CN109763107B

CN109763107B - 一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统

Info

Publication number: CN109763107B
Application number: CN201910115340.1A
Authority: CN
Inventors: 张锡强; 李欢乐; 王茜; 李珪; 赵羽晴; 余赐贤
Original assignee: Tuomi Chengdu Applied Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Chengdu tuomi shuangdu photoelectric Co.,Ltd.
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: CN109763107A

Abstract

本发明公开了一种用于制备金属‑高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，包括：真空腔体、质量流量控制系统、真空抽气系统和电浆电源供应器；所述真空腔体设置有进气管道和抽气管道；所述真空抽气系统通过抽气管道与真空腔体内部连通；所述质量流量控制系统通过进气管道与真空腔体内部连通；所述真空腔体内部设置有上方电极、下方电极和基材支架；所述基材支架位于上方电极和下方电极之间；所述下方电极上部设置有靶材支架；所述上方电极和下方电极均连接至电浆电源供应器。本发明通过电浆在物理气相沉积以及化学气相沉积上的应用，设计了可以进行高分子聚合反应和金属溅镀的真空薄膜系统，可以在单一基材上制备金属‑高分子多层复合薄膜。

Description

一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统

技术领域

本发明涉及真空镀膜系统，尤其是一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统。

背景技术

目前，绝大多数溅镀及气相化学反应都是分开进行的，这是为了避免不同制程间的干扰，如果要研究金属-高分子等形式的复合薄膜，就必须采用两套真空镀膜系统，这无疑是经费上的一大负担，而且也增加系统维护的麻烦，最大的缺点是：无法在真空下连续镀膜以形成金属-高分子多层复合薄膜。

电浆应用在化学气相沉积法(PECVD)，就是将反应物质激发，使其由基态(groundState提升到激发态(Excitation State),并产生大量的活性自由基(Free Radical)，在电浆聚合(Plasma Polymerization)中，吸附在基材表面的单体(Nonomer),也同样会受激化而形成活性物种，然后和活化或非活化物种聚合形成薄膜；这一系列的反应都是在比传统化学气相沉积法低温的状态下发生其温度范围从室温到200℃，远低于一般化学气相沉积法的操作温度(300-1000℃)。在物理气相沉积方面(PVD)，以电浆进行溅镀是电浆众多应用的一种，在电浆溅镀中，离子可以有效撞击靶材元素带到基材表面，然后在表面沉积成膜，除了一般的金属和合金靶材外，对于高熔点金属甚至无机物(玻璃、陶瓷等)的镀膜，电浆溅镀的效用远胜于蒸镀方式。

由此，电浆技术可以同时应用在物理气相沉积以及化学气相沉积上，正因为电浆技术在应用上有极大的潜力，所以被广泛的研究及使用在工业界，而我们便利用电浆这种特性为基础，设计一套可以同时进行金属溅镀与化学气相反应的电浆辅助化学气相沉积真空镀膜系统，借由此真空镀膜系统，可以在单一基材上制备金属-高分子多层复合薄膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统以及制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，包括：真空腔体、质量流量控制系统、真空抽气系统和电浆电源供应器；

所述真空腔体设置有进气管道和抽气管道；所述真空抽气系统通过抽气管道与真空腔体内部连通；所述质量流量控制系统通过进气管道与真空腔体内部连通，用于向真空腔体内部持续充入用于产生电浆的气体，并间断地充入反应物；

所述真空腔体内部设置有上方电极、下方电极和基材支架；所述基材支架位于上方电极和下方电极之间，用于固定基材；所述下方电极上部设置有固定金属靶材的靶材支架；所述上方电极和下方电极均连接至电浆电源供应器，用于在电浆电源供应器的作用下与用于产生电浆的气体反应产生电浆，使充入真空腔体内部的反应物在电浆的作用下进行高分子聚合反应，以及使金属靶材在充入真空腔体内部的电浆的作用下进行金属溅镀，从而在基材表面交替形成高分子薄膜和金属薄膜。

进一步，所述质量流量控制系统，包括第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器；所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器均通过进气管道与真空腔体内部连通；所述第一质量流量控制器用于向真空腔体内部充入所述反应物中的四甲基双硅氧烷；所述第二质量流量控制器用于向真空腔体内部充入所述反应物中的氧气；所述第三质量流量控制器用于向真空腔体内部充入氮气；所述第四质量流量控制器用于向真空腔体内部充入氩气。

进一步，所述质量流量控制系统，还包括电性连接至所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器的质量流量总控制器，用于调节所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器的流量。

