将收/放卷装置转移到中央传输室后，再转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室中。
⑥样品锁紧：待收/放卷装置转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室中的反应位置后，控制提升机构使薄膜沉积反应室中的等离子体反应气盒下降，并与送入的收/放卷装置对接锁紧。
薄膜沉积：将进行反应的薄膜沉积反应室抽真空至10-6 Torr，控制其中的收/放卷装置实现放卷和收卷，再通入反应气体并控制反应气压在0.4~2Torr，开启60~80MHz甚高频电源，并调节功率在10~200W，在等离子体辉光放电区起辉放电后，在柔性衬底上沉积成膜。
本发明并行卷对卷真空镀膜方法是一种在多个柔性料卷上并行沉积薄膜或以批处理方式实现卷对卷真空镀膜的方法，具有生产效率高和交叉污染小的特点，可以满足批量生产的实际需求。该方法的优势在于可有效避免不同卷对卷反应装置间的气体扩散和交叉污染，并通过并行沉积薄膜达到提高卷对卷制备效率并实现批量生产的目的。
附图说明
图1是本发明真空镀膜系统的顶面结构示意图。
图2是本发明系统中的中央传输室与第一薄膜沉积反应室部分的结构示意图。
图3是等离子体反应气盒与收/放卷装置部分的外部立体结构示意图。
图4是等离子体反应气盒与收/放卷装置部分的内部结构示意图。
图中：1、等离子体反应气盒，2、收/放卷装置，3、第二滑动导轨，4、提升架，5、样品进出口，6、第一滑动导轨，7、导轨支架，8、进气管口，9、抽气盒，10、射频馈线，11、加热丝，12、屏蔽罩，13、抽气管口，14、匀气盒，15、出气孔板，16、等离子体辉光放电区，17、架体，18、导向辊轴，19、传动齿轮，20、锁紧和张力感应器，21、收/放卷辊轴，22、下电极板，23、柔性衬底，101、样品进出室，102、第一薄膜沉积反应室，103、第二薄膜沉积反应室，104、第三薄膜沉积反应室，105、中央传输室。
具体实施方式
实施例1：并行卷对卷真空镀膜系统。
如图1所示，本发明并行卷对卷真空镀膜系统包括一个中央传输室105、连接并分布在中央传输室周边的一个样品进出室101和三个薄膜沉积反应室。三个薄膜沉积反应室包括第一薄膜沉积反应室102、第二薄膜沉积反应室103和第三薄膜沉积反应室104。在中央传输室105与样品进出室101以及在中央传输室105与三个薄膜沉积反应室的连接处分别设有高真空阀门，以控制中央传输室105与样品进出室101以及控制中央传输室105与三个薄膜沉积反应室之间的通道启闭。在样品进出室101内设置有加热烘烤装置。
三个薄膜沉积反应室的结构相同。在图2所示的第一薄膜沉积反应室102中设置有等离子体反应气盒1和收/放卷装置2，等离子体反应气盒1位于收/放卷装置2的上方，并通过提升架4与反应室上部的提升机构相连接。等离子体反应气盒1用于进气、抽气、发生等离子体反应和加热；收/放卷装置2用于柔性衬底的装载和在反应室间的传输以及放卷、收卷操作。等离子体反应气盒1与收/放卷装置2之间的间隙构成等离子体辉光放电区16。
如图2所示，在中央传输室105中设置有导轨支架7，该导轨支架7可以通过伺服电机控制转动，在导轨支架7上安装有上、下两层的第一滑动导轨6（图中以两层为示例）。通过导轨支架7旋转至设定好的位置，可将样品对准中央传输室105的传输口。
图2中，在反应室102中设置有上下两层分隔间（数量可有增减），在上层分隔间和下层分隔间内各设置一套等离子体反应气盒1和一套收/放卷装置2，下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅的升降。每个分隔间内的收/放卷装置2设置在平置的第二滑动导轨3上，第二滑动导轨3分设在反应室102的隔层和底面。在反应室102的每个分隔间的侧壁上均设置有样品进出口5。
当第一薄膜沉积反应室102中的样品对准中央传输室105的传输口后，收/放卷装置2可通过第一滑动导轨6和第二滑动导轨3在中央传输室105和第一薄膜沉积反应室102之间进行传输（如黑色箭头所示）。
