CN113463057A - 一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法，该装置主要包含工件转架系统、磁控溅射系统、膜厚控制系统、真空系统等；其特征在于所有工件均匀设置在公转夹具盘上、下动圈之间径向外圆周面上，轴向层叠排列，绕工件转架中心公转的同时，绕自身中心自转，提高工件径向均匀性；同时通过调节溅射靶材正前方的膜厚修正条来修正工件转架系统中工件托板及防污罩的遮挡影响，提高工件轴向均匀性；采用石英晶体膜厚控制系统控制各膜层的厚度。采用该装置及方法制备的圆柱形化妆瓶外表面装饰光学镀膜炉间、炉内均匀性、一致性在±2%以内。

Description

一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法

技术领域

本发明涉及一种磁控溅射镀膜装置和方法，特别是涉及一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法。

背景技术

随着市场发展的需要， 近年来需要进行表面处理的工件形状越来越复杂，三维立体形状越来越多，如3D手机电池盖。磁控溅射由于其优异的成膜性能， 已经越来越多的应用到表面处理中， 如光学镀膜、装饰镀膜、工具镀膜、Low-e玻璃镀膜、触摸屏电极镀膜等等。但磁控溅射的绕射性并不是很好，在正对溅射靶材和非正对溅射靶材的位置薄膜厚度存在较大差异， 因而异型的3D工件很难实现各个位置膜厚均匀，这对光学镀膜来说是个大挑战。

目前解决磁控溅射3D工件很难实现各个位置膜厚均匀的方案有三种， 一种是旋转溅射靶头，第二种是旋转工件，第三种是两者都旋转。如中国专利CN101634011B提供了一种磁控溅射的靶头可以根据工件大小和位置调整溅射方向，同时利用机械手在真空室内对工件进行翻面，从而实现复杂形状工件外表面均匀镀膜。这种装置需要的真空室空间比较大，不太适合大面积生产的水平溅射装备。在大面积生产的装备上大多采用通过旋转工件转架带动工件旋转来实现复杂形状工件的均匀镀膜。其中工件转架旋转包含工件转架的公转和自转， 其中自转又包含一重自转和二重自转。所谓公转就是指工件转架绕转架中心旋转， 所谓自转是指绕自转盘中心或者工件中心旋转。传统的一重自转就是自转盘随着公转盘公转的同时绕自转盘中心自转，如中国专利CN103590006B所示的传统公自转转架。如图1所示，驱动装置驱动动齿轮102转动，动齿轮102带动与定齿轮101啮合的传动齿轮103转动，使传动齿轮103和传动杆105绕回转状的转架中心转动，同时保持传动齿轮103和传动杆105绕传动杆105的轴线转动。传统的二重自转就是除了绕自转盘中心自转外，工件绕自身中心连续旋转或间歇旋转。如图2所示，中国专利CN105603377B所示的一种多种运行模式的转架运动机构，包括公转盘13、自转盘2-2、大自转轴2和小自转轴1；大自转轴围绕公转盘的旋转中心转动，安装在公转盘上，自转盘平行于所述公转盘固定在大自转轴上部，小自转轴围绕自转盘的旋转中心转动，安装在自转盘上。 上面两种不管是一重自转还是二重自转，其工件都是均匀分布在自转盘的圆周方向，绕自转盘中心做一重或二重旋转，这种分布对于光学薄膜来说， 膜厚控制很难做到精准，因而产品的一致性、稳定性受到很大的挑战。

此外，上述工件转架中自转盘的存在， 在磁控溅射过程中会对自转盘上、下的工件存在一些遮挡作用， 导致局部地方的薄膜厚度偏薄， 从而导致光学性能偏差，产品均匀性、一致性不好。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法，该装置主要包含工件转架系统、磁控溅射系统、膜厚控制系统、真空系统等。其特征在于所有工件均匀设置在公转夹具盘上、下动圈之间径向外圆周面上，轴向层叠排列，绕工件转架中心公转的同时， 绕自身中心自转，提高工件径向均匀性；同时通过调节溅射靶材正前方的膜厚修正条来修正工件转架系统中工件托板及防污罩的遮挡影响，提高工件轴向均匀性；采用石英晶体膜厚控制系统控制各膜层的厚度。