进一步，所述第一质量流量控制器为蒸汽质量流量控制器，并连接有质量流量温度控制器，用于控制所述第一质量流量控制器的温度。

进一步，所述进气管道，包括设置在真空腔体上部的第一进气管道和设置在真空腔体下部的第二进气管道；所述第一质量流量控制器和第二质量流量控制器通过第一进气管道与真空腔体内部连通；所述第三质量流量控制器和第四质量流量控制器通过第二进气管道与真空腔体内部连通。

进一步，所述上方电极和下方电极均包括：电极主体和电极护板；所述电极主体与电极护板固定连接形成中空的电极腔体；所述电极护板具有多个进气通孔；所述第一进气管道与上方电极的电极腔体连通；所述第二进气管道与下方电极的电极腔体连通。

进一步，所述下方电极的电极腔体内呈圈状均匀放置有永久磁铁。

进一步，所述靶材支架上设有靶材挡板，所述靶材挡板通过一连接杆与连接外部的控制阀，用于在进行高分子聚合反应时挡住金属靶材。

进一步，所述基材支架通过旋转轴连接有一旋转杆，并通过旋转杆的作用进行旋转，用于将基材旋转至相应的反应区域。

进一步，所述真空抽气系统，包括依次连通的压力调节阀、油旋转泵和罗茨泵；所述压力调节阀还通过进气管道与真空腔体内部连通。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过电浆在物理气相沉积以及化学气相沉积上的应用，设计了可以进行高分子聚合反应和金属溅镀的真空薄膜系统，采用本发明的真空薄膜系统可以在单一基材上制备金属-高分子多层复合薄膜。

2、本发明将高分子聚合反应所需反应物从真空腔体的上部充入，将金属靶材固定在真空腔体下部，从而将高分子聚合反应限定在真空腔体上部进行，将金属溅镀限定在真空腔体下部进行，避免了高分子聚合反应和金属溅镀的干扰。

3、本发明在电极中设置有永久磁铁，通过永久磁铁的磁场作用，提交镀膜速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的真空镀膜系统的主体结构示意图。

图2为本发明的真空镀膜系统的详细结构示意图。

图3为本发明的真空腔体的详细结构示意图。

图4为本发明的电极护板的结构示意图。

图5为采用本发明进行电浆金属电镀时电极护板表面电浆辉光效应图。

附图标记：1-真空腔体，2-质量流量控制系统，21-第一质量流量控制器，22-第二质量流量控制器，23-第三质量流量控制器，24-第四质量流量控制器，25-质量流量总控制器，26-质量流量温度控制器，3-真空抽气系统，30-抽气管道，31-压力调节阀，32-油旋转泵，33-罗茨泵，4-电浆电源供应器，5-进气管道，51-第一进气管道，52-第二进气管道，6-真空压力计，11-上方电极，12-下方电极，13-基材支架，130-基材，14-靶材支架，15-金属靶材，16-靶材挡板，17-旋转杆，18-永久磁铁，21-电极主体，22-电极护板，220-进气通孔，221-螺纹孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，如图1所示，包括：真空腔体1、质量流量控制系统2、真空抽气系统3和电浆电源供应器4；

所述真空腔体1设置有进气管道5和抽气管道30；所述真空抽气系统3通过抽气管道30与真空腔体1内部连通；所述质量流量控制系统2通过进气管道5与真空腔体1内部连通，用于向真空腔体1内部持续充入用于产生电浆的气体，并间断地充入反应物；

所述真空腔体1内部设置有上方电极11、下方电极12和基材支架13；所述基材支架13位于上方电极11和下方电极12之间，用于固定基材130；所述下方电极12上部设置有固定金属靶材15的靶材支架14；所述上方电极11和下方电极12均连接至电浆电源供应器4，用于在电浆电源供应器4的作用下与用于产生电浆的气体反应产生电浆，使充入真空腔体1内部的反应物在电浆的作用下进行高分子聚合反应，以及使金属靶材15在充入真空腔体1内部的电浆的作用下进行金属溅镀，从而在基材130表面交替形成高分子薄膜和金属薄膜。

如图2所示，所述质量流量控制系统2，包括第一质量流量控制器21、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24；所述第一质量流量控制器21、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24均通过进气管道5与真空腔体1内部连通；所述第一质量流量控制器21用于向真空腔体1内部充入所述反应物中的四甲基双硅氧烷(TMDSO)，也可以采用六甲基双硅氧烷(HMDSO)或八甲基三硅氧烷(OMTSO)；所述第二质量流量控制器22用于向真空腔体1内部充入所述反应物中的氧气；所述第三质量流量控制器23用于向真空腔体1内部充入氮气；所述第四质量流量控制器24用于向真空腔体1内部充入氩气，即用于产生电浆的气体。所述质量流量控制系统2，还包括电性连接至所述第一质量流量控制器21、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24的质量流量总控制器25，用于调节所述第一质量流量控制器21、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24的流量。

