CN116904955B - 离子束辅助沉积镀膜装置及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子束辅助沉积镀膜装置，包括：源系统：包括至少一组镀膜系统和至少一组刻蚀系统，镀膜系统包括离子源、蒸发源、激光源或电子束，刻蚀系统包括离子源；真空系统：提供真空环境；走带系统：对带材进行收放卷；控制系统：在控制系统的作用下，所述走带系统进行收放卷，所述镀膜系统对处于真空环境内的带材进行镀膜和/或所述刻蚀系统对处于真空环境内的带材进行刻蚀。通过对前几道走带同时进行镀膜和刻蚀，且刻蚀速度大于镀膜速度，使净沉积速度很低，但由于高的刻蚀速度，在此沉积的氧化镁会形成极优的织构度，保证同根带材两端的织构度差别＜10％，最终制备的超导带材，两端的临界电流差别小于10％，进而提高了镀膜效果。

Description

离子束辅助沉积镀膜装置及镀膜方法

技术领域

本发明涉及超导带材技术领域，具体地，涉及一种离子束辅助沉积镀膜装置及镀膜方法。

背景技术

随着1986年IBM苏黎世实验室的研究人员G.Bednorz和K.A.Müller在实验上发现了高温超导体，引发了研究热潮并迅速将材料的临界温度突破了液氮温区。经过三十多年的发展，高温超导线材和带材的发展也日趋成熟。期间人们先后发展了以BSCCO为代表的第一代高温超导商业化线材和带材(1G-HTS)包括Bi-2212^[4]和Bi-2223和以REBCO为代表的第二代高温超导商业化带材(2G-HTS)。相比于第一代高温超导带材，第二代高温超导带材具有众多的优势，例如大的电流密度，外磁场下更高的性能和更低的原材料成本。

目前世界各国相继开展了大量的高温超导强电应用研究和工程示范项目。主要的应用领域包括电力领域与磁体领域。电力领域包括超导电缆、超导限流器、超导风机、超导变压器、超导储能等。磁体领域包括高场磁体、核磁共振、超导感应加热、超导磁悬浮、加速器、核聚变等。

由于晶界的弱连接，二代高温超导带材很难采用一代高温超导带材的粉末包套工艺制备。高性能的REBCO膜层非常依赖双轴织构的微观组织，只有在双轴织构化的基底上通过外延生长克服了晶界的弱连接，才能够制备高质量的REBCO膜层。因此目前二代高温超导带材普遍采用在柔性基底上的薄膜沉积工艺，这也使得REBCO带材被称为涂层导体。一个典型的涂层导体包括金属基带、隔离缓冲层、超导层和保护层。第二代高温超导带材整个技术路线主要由氧化物隔离缓冲层的双轴织构建立、超导层外延生长工艺和加强处理来决定的。

缓冲层既可以阻挡金属基底元素扩散并与超导层发生反应，同时也是超导层外延生长的织构基底。这要求其致密、具有很好的化学稳定性、具有双轴织构并且与超导层的晶格结构匹配良好。目前人们已经发展了多种技术路线，包括轧制辅助双织构基带(RABiTS)技术，倾斜基片沉积(ISD)技术和离子束辅助沉积(IBAD)技术。

IBAD-MgO是一种不错的织构层选择。但是在实际生产REBCO长带过程中，还面临着诸多的问题：

1、现有的IBAD设备效率低，MgO层的涂覆效果差。

2、单根带材走带过程中，其中某一段速度波动大，致使带材出现织构不稳定的情况，影响产品性能。

3、带轮上容易黏连颗粒，容易在带材表面形成凸点，致使周围膜层碎裂，影响产品性能。

4、多道带材摩擦力的累加，受力不均匀，使得带材出现卡顿现象，致使镀膜不稳定，影响产品性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种离子束辅助沉积镀膜装置及镀膜方法。

根据本发明提供的一种离子束辅助沉积镀膜装置,包括：源系统：包括至少一组镀膜系统和至少一组刻蚀系统，所述镀膜系统包括离子源、蒸发源、激光源或电子束，所述刻蚀系统包括离子源；真空系统：提供真空环境；走带系统：对带材进行收放卷；控制系统：在控制系统的作用下，所述走带系统进行收放卷，所述镀膜系统对处于真空环境内的带材进行镀膜和/或所述刻蚀系统对处于真空环境内的带材进行刻蚀。