如图3、图4所示，所述等离子体反应气盒1的主体是匀气盒14，在匀气盒14上设置有进气管口8，在匀气盒14的顶面分布有加热丝11，加热丝11用于对匀气盒14进行加热。匀气盒14的底板为开有出气孔的出气孔板15，出气孔板15上的出气孔呈矩阵排布。在匀气盒14上还设置有连接射频电源的射频馈线10。在匀气盒14的外侧面设置有屏蔽罩12，用以封闭等离子体辉光放电区16。在匀气盒14的外侧面与屏蔽罩12的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒14的顶面边缘设置有抽气盒9，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒9相通，在抽气盒9的侧壁上开有抽气管口13（图3），用于外接真空泵，抽取等离子体辉光放电区16中的反应残留物和副产物。
如图3、图4所示，所述收/放卷装置2是在架体17的顶面设置有下电极板22，在架体17的两端分别设置有导向辊轴18，导向辊轴18的轴面上沿与下电极板22的上板面持平或基本持平，在架体17上还设置有两个收、放柔性衬底用的收/放卷辊轴21，收/放卷辊轴21的轴心线与导向辊轴18的轴心线相互平行。图3中，两个收/放卷辊轴21的轴头均伸出架体17，并均外接一个传动齿轮19，两个传动齿轮19通过齿轮传动机构与伺服电机相接，以实现放卷和收卷操作。在两个传动齿轮19之间设置有锁紧和张力感应器20，以检测缠绕在两个收/放卷辊轴21上的柔性衬底23的张力（图4）。
当收/放卷装置2传输至反应位置时，等离子体反应气盒1通过提升架4的下降与收/放卷装置2对接，收/放卷装置2与等离子体反应气盒1即共同构成具有相对封闭的真空环境的卷对卷反应装置，并通过工艺腔室外部真空泵和恒压控制回路调节该卷对卷反应装置内部的反应气压。该设计可有效避免不同卷对卷反应装置之间的等离子体放电互扰和交叉污染，还可以尽量消除反应残留物对薄膜沉积反应室102内壁的污染，从而提高半导体产品的生产质量。
本发明并行卷对卷真空镀膜系统的工作原理是：等离子体反应气盒1和收/放卷装置2共同构成封闭的真空环境和等离子体辉光放电区16，如图4中的黑色箭头所示，反应气体由进气管8进入匀气盒14，并由匀气盒14底部的出气孔板15匀气后，进入等离子体辉光放电区16。柔性衬底23装载并在收/放卷辊轴21上并锁紧，通过导向辊轴18改变方向后，覆盖在下电极板22的顶面。通过外部的伺服电机带动传动齿轮19，实现柔性衬底23的收卷和放卷动作。在收卷和放卷的过程中，由锁紧和张力感应器20监测柔性衬底23的张力，通过调整电机转速，来维持柔性衬底23的绷紧状态。在柔性衬底23通过等离子体辉光放电区16时，通过与外部恒温电源电连接的加热丝11，对等离子体反应气盒1进行整体加热，并通过热辐射的方式对下电极板22上的柔性衬底23进行加热。射频电源通过射频馈线10加到匀气盒14上，屏蔽罩12起到屏蔽电场和反射热量的作用，匀气盒14的底面（即出气孔板15）与下电极板22共同构成平行电极板，以在等离子体辉光放电区16产生频率、功率稳定均匀的等离子体。反应气体被分解后发生化学气相反应，并沉积在柔性衬底23上，随着料卷的传动，直至在整个柔性衬底上蒸镀上一层薄膜（此即为真空镀膜）。反应残留物和副产物由抽气盒9导出，并通过抽气管口13和真空泵抽出。
图2中，收/放卷装置2通过由步进电机带动的第一滑动导轨6和第二滑动导轨3进行传输，通过样品进出口5由中央传输室105进入到反应室102中。当收/放卷装置2到达反应室中的指定位置时，提升架4带动多个等离子体反应气盒1整体下降，并与多个收/放卷装置2对接，形成多个卷对卷反应装置，进而实现批处理卷对卷真空镀膜操作。图2是以两层卷对卷反应装置为例说明本发明真空镀膜系统的工作原理，可扩展到更多层的结构上。
实施例2：卷对卷真空镀膜的方法。
参看图1和图2，本发明卷对卷真空镀膜的方法包括以下步骤：
①样品装载：将柔性样品如柔性塑料或不锈钢衬底裁剪成35cm幅宽、50~100m长的料卷，通过卷绕的方式装载到收/放卷装置2上。
②样品载入：将收/放卷装置2放入样品进出室101，关闭真空阀门，对样品进出室101抽真空，真空度至0.06~0.08Torr。
③样品烘烤：开启样品进出室101中的加热烘烤装置，设置加热温度为100~200℃，控制收/放卷装置2倒卷，加热除去柔性样品表面附着的水分子和氧分子。
④样品转移：打开样品进出室101和中央传输室105之间的真空阀门，通过两室中各自的滑动导轨的对接配合，将收/放卷装置2转移到中央传输室105后，再转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室102、103或104中。
