CN1083544A - 在基带上制多层膜的设备和方法 - Google Patents

Abstract

在基带36，206上顺序淀积原材料60、210的方 法。基带传输装置62、202使基带36，206在原材料 汽相淀积期间，经多个淀积源60、210连续移动。基 带36、206的每一部分以一种交替循环的方式暴露 在来自淀积源60、210的淀积流束中。暴露在源中 的次数可大于源数。

Description

本发明涉及制造具有多层结构的薄膜。具体地说，本发明涉及一种在基带上沉积多层薄膜的连续涂覆方法和设备。

在汽相淀积薄膜制品的领域内，众所周知，薄膜特性取决于薄膜微结构。在一定的使用场合，由成分不同的若干层按一定方式循环组成的薄膜结构，具有所要求的特性;在本文中将这种结构称为“多层结构”或“多层”。

由高折射率绝缘材料层和低折射率绝缘材料层构成的光学涂层，是技术上采用多层结构的一个例子，它的光学特性可通过适当选择某些参数，如层的循环次数和层厚等，将其调整到针对特定的使用目的。磁的或磁光记录材料是使用多层材料的另一个例子，多层结构可被利用来改变或优化薄膜特性。例如，交替地淀积薄的（≤1毫微米）铁（Fe）层和铽（Tb）层，可用来制造磁光记录材料;Fe-Tb薄膜可例如为50毫微米厚，因此要由25对或更多对的Fe-Tb层组成。改变Fe和Tb的层厚，可以调整磁特性，诸如矫顽磁性和各向异性。

在先有技术中介绍的多层淀积方法，利用一些机械装置将基片按重复和顺序的方式暴露在两个或两个以上淀积源流束中，淀积源是典型的连续式工作。基于上述方法的设备用于在不连续的单个片基上进行多层淀积。

本发明公开一种在基带表面顺序淀积原材料的方法。传输装置使基带通过多个面朝基带的淀积源连续移动。在汽相淀积过程中，基带表面的每一个部分，以一种交替循环的方式暴露在来自淀积源的淀积流束中。交替暴露在源中的次数比源数多。

本发明还公开了一种在基带上淀积多层结构的连续涂层方法。传输装置使基带经多个面朝基带的淀积源连续移动。在原材料汽相淀积过程中，基带上形成多层结构，其层数大于淀积源数。

本发明还公开了一种制造具有多层结构基带的设备。配备了一个淀积源区，由多个面朝基带的淀积源组成。基带由传输装置支托。基带传输装置支托着基带，并使基带经淀积源区连续移动，在汽相淀积过程中，基带上生成多层结构。多层结构的层数大于淀积源数。

本发明的内容还包括在基带上生成的多层薄膜。多个原材料淀积层被淀积在基带上，构成了多层的薄膜结构。结构中的层数超过提供原材料的淀积源数。

本发明的内容还包括在基带上生成的多层薄膜。基带有一个接受多层淀积原材料的指定表面。多个原材料淀积层被淀积在基带上，构成了多层薄膜结构，薄膜结构中的每一层相对于指定区有一个倾斜角。

图1  在基带上淀积原材料的按先有技术的设备示意图;

图2  基带和其上的多层结构垂直剖面;

图3  有多个卷轴的本发明设备一种实施例的平面图;

图4  与图3所示相似的本发明设备端视图;

图5  总体上按图3所示结构中的卷轴的另一种实施例端视图;

图6  是图5所示部件的平面图，其中包括了另一种分段卷轴与倾斜卷轴组合共同工作的实施例;

图7  分段倾斜卷轴侧视图;

图8  分段卷轴侧视图;

图9  本发明设备另一种实施例平面图，具有直通道淀积系统;

图10  是图9所示设备的剖视图;

图11  采用旋转闸板的连续式卷轴到卷轴单通道系统透视示意图;

图12  表示多个分开式闸板源的连续式单通道淀积系统局部示意图;