优选地，还包括靶座和冷却系统，所述靶座用于支撑靶材，所述靶座能够在水平垂直于带材运动的方向前后调节；所述冷却系统对靶材进行冷却。

优选地，还包括弧形水冷板，所述弧形水冷板设置在带材背离靶材的一侧，所述弧形水冷板能够在水平垂直于带材运动的方向上下调节，所述弧形水冷板对与弧形水冷板贴合的带材进行水冷。

优选地，还包括工艺气路；所述工艺气路集成在弧形水冷板上，所述弧形水冷板靠近带材的一侧设置有一条或多条与带材运动方向平行的走道，任一所述走道上均设置有弧形水冷板气路出口；或，所述工艺气路设置在真空腔壁上；或，所述工艺气路设置在靶材与弧形水冷板之间，且所述工艺气路不对镀膜和刻蚀产生干涉。

优选地，所述镀膜系统发射的离子束包括聚焦束或平行束，所述刻蚀系统发射的离子束包括发散束或平行束；所述走带系统包括n道连续走带，n为带材的总道数；所述镀膜系统发出的离子束中心线与靶材的交点对应带材刻蚀镀膜区域的后二分之一n道带材区，形成带材镀膜区；所述刻蚀系统发出的离子束中心线与带材的交点位于带材刻蚀镀膜区域的前二分之一n道带材区，形成带材刻蚀区。

优选地，所述镀膜系统的聚焦栅网的焦距为10-50cm，所述刻蚀系统的发散源的焦距至少为10cm。

优选地，所述镀膜系统的离子束中心线与靶材的锐角夹角的角度为45°±5°；所述刻蚀系统的离子束中心线与带材的锐角夹角的角度为45°±5°。

优选地，还包括离子源调整机构，所述离子源调整机构调整镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源的倾斜角度，所述离子源调整机构调整镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源在竖直方向上的高度。

优选地，所述离子源调整机构包括夹紧座、调整螺杆、调整螺母以及压紧块；所述夹紧座允许调整螺杆竖直穿入并沿调整螺杆的长度方向运动，所述调整螺母螺纹连接在调整螺杆上，且所述调整螺母设置在夹紧座的下方并与夹紧座接触；所述夹紧座允许与镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源紧固连接的连接轴转动安装，所述压紧块将与镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源紧固连接的连接轴与夹紧座紧固连接。

优选地，所述离子源调整机构包括长调整螺杆、短调整螺杆、第一固定座、第二固定座、第一调整螺母以及第二调整螺母；所述第一固定座允许长调整螺杆竖直穿入并沿长调整螺杆的长度方向转动移动，所述第一调整螺母螺纹连接在长调整螺杆上，所述第一调整螺母与第一固定座连接，所述第一固定座允许与镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源紧固连接的连接轴螺旋移动；所述第二固定座允许短调整螺杆竖直穿入并沿短调整螺杆的长度方向转动移动，所述第二调整螺母螺纹连接在短调整螺杆上，所述第二调整螺母与第二固定座连接，所述第二固定座允许与镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源紧固连接的连接轴螺旋移动；与所述镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源上侧紧固连接的连接轴与第一固定座连接，与所述镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源下侧紧固连接的连接轴与第二固定座连接；或，与所述镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源下侧紧固连接的连接轴与第一固定座连接，与所述镀膜系统离子源或刻蚀系统离子源上侧紧固连接的连接轴与第二固定座连接。

优选地，所述镀膜系统的离子源沿走带方向两侧的减速栅网网孔直径是中部的减速栅网网孔直径的1-1.8倍。

优选地，所述镀膜系统包括至少三个离子源，位于走带方向两侧的离子源的射频线圈电压大于中部的离子源的射频线圈电压。

优选地，所述镀膜系统的离子源的栅网包括弧形聚焦钼网、弧形聚焦石墨网、平行钼网或平行石墨网；所述刻蚀系统的离子源的栅网包括弧形发散钼网、弧形发散石墨网、平行钼网或平行石墨网。

优选地，还包括反射高能衍射系统，所述反射高能衍射系统包括电子枪和荧光屏，所述电子枪发射出的电子束以2°-5°的入射角打到带材表面，所述荧光屏呈现电子束的衍射斑点。