⑤样品锁紧：待收/放卷装置2转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室中的反应位置后，控制提升机构使薄膜沉积反应室中的等离子体反应气盒1下降，并与送入的收/放卷装置2对接锁紧。
⑥薄膜沉积：将进行反应的薄膜沉积反应室抽真空至10-6 Torr，控制其中的收/放卷装置2实现放卷和收卷，再通入反应气体并控制反应气压在0.4~2Torr，开启60~80MHz甚高频电源，并调节功率在10~200W，在等离子体辉光放电区16起辉放电后，在柔性衬底上沉积成膜。

Claims (4)

1.一种并行卷对卷真空镀膜系统，其特征是，包括一个中央传输室、连接并分布在中央传输室周边的一个样品进出室和若干薄膜沉积反应室，在所述中央传输室与所述样品进出室和与所述薄膜沉积反应室的连接处分别设有真空阀门，以控制中央传输室与样品进出室以及控制中央传输室与薄膜沉积反应室之间的通道启闭；在薄膜沉积反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，在所述样品进出室内设置有加热烘烤装置；
所述收/放卷装置设置在平置的滑动导轨上，所述等离子体反应气盒位于所述收/放卷装置的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接；所述等离子体反应气盒与所述收/放卷装置之间的间隙构成等离子体辉光放电区；在所述薄膜沉积反应室的侧壁上设置有用于连通中央传输室的样品进出口；
所述等离子体反应气盒的主体为匀气盒，在匀气盒上设置有进气管口，在匀气盒的顶面分布有加热丝，加热丝用于对匀气盒进行加热；匀气盒的底板为分布有出气孔的出气孔板，在匀气盒上还设置有连接射频电源的射频馈线；在匀气盒的外侧面设置有封闭等离子体辉光放电区的屏蔽罩，在匀气盒的外侧面与屏蔽罩的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒的顶面边缘设置有抽气盒，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒相通，在抽气盒的侧壁上开有抽气管口。
2.根据权利要求1所述的并行卷对卷真空镀膜系统，其特征是，所述收/放卷装置是在架体的顶面设置有下电极板，在架体的两端分别设置有导向辊轴，导向辊轴的轴面上沿与下电极板的上板面持平，在架体上还设置有两个收、放柔性衬底用的收/放卷辊轴，收/放卷辊轴的轴心线与导向辊轴的轴心线相互平行；两个所述收/放卷辊轴的轴头均伸出架体，并均外接一个传动齿轮，在两个传动齿轮之间设置有张力感应器。
3.根据权利要求1或2所述的并行卷对卷真空镀膜系统，其特征是，在所述薄膜沉积反应室中设置有上下两层分隔间，在每层分隔间内均设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，且下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅升降；在所述薄膜沉积反应室的每个分隔间的侧壁上均设置有样品进出口。
4.一种并行卷对卷真空镀膜方法，其特征是，包括以下步骤：
①设置权利要求1所述的并行卷对卷真空镀膜系统；
②样品装载：将柔性样品或不锈钢衬底裁剪成35cm幅宽、50~100m长的料卷，通过卷绕的方式装载到收/放卷装置上；
③样品载入：将收/放卷装置放入样品进出室，关闭真空阀门，对样品进出室抽真空，真空度至0.06~0.08Torr；
④样品烘烤：开启样品进出室中的加热烘烤装置，设置加热温度为100~200℃，控制收/放卷装置倒卷，加热除去柔性样品表面附着的水分子和氧分子；
⑤样品转移：打开样品进出室与中央传输室之间的真空阀门，通过滑动导轨将收/放卷装置转移到中央传输室后，再转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室中；
⑥样品锁紧：待收/放卷装置转移到设定进行真空镀膜反应的薄膜沉积反应室中的反应位置后，控制提升机构使薄膜沉积反应室中的等离子体反应气盒下降，并与送入的收/放卷装置对接锁紧；
⑦薄膜沉积：将进行反应的薄膜沉积反应室抽真空至10-6 Torr，控制其中的收/放卷装置实现放卷和收卷，再通入反应气体并控制反应气压在0.4~2Torr，开启60~80MHz高频电源，并调节功率在10~200W，在等离子体辉光放电区起辉放电后，在柔性衬底上沉积成膜。
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