所述工件转架系统包含驱动部分、公转部分、自转部分。所述驱动部分主要包含驱动电机、驱动轴及轴承、以及驱动轮；所述公转部分包含与驱动轮啮合的公转轮，公转轴及轴承、公转夹具盘下动圈、上动圈以及他们之间的连杆；所述自转部分包含位于公转夹具盘下动圈之下的自转定轮、与自转定轮啮合的第一传动轮、第一传动轴、安装在第一传动轴上的第二传动轮、工件托板、固定杆、固定在工件托板上的与第二传动轮啮合的第三传动轮以及与第三传动轮啮合的自转轮、自转轴。所述工件转架系统的特征在于自转传动是多级传动方式， 且第三传动轮除了驱动自转轮旋转之外， 兼做自身自转驱动。

进一步地，所述第三传动轮与第二传动轮的啮合位置可以在中心啮合， 也可以在其他位置啮合；第二传动轮可以与1个第三传动轮啮合， 也可以同时与2个或多个第三传动轮啮合。第三传动轮与自转轮的直径可以根据转速比进行调节。

进一步地，所述固定在工件托板上的与第二传动轮啮合的第三传动轮以及与第三传动轮啮合的自转轮构成一组，每组数量为1-10个，优选为4个，由一个第二传动轮带动。

进一步地，所述第三传动轮与自转轮构成一组，每组中自转轮引导的工件与第三传动轮引导的工件之间的间距l2与l3相等，第三传动轮引导的工件之间的间距l1与l2和l3的差异尽量小，小于10mm, 优选小于5mm。组与组之间的间距l4与l2和l3的差异尽量小，小于10mm, 优选小于5mm。

进一步地，为了保证圆柱体上端与下端均匀性尽量一致，且保证最大的装载量，工件托板与托板之间间距均等，且工件托板外边缘与工件表面距离小于10mm, 优选小于5mm。

进一步地，为了保证每个圆柱体外表面径向均匀性，工件自转速度与公转速度的比值大于1且可调节，优选为10/1。

进一步地， 所述第二传动轮、第三传动轮、自转轮之间的传动， 并不局限于齿轮啮合传动，摩擦轮传动、链条传动或者同步带传动都可以实现此功能， 优选齿轮传动。

所述磁控溅射系统包含磁控溅射电源、磁控溅射靶材、磁控溅射靶头、以及膜厚修正条。所述溅射靶材可以是圆柱靶也可以是平面靶；溅射靶材与工件转架均沿轴向方向延伸、水平溅射。所述溅射电源可以是中频电源、也可以是直流电源。所述膜厚修正条位于溅射靶材的正前方， 由许多手指条组成，手指条的长短可根据膜厚需要进行调节。手指条长的时候，被遮挡的溅射材料较多，沉积到工件的物质少， 膜厚薄；反之，手指条短的时候，被遮挡的溅射材料较少，沉积到工件的物质多， 膜厚厚。

进一步地，所述溅射靶材与工件之间的距离即靶基距可调，优选为100mm。

所述膜厚控制系统包含石英晶振探头、石英晶体、膜厚仪以及传输线。所述石英晶振探头设置于公转夹具盘下动圈与上动圈之间的支架中心位置，随工件转架公转，不自转。由于工件自转的存在，所述石英晶体检测到的膜厚与实际工件上的膜厚存在差异， 需要通过工具因子来修正。

为了尽量提高产能，在磁控溅射靶材的有效镀膜区内分多层自转夹具， 层与层之间用工件托板隔开。为了避免每一层自转夹具的轴承、齿轮对下一层产品产生污染，设计了专门的防污罩。