优选地，还包括两块呈相对设置的挡板，两块所述挡板之间形成带材刻蚀镀膜区域；

两块所述挡板允许在相互靠近或远离的方向调节，两块所述挡板的间距包括15cm-105cm。

优选地，所述走带系统包括卷对卷往复结构，所述卷对卷往复结构包括两组呈相对设置的带轮组，所述带材依次往复绕过两个带轮组的带轮；所述卷对卷往复结构允许在高度方向上下调节。

优选地，任一所述带轮组的任一个带轮均为独立转动设置，且任一带轮均为单边带轮，任一带轮均为陶瓷材质。

优选地，所述走带系统还包括调节带材张力的辅助动力导轮，所述辅助动力导轮设置在带轮组的中间道。

优选地，所述走带系统还包括独立收放卷系统、编码计数器系统以及张力检测系统；所述独立收放卷系统包括通过轴和联轴器依次连接的电机、减速机、磁粉离合器、磁流体密封件以及带材盘，带材绕设带材盘；所述编码计数器系统包括通过轴和联轴器依次连接的编码器、磁流体密封件以及导轮，所述带材绕过导轮；所述张力检测系统包括通过轴连接的传感器和导轮，所述带材绕过导轮。

优选地，带材被张紧在导轮上，且导轮沿带材宽度方向的中部呈弧形凸起。

根据本发明提供的一种离子束辅助沉积镀膜装置的镀膜方法，镀膜方法包括：

镀膜系统和刻蚀系统二者分别同时对刻蚀区域内的多道带材进行刻蚀和镀膜，且刻蚀系统的刻蚀速度小于或等于镀膜系统的镀膜速度；

镀膜系统对镀膜区域内的多道带材进行镀膜；

刻蚀区域相对于镀膜区域位于多道带材的前部走道。

优选地，控制系统包括多个分段PID控制带材的走带速度，公里级带材的走带速度波动小于3％。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过对前几道走带同时进行镀膜和刻蚀，且刻蚀速度大于镀膜速度，使净沉积速度很低，但由于高的刻蚀速度，在此沉积的氧化镁会形成极优的织构度，保证同根带材两端的织构度差别＜10％，最终制备的超导带材，两端的临界电流差别小于10％，进而提高了镀膜效果。

2、本发明通过卷对卷往复结构，实现了同时对多道带材进行作业，有助于提高设备的镀膜效率。

3、本发明通过分段PID控制带材的走带速度，保证公里级带材的走带速度波动小于3％，使单根带材走带过程中，所有段落速度波动稳定，带材织构度稳定，制备的超导带材电流不会有大幅度波动，提高生产质量。

4、本发明通过采用单边陶瓷带轮，有助于减少带轮上黏连颗粒的情况产生，有助于减少带材加工过程中，镀膜被压碎的情况产生，有助于提高生产质量。

5、本发明通过采用包括多个独立带轮的带轮组，使带材在运动过程中不会由于摩擦力的累加出现卡顿情况导致镀膜不稳定，有助于提高生产质量。

6、本发明通过采用具有弧形凸起的导轮，使带材张紧时在导轮上自锁定，减少带材卷边的情况产生，有助于提高生产质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现镀膜装置整体结构的正面示意图；