图13  采用长形源和联动式闸板的连续式单通道淀积系统示意图;

图14  采用图11所示系统制成的磁光薄膜叠层的横剖面示意图;

图15  图14所示制成品磁化状态曲线图，图中还有其他的剩磁值比较曲线。

本发明涉及在基度上连续涂料以生成多层结构的新颖方法、设备和成品。更具体地说，基底是一条连续的基带或片，本文中这两种可交换使用。基片是一种柔性基底，其宽度远大于其厚度，其长度又远大于其宽度。基带或基片指的是长形和连续的基底。因此，基片中至少有一个尺寸大于所使用的淀积系统和最大尺寸。

图1举例表示先有技术涂料装置10。涂料装置10用于在基底18上淀积来自淀积源14a和14b的原材料。基底18可以是一种薄的基片。工作时，基底18经淀积源14a、14b移动，所以在淀积工序中，基底18暴露在原材料流束16a、16b中，从而将原材料淀积在基底18的一部分上。类似于涂料装置10的设备，在用作制造多层结构时受到各种限制。在这些限制中包括缓慢的涂覆速度、表面污染和/或反作用问题，后面的两个问题起因于在要涂覆的条片重复卷绕和伸展过程中，层的淀积和/或与条片背面接触之间消耗的时间。具体而言，这些限制是由于采用的一种基带传输子系统，此子系统包括一根卷轴或鼓筒组。如图1所示意表示的，卷轴24a、24b以传统的方式输入和收卷。为了用此装置制造多层结构，其层数大于淀积源的数量，故必须使基底18在卷轴24a和24b之间经过淀积室30往复移动，直至在基底18上涂覆所需要的层数。先有技术涂料装置10不是使基底18连续移动，而是使它在运动的周期和暂停运动的周期之间往复运动，在暂停的时刻卷轴改换方向，使基底18向另一个卷轴回行，从而拉动基底18经过淀积源14a、14b，于是在基底18上又添加了另一个涂层。

因此，如图1所示，在现有的涂料装置中，在基片上合成大面积的多层结构，要将基片从一个淀积源到另一个淀积源来回往复运动才能完成。这种方法不那么适用于在条片上涂覆多层薄膜。相反，淀积最好能用最少的次数（最好是一次）经过涂料装置来完成，无需停止以改换条片的移动方向。因此需要一种在基带上淀积多层结构的连续涂料方法。工业上更需要一种在基带上生成多层磁-光记录膜的有效方法。相信本文所公开的应用连续淀积原理制成的设备必然是一种制造多层产品的新颖设备。

图2表示了一种按本发明的工艺方法和结构制成的产品的举例。图2所示的实施例中有一条其上通过真空淀积生成淀积层40的基带36。详细地说，淀积层40是一种多层结构，此多层结构进一步由多次重复的分层44、45组成。图中可清楚看出结构的周期性、厚度、组成和总层数。此外，组成淀积层40的每一层以及基带36可由有机的、无机的、或由有机和无机组合的材料构成。

图3是制造具有多层涂料的带状制品的设备实施例。加工设备52包括多个淀积源60。每个源60被配备用于盛装淀积原材料58，例如稀土金属、其它的无机物、过渡金属或有机物，它们适用于在连续移动的基带36上进行汽相淀积。基带传输装置62用来使基带36连续移动，使基带36在物理汽相淀积过程中经过多个淀积源60。最好设屏蔽装置，用于限制和规定原材料淀积在基带36的指定区域内。具体而言，屏蔽装置包括与源60相邻的淀积流束防护屏70。图4表示与图3中所示实施例相似的设备端视图，用来表示背喷防护屏74，以防原材料汽相流束16c、16d淀积在基带36背面。