本发明实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射的方法包含以下步骤:S1磁控溅射单层介质膜来校正膜厚仪工具因子；S2 磁控溅射单层介质膜计算各材料折射率(n)、吸收系数（k）随波长的色散关系；S3 工件轴向均匀性调整； S4 整炉工件径向均匀性调整；S5带膜系光学薄膜镀膜。

附图说明

图1现有真空镀膜机一重自转结构示意图

图中：101---定齿轮；102--动齿轮；103---传动齿轮；104---连接杆；105---传动杆；106—顶板

图2现有真空镀膜机二重自转结构示意图

图中：1—小自转轴、2—大自转轴、2-2—自转盘、3—轴承、6—内动力小齿轮、7—内动力轴、8—小扭力传递齿轮、9---固定小齿轮、10—外动力小齿轮、11—外动力轴、12—大扭力传递齿轮、13—公转盘、14—齿轮盘、15—固定盘、14-1&15-1---滚珠槽、14-2&15-2—滚珠、14-3—公转盘限位轴承、15-3—齿轮盘限位轴承、16—转架绝缘组件。

图3本发明一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置示意图

图中：301---工件转架系统；302-1---磁控溅射靶材；302-2---膜厚修正条；302-3---磁控溅射靶头；303---膜厚控制系统之晶控探头；304—圆柱体工件；305---真空腔室

图4本发明所提供的一种工件转架结构示意图

图中：401---驱动轴；402—驱动齿轮；403—公转齿轮；404—公转夹具盘下动圈；405---公转夹具盘上动圈；406---第一传动齿轮；407—第一传动轴轴承座；408---第一传动轴；409---固定杆；410---第三传动齿轮；411—自转齿轮；412---工件托板

图5图4中传动部分结构放大示意图

501---自转定齿；502---第二传动齿轮

图6图5中自转结构放大示意图

图7第三传动轮与第二传动轮的另一种啮合形式示意图

图8第三传动轮与第二传动轮的另一种啮合形式示意图

图9图3中工件间距结构示意图

图10采用本发明提供磁控溅射装置及方法所镀制的圆柱形化妆瓶外表面装饰光学薄膜反射率曲线

具体实施例

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

为了便于描述， 本发明中，对以下术语进行定义， 除特殊说明， 该术语适用于本发明的各个部分。

公转：是齿轮或工件绕转架中心轴线的旋转方式；

自转：是指齿轮、传动杆、传动轴或工件绕自身轴线的旋转方式；

靶基距：是指磁控溅射靶材的工作面到工件表面的直线距离。

如图3、4所示，本发明提供一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法，该装置主要包含工件转架系统301、磁控溅射系统302、膜厚控制系统303、真空系统305等。其特征在于所有工件均匀设置在公转夹具盘上动圈405、下动圈404之间径向外圆周面上，轴向层叠排列，绕工件转架中心公转的同时， 绕自身中心自转，提高工件径向均匀性；通过调节溅射靶材302-1正前方的膜厚修正条302-2来修正工件转架系统中工件托板411及防污罩（图中未显示）的遮挡影响，提高工件轴向均匀性；采用石英晶体膜厚控制系统303控制各膜层的厚度。

如图4、5、6所示，本发明所提供的一种优选工件转架系统包含驱动部分、公转部分、自转部分。所述驱动部分主要包含驱动电机（图中未显示）、驱动轴401及轴承（图中未显示）、以及驱动齿轮402；所述公转部分包含与驱动轮啮合的公转齿轮403，公转轴及轴承（图中未显示）、公转夹具盘下动圈404和上动圈405以及他们之间的连杆（图中未显示）；所述自转部分包含位于公转夹具盘下动圈之下的自转定齿501、与自转定齿啮合的第一传动齿轮406、第一传动转轴408、安装在第一传动轴上的第二传动齿轮502、工件托板412、固定杆409、固定在工件托板上的与第二传动齿轮啮合的第三传动齿轮410以及与第三传动齿轮啮合的自转齿轮411、自转轴（图中未显示）。所述工件转架系统的特征在于自转传动是多级传动方式， 且第三传动轮除了驱动自转轮旋转之外， 兼做自身自转驱动。