图2为本发明主要体现镀膜装置整体结构的轴侧示意图；

图3为本发明主要体现走带系统整体结构示意图；

图4为本发明主要体现卷对卷往复结构整体结构示意图；

图5为本发明主要体现编码计数器系统整体结构示意图；

图6为本发明主要体现独立收放卷系统整体结构示意图；

图7为本发明主要体现张力检测系统整体结构示意图；

图8为本发明主要体现导轮整体结构的示意图；

图9为本发明主要体现镀膜系统侧面结构原理图；

图10为本发明主要体现弧形水冷板顶面结构示意图；

图11为本发明主要体现弧形水冷板底面结构示意图；

图12为本发明主要体现镀膜装置整体原理示意图；

图13为本发明主要体现其一离子源调整机构整体结构示意图；

图14为本发明主要体现另一离子源调整机构整体结构示意图。

图中所示：

镀膜系统1 控制系统5

刻蚀系统2 腔体6

真空系统3 耳朵腔61

走带系统4 弧形水冷板7

卷对卷往复结构41 弧形水冷板气路出口71

带轮组411 靶座9

带轮412 靶材91

独立收放卷系统42 反射高能衍射系统10

电机421 压紧块102

减速机422 夹紧座103

磁粉离合器423 调整螺母104

磁流体密封件424 安装板105

带材盘425 调整螺杆106

编码计数器系统43 长调整螺杆202

编码器432 第一调整螺母203

导轮433 第一固定座204

张力检测系统44 第二固定座205

传感器441 短调整螺杆206

辅助动力导轮45 基板207

辅助电机系统46 第二调整螺母208

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种离子束辅助沉积镀膜装置，包括源系统、真空系统3、走带系统4以及控制系统5。具体地，源系统包括至少一组镀膜系统1和至少一组刻蚀系统2，镀膜系统1包括离子源、蒸发源、激光源或电子束，刻蚀系统2包括离子源。真空系统3提供真空环境。走带系统4对带材进行收放卷。在控制系统5的作用下，走带系统4进行收放卷，镀膜系统1对处于真空环境内的带材进行镀膜和/或刻蚀系统2对处于真空环境内的带材进行刻蚀。

需要着重说明的是，本申请的走带系统4对单根带材进行收放卷，且单根带材形成多道连续平行的走带，镀膜系统1对处于真空环境内的多道走带进行镀膜和/或刻蚀系统2对处于真空环境内的多道走带进行刻蚀。

具体地，源系统、真空系统3、走带系统4以及控制系统5四者均安装在机体上，机体包括腔体6和连接在腔体6两侧的耳朵腔61，腔体6由抛光的304L不锈钢制成，并在焊接后进行了电抛光。为方便入腔工作，腔体6正面配有铰链门，并用氟橡胶O型圈密封。为保证对离子源的操作，腔体6的后面包括了一块很大的可拆卸的镀镍铝板。此铝板亦通过O型圈密封。设备的大部分其他接口都是通过CF法兰密封的。

腔体6的两侧配有两个250mm的CF法兰接口，用以连接两侧的耳朵腔61。腔体6也包含了支持所有抽空、破空、真空表、基台、两个RF离子源、RHEED和镀膜区观察窗功能的接口。腔体6的观察窗配有手动的闸门。设备也提供了多用途的预留接口。所有接口都属镀银的标准件。

腔体6固定于经粉末涂层处理过的钢结构支撑架上，并配有两个电气架部分，分别位于镀膜腔的两边。支撑架配有轮脚和平衡支脚。电气架也包括成套的平衡支脚来支撑设备的重量。电气架部分容纳了操作设备所需的全部的电气配件，也包括设备的配电箱。

一对电抛304L不锈钢耳朵腔61被固定在每个电气架上面。耳朵腔61也是方盒型，前面配有铰链门，以方便入腔操作。同样地，腔门以O型圈密封。耳朵腔61与主腔以250mm CF法兰短接头(约190mm)的形式相连。三个空闲的70mm预留接口也安装在耳朵腔61上，以满足顾客安装贯通配件的需求。耳朵腔61内并未配备抽空及真空检测等功能。

本申请的真空系统3可以使用低温冷凝泵进行抽空。泵对空气抽速为9000升/秒，对氩气抽速为2500升/秒。泵的氩气容积为2000升。粗抽和冷凝泵除气则采用机械泵。冷凝泵通过VAT气动阀与腔体6分隔开。腔体6与耳朵腔61相连后，背底真空可以达到5×10^{- 7}torr。设备配备了离子规和两个电阻规。离子规安装在腔体6上，用以检测系统的背底真空。其中一个电阻规安装在镀膜腔上，另一个安装在粗抽管路上。四个质量流量计用以校准氩气，其中两个量程为50sccm，另两个为20sccm。同时控制氧气的质量流量计的量称为50sccm和20sccm。氩气的质量流量计用在离子源和RF中和器上。一条氧气管通到辅助源内(50sccm)，另一条氧气管道通到带子的镀膜区(20sccm)。

真空系统3使用低真空泵和高真空泵组，低真空泵抽到0.01-0.3Torr，开启高真空泵，本底真空抽到1×10^-5Torr-5.0×10^-7Torr。低真空泵采用机械泵、高真空泵、采用其中1种或多种组合：冷凝泵、分子泵、扩散泵。膜时真空度0.001Torr-0.05Torr。需要进一步说明的是，控制系统3可以控制真空系统进行抽真空或破真空。