涂层设备52可在窄条片或基带上高质量高速度地淀积多层结构。使用这种涂层设备52的一个例子是生产磁-光记录带。如图3所示，窄条片或基带36以某一角度导向传输装置62，所以基带36在传输装置的有关构件上卷绕多次。卷绕次数取决于带宽W、带与带的间距S和垂直于带移动方向的源流束总宽度e。在带的传输装置62上移过的基带36，在离开传输装置62到下一个淀积源或卷带轴去之前，暴露在源汽相流速中约e（w+s）次。

下面举一个按图2至4中所示本发明实施例的实验室规模涂层设备实例。此例中假设：

1）带宽w约1.2厘米;

2）带与带的间距s为0.3厘米;

3）结构重复距离（循环周期）d为1毫微米;

4）垂直于带移动方向源流束总宽度e约为15厘米;

5）活性磁光层厚度h为30毫微米;

6）分开的稀土金属源和过渡金属源;以及

7）一对源在孔口a上方单通道的有效淀积速率r为20毫微米/秒，对每个源沿带移动方向的孔a为10厘米。

因此，通过每一个源对的汽相流束的次数n为e/（w+s）＝10次。在本例中，达到所希望的厚度需要30层对（h/d＝30）;所以需要三组稀土和过渡金属源。在带上完成结构中一个循环的淀积所需要的流束暴露时间为d/r，带必须在这一时间内走完距离a，于是V＝（ar）/d米/秒，V是带的移动速度。上述例子中对带速作了非常保守的估算，其中，改变假设值的数量级可使乘积（ar）增加。应当指出，多层磁光材料的结构重复距离假设为≤1毫微米这样的微小值是一种极端的例子。此外，较宽的带和不太复杂的带可以使结构有较大的循环周期。

图5至8表示带的传输装置62的结构。参见结构的端视图5，图中带的传输装置62由第一传输机构80和第二传输机构84组成。第一传输机构80和第二传输机构84之一或两者可有连续输入和接收基带36的装置。第一传输机构80有一个卷轴，此卷轴可进一步分成多个分段88，其结构被设计成便于接收和传送基带36。如第一传输机构80那样的分段卷轴可以（但并非必须）由能独立工作的分段88组成，它们有公共的旋转轴线J-J，如图8所示。

图中可清楚看出，在组件中构成分段式卷轴的分段88还可以装配成多个倾斜的卷轴。每个卷轴的分段88可有独立的旋转轴线96，它相对于通过各分段卷轴中点的公共轴线X-X成锐角。在这种情况下，有倾斜分段88的卷轴与第二传输机构84共同工作，所以当基带在互相倾斜的传输机构之间移动时必须扭曲。显然，基带36没有滑动或摆动。若仅采用传统的卷轴作为传输机构，则会造成滑动或摆却。导边100用于在每个基带接触面98的两侧控制基带。再参看图6，图中表示带的传输装置62正处于在第一传输机构80和第二传输机构84之间传输基带36的过程中。

图9表示了按本发明另一种实施例的设备152。图9举例表示了一种在基带或条片上走直线淀积原材料的系统。这种新颖的工作是用常规的基带输送装置完成的，输送装置使基带36经过适当数量的原材料例如58a、58b连续移动。原材料58a、58b在适合于对基带36进行物理汽相淀积的多个位置上。淀积用的原材料最好位于基带36支托平面的下方，基带由传输装置传送。防护屏70设计成交替的淀积流束轨迹71、72的隔板，以便能使原材料汽相流束16a、16b依次淀积在基带36上。

图10是沿图9中10-10线的剖视图。图10还表示了防护屏70的结构关系，其结构提供了在直线轨迹中多个淀积原材料室110、111，所以当输送装置移动基带36，使之按单一轨迹在原材料上方连续移动时，原材料被淀积在基带36上。设备152还有另外一种在条片或基带上淀积多层结构的高效设备和方法的实施例。这种设备可有很高的淀积速率、较低的每单位面积成本以及最后所得结构有均匀的磁特性。