进一步，反应物中的四甲基双硅氧烷为液体，因此，所述第一质量流量控制器21为蒸汽质量流量控制器，并连接有质量流量温度控制器26，用于控制所述第一质量流量控制器21的温度，避免四甲基双硅氧烷的凝结。而第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24为气体质量流量控制器。本实施例的质量流量控制系统2均采用MKS公司制造的产品，其中，第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24采用1159B型质量流量控制器，质量流量温度控制器26的型号为MKS260Controller，质量流量总控制器25的型号为MKS247C4-Chanel Controller。需要说明的是，由于在多层膜的制备过程中，需要频繁的更换反应物质，因此，第一质量流量控制器21、第二质量流量控制器22、第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24，也可以采用能将流速控制在一定压力范围的手动阀门，虽然会降低一定的流量控制精度，但是使用更方便，成本更低，可根据需要进行选择。

由于金属靶材15直接暴露在进行高分子聚合反应的电浆环境下，反应产生的高分子聚合物容易沉积在金属靶材15上，抑制金属溅镀。因此，优选地，如图3所示，所述进气管道5，包括设置在真空腔体1上部的第一进气管道51和设置在真空腔体1下部的第一进气管道52；所述第一质量流量控制器21和第二质量流量控制器22通过第一进气管道51与真空腔体1内部连通；所述第三质量流量控制器23和第四质量流量控制器24通过第一进气管道52与真空腔体1内部连通。由此，高分子聚合反应区域主要发生在真空腔体1上部，金属溅镀主要发生在真空腔体1下部，从而避免了高分子聚合反应和金属溅镀的相互干扰。

其中，所述上方电极11和下方电极12均包括：电极主体21和电极护板22；所述电极主体21与电极护板22固定连接形成中空的电极腔体；如图4所示，所述电极护板22具有多个进气通孔220；所述第一进气管道51与上方电极11的电极腔体连通；所述第一进气管道52与下方电极12的电极腔体连通。所述电极护板22采用氧化铝制成，并在四角设置有螺纹孔221，通过螺栓与电极主体21固定连接。

所述下方电极12的电极腔体内呈圈状(如体育场跑道圈状等)均匀放置有永久磁铁18。电浆电子被捕捉在电极护板22表面上以圈状的轨道进行圆形摆动，表现为如图5所示的辉光放电形式，在永久磁铁的磁场作用范围内，电浆的密度将因此种电子运动而增强，也就是说离子密度和离子能量即使在较低压力下(较长平均自由径)，也能保持相当强度，因此得到较高镀膜速率。

进一步，在所述靶材支架14上设有靶材挡板，所述靶材挡板通过一连接杆与连接外部的控制阀，用于在进行高分子聚合反应时挡住金属靶材15。所述基材支架13通过旋转轴连接有一旋转杆17，并通过旋转杆17的作用进行旋转，用于将基材130旋转至相应的反应区域。即，在进行高分子聚合反应时，通过旋转杆17的作用将基材130旋转至表面朝上，便于在表面形成高分子薄膜，在进行金属溅镀时，通过旋转杆17的作用将基材130旋转至表面朝下，便于在表面形成金属薄膜。

其工作原理为：

第一步，镀膜准备：

(1)以玻璃片为基材130，采用胶带将基材130固定在基材支架13上；

(2)以铂金为金属靶材15，将金属靶材15固定在靶材支架14上；

(3)通过真空抽气系统3将真空腔体1内部气压抽至10^-3Torr以下；

具体地，所述真空抽气系统3，包括依次连通的压力调节阀31、油旋转泵32和罗茨泵33；所述压力调节阀31还通过进气管道5与真空腔体1内部连通。通过真空抽气系统3抽真空腔体1内部气压分为两段操作：第一段操作采用油旋转泵32将真空腔体1内部气压抽至1.5×10⁰Torr；第二段操作采用油旋转泵32和罗茨泵33，将真空腔体1内部气压抽至10^- ³Torr以下，在此过程中，需要实时观察真空腔体1内部气压，本实施例采用型号为TPG-252的真空压力计6进行探测。所述压力调节阀31为象限摇开式阀门(蝴蝶阀门)，可以在一定范围内适度的调整压力值。