当驱动电机带动驱动齿轮402转动时，驱动齿轮402带动公转齿轮403转动，进而带动公转夹具盘上动圈405、下动圈404公转。在公转夹具盘下动圈404的带动下，第一传动齿轮406绕第一传动轴407旋转，带动第二传动齿轮502绕第一传动轴407旋转，第二传动齿轮502带动第三传动齿轮410旋转，然后第三传动齿轮410带动自转齿轮411旋转，自转齿轮411带动工件304绕自身中心旋转。

如图4、5所示，2个第三传动齿轮410与2个自转齿轮411构成一组，每组数量为4个，由一个第二传动齿轮502带动， 整个转架包含24个组， 轴向单层合计可容纳96个自转工件。

如图6所示，所述第三传动齿轮与第二传动齿轮的啮合位置在中心，所述第二传动齿轮同时与2个第三传动齿轮啮合。图7、图8是另两种第三传动齿轮与第二传动齿轮不同啮合形式的示意图。

如图9所示，每组中自转齿轮引导的工件与第三传动齿轮引导的工件之间的间距l2与l3相等，第三传动齿轮引导的工件之间的间距l1与l2和l3的差异尽量小，小于10mm,优选小于5mm。组与组之间的间距l4与l2和l3的差异尽量小，小于10mm, 优选小于5mm。

如图4、5所示，为了保证圆柱体上端与下端均匀性尽量一致，且保证最大的装载量，工件托板与托板之间之间间距均等; 如图7所示，工件托板外边缘与工件表面距离小于10mm, 优选小于5mm。

进一步地，为了保证每个圆柱体外表面径向均匀性，工件自转速度与公转速度的比值大于1且可调节，优选为2.45/1。

进一步地， 所述第二传动齿轮、第三传动齿轮、自转齿轮之间的传动， 并不局限于齿轮啮合传动， 其他的摩擦轮传动、链条传动或者同步带传动都可以实现此功能， 优选齿轮传动。

如图3所示，所述磁控溅射系统包含磁控溅射电源（图中未显示）、磁控溅射靶材302-1、磁控溅射溅射靶头302-3、以及膜厚修正条302-2。所述溅射靶材302-1可以是圆柱靶也可以是平面靶；溅射靶材与工件转架均沿轴向方向延伸、水平溅射。所述溅射电源可以是中频电源、也可以是直流电源。所述膜厚修正条302-2位于溅射靶材的正前方， 由许多手指条组成，手指条的长短可根据膜厚需要进行调节。手指条长的时候，被遮挡的溅射材料较多，沉积到工件的物质少， 膜厚薄；反之，手指条短的时候，被遮挡的溅射材料较少，沉积到工件的物质多， 膜厚厚。

进一步地，所述溅射靶材与工件之间的距离即靶基距可调，优选为100mm。

所述膜厚控制系统包含石英晶振探头303、石英晶体、膜厚仪以及传输线。所述石英晶振探头设置于公转夹具盘下动圈与上动圈之间的支架中心位置，随工件转架公转，并不自转。由于工件自转的存在，所述石英晶体检测到的膜厚与实际工件上的膜厚存在差异，需要通过工具因子来修正。

为了尽量提高产能，在磁控溅射靶材的有效镀膜区内分多层自转夹具， 层与层之间用工件托板隔开。为了避免每一层自转夹具的轴承、齿轮对下一层产品产生污染，设计了专门的防污罩（图中未显示）。