按本文介绍的各种方法和设备制造的产品的一种实例是，其上有多层结构的长形条片或基带。这种薄膜制品确实是极好的。尽管有些资料谈到在盘衬底上制造多层结构，但这些资料没有解决在带状介质领域中使用的问题。因此，本发明针对一种窄带的多层薄膜，它有小宽度的适用于接受多层淀积材料的基带。淀积层由以连续方式淀积在基带上的多层淀积原材料组成。表示在图2中组成层40的这些层，如层44，45，被淀积在基带36上，所以层数超过淀积源数。各层组合后呈显出极佳的薄膜特性，各层是以连续方式真空淀积的。例如，在磁性薄膜的情况下，多层结构在矫顽性、各向异性、磁化等方面具有极好的薄膜磁特性。淀积层可为有机物、无机物或有机与无机成分的组合。

图11示意表示按本发明制造具有多层淀积的带状制品的设备。此实施例表示了一种单通道连续淀积系统202，它在基带上生成多层结构的薄膜。系统202的工作包括输送基带206使之经过装有闸板的淀积源210。多个源210最好配置成能在源中暴露的时间内得到均匀的淀积层。有必要采用适当的防护屏，以避免交叉污染或能将源互相分隔开。为做到这一点可用一种在常规的卷轴到卷轴的基础上改进后的传输系统。闸板212按一定的周期循环工作，因此，当基带或条片206经过源时，每个源按顺序淀积，从而在基带上制成多层结构的薄膜。单个制品的衬底或条片最好是盘状的衬底，但这种衬底也可以作为其它衬底的载体。

采用这种工艺过程使基片沿长度顺序暴露在淀积源材料流束中。因此，此方法使原材料顺序淀积在基片的长度上。汽相淀积循环交替的方式，使源交替暴露的次数大于源数。暴露在源中的次数与源数的比例最好大于1∶1，最佳比大于2∶1。在本发明的范围内，源的暴露比大于4∶1和10∶1是所希望的，也是可行的。

闸板212最好是图11所示的遮截式闸门。不过也可以用另一种如图12所示有多个可分别控制的闸板212的闸门结构，或如图13所示的联动闸门。图3所示的联动闸门尤其是可用于长形源216。闸门的结构、运动速度以及几何尺寸，决定了基片经暴露区时每个淀积源的暴露时间和暴露频率。在这里，暴露区是指基片上受到来自源的汽相淀积的一个规定的部分或长度，例如图11中的部分220。其它一些对于成功的淀积具有决定性意义的因素还有，源的淀积速度、基带的传输速度、孔口尺寸和可调性以及源的类型。淀积中要求提供单层的或小厚度的材料，因此本发明的遮截式闸板是最实用的。这部分原因是由于采用本实施例的闸门结构，可使淀积速率和最后所得的结构得到极佳的控制。

采用图11、12和13中表示的实施例得到多层薄膜，其中的各层与基带表面略有倾斜。倾斜量取决于层厚和两次暴露之间的时间。例如，假定基带经过一个单孔交替暴露在两个不同的淀积源中，此孔位于靠近基带的地方。还假定在两个源中暴露之间的时间为零，第一源和第二源的淀积速度分别为r₁和r₂，基带移动速度为V，以及两个源的暴露时间均为t。那么各层相对于基带的倾斜角在任何给定时刻均为tan^-1（r₁/V）或tan^-1（r₂/V），并将按周期Vt在这两个角度之间变动。

按本发明的工艺方法尤其适用于制造具有可调谐磁特性的制品。这种制品包括磁带和磁光带。此工艺方法还可方便地淀积多种材料的组合，这在过去公认为是难于进行的。按上述方法进行加工改善了成分控制。这些工艺方法还可用于制造促进科学研究和发展生产力的制品。