第二步，金属溅镀：

(1)第一质量流量控制器21和第二质量流量控制器22不充入反应物，通过旋转杆17的作用将基材130旋转至表面朝下；

(2)第三质量流量控制器23向真空腔体1内部充入氩气，设定氩气的流速为15SCCM；

(3)开启电浆电源供应器4，并设定功率为100W，向真空腔体内部的氧化铝制成的上方电极和下方电极通电，与氩气反应形成电浆；在电浆的作用下进行金属溅镀，从而在基材表面形成金属薄膜；

(4)第三质量流量控制器23停止向真空腔体1内部充入氩气，并关闭电浆电源供应器4；

第三步，高分子聚合反应：

(1)通过旋转杆17的作用将基材130旋转至表面朝上，并用靶材挡板16挡住金属靶材15；

(2)第一质量流量控制器21向真空腔体1内部充入四甲基双硅氧烷，同时第二质量流量控制器22向真空腔体1内部充入氧气，并设定第一质量流量控制器21和第二质量流量控制器22的流速均为10SCCM；

(3)开启电浆电源供应器4，并设定功率为100W，向真空腔体内部的氧化铝制成的上方电极和下方电极通电，与氩气反应形成电浆；在电浆的作用下使四甲基双硅氧烷和氧气发生高分子聚合反应，形成高分子薄膜；

第四步，根据需要，重复进行第二步和第三步，在基材130表面形成金属-高分子多层复合薄膜。需要说明的是，金属薄膜和高分子薄膜的制备优先顺序并不限定，可以在基材上先制备高分子薄膜，再制备金属薄膜，也可以先制备金属薄膜，再制备高分子薄膜；

第五步，第四质量流量控制器24向真空腔体1内部充入氮气，使真空腔体1内部气压由真空状态回复到大气压力，然后取出制备好的金属-高分子多层复合薄膜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，包括：真空腔体、质量流量控制系统、真空抽气系统和电浆电源供应器；

所述真空腔体内部设置有上方电极、下方电极和基材支架；所述基材支架位于上方电极和下方电极之间，用于固定基材；所述下方电极上部设置有固定金属靶材的靶材支架；所述上方电极和下方电极均连接至电浆电源供应器，用于在电浆电源供应器的作用下与用于产生电浆的气体反应产生电浆，使充入真空腔体内部的反应物在电浆的作用下进行高分子聚合反应，以及使金属靶材在电浆的作用下进行金属溅镀，从而在基材表面交替形成高分子薄膜和金属薄膜；所述靶材支架上设有靶材挡板，所述靶材挡板通过一连接杆与连接外部的控制阀，用于在进行高分子聚合反应时挡住金属靶材；所述基材支架通过旋转轴连接有一旋转杆，并通过旋转杆的作用进行旋转，用于将基材旋转至相应的反应区域。

2.如权利要求1所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述质量流量控制系统，包括第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器；所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器均通过进气管道与真空腔体内部连通；所述第一质量流量控制器用于向真空腔体内部充入所述反应物中的四甲基双硅氧烷；所述第二质量流量控制器用于向真空腔体内部充入所述反应物中的氧气；所述第三质量流量控制器用于向真空腔体内部充入氮气；所述第四质量流量控制器用于向真空腔体内部充入氩气。

3.如权利要求2所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述质量流量控制系统，还包括电性连接至所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器的质量流量总控制器，用于调节所述第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器的流量。

4.如权利要求2所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述第一质量流量控制器为蒸汽质量流量控制器，并连接有质量流量温度控制器，用于控制所述第一质量流量控制器的温度。

5.如权利要求2所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述进气管道，包括设置在真空腔体上部的第一进气管道和设置在真空腔体下部的第二进气管道；所述第一质量流量控制器和第二质量流量控制器通过第一进气管道与真空腔体内部连通；所述第三质量流量控制器和第四质量流量控制器通过第二进气管道与真空腔体内部连通。

6.如权利要求5所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述上方电极和下方电极均包括：电极主体和电极护板；所述电极主体与电极护板固定连接形成中空的电极腔体；所述电极护板具有多个进气通孔；所述第一进气管道与上方电极的电极腔体连通；所述第二进气管道与下方电极的电极腔体连通。

7.如权利要求6所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述下方电极的电极腔体内呈圈状均匀放置有永久磁铁。

8.如权利要求1所述的用于制备金属-高分子多层复合薄膜的真空镀膜系统，其特征在于，所述真空抽气系统，包括依次连通的压力调节阀、油旋转泵和罗茨泵；所述压力调节阀还通过进气管道与真空腔体内部连通。