本发明实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射的方法包含:S1磁控溅射单层介质膜来校正膜厚仪工具因子；S2 磁控溅射单层介质膜计算各材料折射率(n)、吸收系数（k）随波长的色散关系；S3 工件轴向均匀性调整； S4 整炉工件径向均匀性调整；S5 带膜系光学薄膜镀膜。图10采用本发明提供磁控溅射装置及方法所镀制的圆柱形化妆瓶外表面装饰光学薄膜反射率曲线的炉内、炉间对比， 其均匀性、一致性可在±2%以内。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置及方法，该装置主要包含工件转架系统、磁控溅射系统、膜厚控制系统、真空系统等；其特征在于所有工件均匀设置在公转夹具盘上、下动圈之间径向外圆周面上，轴向层叠排列，绕工件转架中心公转的同时，绕自身中心自转，提高工件径向均匀性；同时通过调节溅射靶材正前方的膜厚修正条来修正工件转架系统中工件托板及防污罩的遮挡影响，提高工件轴向均匀性；采用石英晶体膜厚控制系统控制各膜层的厚度。

2.如权利要求1所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述工件转架系统包含驱动部分、公转部分、自转部分；所述驱动部分主要包含驱动电机、驱动轴及轴承、以及驱动轮；所述公转部分包含与驱动轮啮合的公转轮，公转轴及轴承、公转夹具盘下动圈、上动圈以及他们之间的连杆；所述自转部分包含位于公转夹具盘下动圈之下的自转定轮、与自转定轮啮合的第一传动轮、第一传动轴、安装在第一传动轴上的第二传动轮、工件托板、固定杆、固定在工件托板上的与第二传动轮啮合的第三传动轮以及与第三传动轮啮合的自转轮、自转轴；所述工件转架系统的特征在于自转传动是多级传动方式，且第三传动轮除了驱动自转轮旋转之外，兼做自身自转驱动。

3.如权利要求2所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述固定在工件托板上的与第二传动轮啮合的第三传动轮以及与第三传动轮啮合的自转轮构成一组，每组数量1-10个，优选为4个。

4.如权利要求2所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述第三传动轮与第二传动轮的啮合位置可以在中心啮合，也可以在其他位置啮合；第二传动轮可以与1个第三传动轮啮合，也可以同时与2个或多个第三传动轮啮合。

5.如权利要求2所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述第三传动轮与自转轮构成一组，每组中自转轮引导的工件与第三传动轮引导的工件之间的间距l2与l3相等，第三传动轮引导的工件之间的间距l1与l2和l3的差异尽量小，小于10mm, 优选小于5mm；组与组之间的间距l4与l2和l3的差异尽量小，小于10mm, 优选小于5mm。

6.如权利要求2所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述第二传动轮、第三传动轮、自转轮之间的传动，并不局限于齿轮啮合传动，摩擦轮传动、链条传动或者同步带传动都可以实现此功能，优选齿轮传动。

7.如权利要求1所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述磁控溅射系统包含磁控溅射电源、磁控溅射靶材、磁控溅射靶头、以及膜厚修正条，所述膜厚修正条位于溅射靶材的正前方，由许多手指条组成，手指条的长短可根据膜厚需要进行调节。

8.如权利要求1所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述膜厚控制系统包含石英晶振探头、石英晶体、膜厚仪以及传输线；所述石英晶振探头安装在设置于公转夹具盘下动圈与上动圈之间的支架中心位置，随工件转架公转。

9.如权利要求1所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射装置，其特征在于所述磁控溅射靶材的有效镀膜区内分多层自转夹具，层与层之间用工件托板隔开；为了避免每一层自转夹具的轴承、齿轮对下一层产品产生污染，设计了专门的防污罩。

10.如权利要求1所述的一种实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射方法，其特征在于实现圆柱体外表面光学镀膜的磁控溅射的方法包含如下步骤:S1磁控溅射单层介质膜工具因子测试；S2 磁控溅射单层介质膜折射率(n)、吸收系数（k）计算；S3 工件轴向均匀性调整； S4 整炉工件径向均匀性调整；S5 带膜系光学薄膜镀膜。

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