例1

采用图11的实施例，以实验室规模的系统进行工作，按单通道连续法在窄带上涂多层结构。在高真空度系统中，采用从卷轴到卷轴的基带传输装置，按两个电子束发射源组合的顺序传送基带。设有防护屏，所以任何时刻在带上一次只暴露在一个源组合中。这些组合中之一个由两个电子枪源组成，它们位于基带平面之下约8寸（20厘米）处，在垂直于此带的平面内对此带对称地安装着。遮截式闸板在这两个电子枪源的上方中央。一个源淀积铂，另一个源淀积钴。闸板旋转使基带交替暴露在两个电子枪源的一个中。每个电子枪源的淀积速率可独立监控，并反馈，以保持淀积速率为常值。可根据需要改变电子枪源淀积速率、闸板转速、基带传送速度、在多层结构中的各层厚度、以及多层结构的总厚度。在此例中，钴层厚在3至6埃之间变化，铂层厚保持常数为10埃。或铂层厚度在8埃至12埃之间变化，而钴层厚保持4埃不变。每层有铂和钴共约12层淀积在铂/钴多层结构薄膜的每个长度中。在本例中，除此两个电子枪组合外，有四穴单电子枪源1，它正好位于基带中央下方。此电子枪源用于将其它材料按要求淀积在多层薄膜下或薄膜上，以造成绝缘或外包层等。

例2

图14表示用例1所述方法制成的磁-光薄膜叠层224。在1寸（2.54厘米）宽的聚酰胺基带226上，按顺序形成100埃厚的铬层228，400埃厚的铝层230，250埃厚的硅层232，200埃厚的多层结构的铂/钴层234，以及200埃厚的硅层236。多层结构的铂/钴层234由交替成对的层组成，每一个层对包括10埃的铂和4埃钴。M（H）测量表明，沿带全长的磁特性相当均匀。从带上取样得到的M（H）回线表示在图15中，回线Ⅲ代表100%剩磁值。用作比较，图中还表示了回线Ⅰ和Ⅱ，它们分别代表50%和0%剩磁值。在780毫微米波长时薄膜叠层反射率为29%。具有淀积在其上面的磁光叠层的带保持平的型面，在薄膜中的应力水平不足以造成薄膜-基片组合的翘曲。

Claims (10)

1、在基带表面顺序淀积原材料的方法包括下列步骤：

a)设置基带传输装置，使基带经多个淀积源连续移动；

b)使多个淀积源面朝基带定位，基带被支托在基带传输装置上；以及

c)使基带传输装置工作，在淀积原材料的汽相淀积期间使基带经淀积源连续移动，所以基带的每一部分以一种交替循环的方式暴露在来自淀积源的淀积流束中，交替暴露在淀积源中的次数大于源数。

2、按照权利要求1所述之方法，其特征为：此方法中进行了原材料的淀积，所以至少一个暴露源淀积了少于原材料的一个完整的单层。

3、按照权利要求1所述之方法，其特征为：基底作为另一种基底的载体。

4、制造具有多层结构的基带的设备包括：

a）淀积源区，包括多个面朝基带的淀积源，基带支托在一个基带传输装置上;以及

b）基带传输装置支托基带，并使基带经淀积源区连续移动，在汽相淀积期间，在基带上生成一个多层结构，其层数大于淀积源数。

5、按照权利要求4所述之设备，其特征为：设备中有淀积源的控制机构，所以原材料可以顺序淀积。

6、按照权利要求5所述之设备，其特征为：控制机构是闸板。

7、按照权利要求4所述之设备，其特征为：基带传输装置包括具有将基带连续送入和接受装置的第一传输机构和第二传输机构。

8、按照权利要求7所述之设备，其特征为：第一传输机构包括多个分段卷轴。

9、在基带上的多层薄膜包括：

a）基带;以及

b）淀积在基带上构成多层薄膜结构的多层淀积原材料，层数超过提供原材料的淀积源数。

10、在基带上的多层薄膜包括：

a）具有接受多层淀积原材料的指定表面的基带;以及

b）淀积在基带上构成多层薄膜结构的多层淀积原材料，其中的每一层相对于此指定的表面有一个倾斜角。

Images