如图3和图4所示，本申请的走带系统4包括卷对卷往复结构41、独立收放卷系统42、编码计数器系统43以及张力检测系统44。卷对卷往复结构41通过安装架安装在腔体6内，且卷对卷往复结构41在腔体6内允许在高度方向上下调节。卷对卷往复结构41包括两组呈相对设置的带轮组411，带材依次往复绕过两个带轮组411的带轮412，从而形成多道连续平行的走带。从而解决了，单根带材走带过程中，其中某一段速度波动变大，致使带材在这段出现织构度不稳定情况，最终制备的超导带材，在这一段电流产生大幅度波动的情况产生。

任一带轮组411的任一个带轮412均为独立转动设置，且任一带轮412均为单边带轮412，任一带轮412均为陶瓷材质。通过将带轮组411上的带轮412设置为独立的陶瓷单边轮，能够减少带轮412上黏连颗粒的情况产生，减少加工时在带材表面膜层碎裂的情况发生，从而能够减少带材出现低点的情况。且带材不会由于摩擦力的累加，出现卡顿情况导致镀膜的不稳定情况，影响带材性能。

走带系统4还包括调节带材张力的辅助动力导轮45和辅助电机系统46，辅助动力导轮45设置在带轮组411的中间道，辅助电机系统46驱动辅助动力导轮45，从而对带材的张力进行调整，保证带材能够稳定运行。

本申请提出一种可行的实施方式为，任一带轮组411均包括是一个带轮412，两个带轮组411的间距为750mm，两个带轮组411的间距即为轮心对轮心的距离，加工直径为10mm的带材时，采用宽度约为12mm的带轮412。带轮412设计成最多可以走十一道带子，但也可以依需求减少带子的道数。每套带轮412都配有自己的轴承，可使带轮412独立转动，并将摩擦最小化。每道带子之间的间隙为2.2mm。这种更长更宽的走带系统4，可以保证带子运动顺畅并减少带子扭曲。

如图5、图6、图7以及图8所示，独立收放卷系统42包括通过轴和联轴器依次连接的电机421、减速机422、磁粉离合器423、磁流体密封件424以及带材盘425，带材绕设带材盘425。编码计数器系统43包括通过轴和联轴器依次连接的编码器432、磁流体密封件424以及导轮433，带材绕过导轮433。张力检测系统44包括通过轴连接的传感器441和导轮433，带材绕过导轮433。更为具体地，带材被张紧在导轮433上，且导轮433沿带材宽度方向的中部呈弧形凸起。独立收放卷系统42、编码计数器系统43以及张力检测系统44三者在两个耳朵腔61内分别设置有一组，且经过独立收放卷系统42、编码计数器系统43以及张力检测系统44进入腔体6内的带材绕设卷对卷往复结构41，从而形成多道连续平行的走带。

一种可行的实施方式为：轴允许带材盘425在其上前后移动，以满足多道走带及带子不同位置的需求。带材盘425也可转动使带子前进或后退。耳朵腔61包含一个位置可调整的导向轮，来调整带子的前后位置，以保证其合理地排列在镀膜区和RHEED系统中。其中一个导向轮配有编码器432，用来向电机421提供反馈以保证匀速走带。走带速度可以在5到300m/h之间调节。每个独立收放卷系统42都装有可编程的离合器，带子张力可以通过离合器来调整。两个腔内的独立收放卷系统42设计成通过张力将镀膜完毕的带子完成收卷。独立收放卷系统42的内轴允许带材盘425前后移动5cm来收放卷。设备一共提供了八个卷带器。为了最大程度地储存带子，卷带器的内径为100mm。卷带器可承受长度超过1km的2m厚的带子。

如图9、图10以及图11所示，进一步地，腔体6内还安装有弧形水冷板7，弧形水冷板7设置在带材镀膜面的背面弧形水冷板7能够在水平垂直于带材运动的方向上下调节，弧形水冷板7对与弧形水冷板7贴合的带材进行水冷。

一种可行的实施方式为：弧形水冷板7可以是一块约450mm长，190.5mm宽的户型304L SS板，弧形水冷板7的ROC约508cm，弧形水冷板7内集成了水路保证对带材的冷却。

对于弧形水冷板7的安装，可以采用金属架将弧形水冷板7吊装在腔体6的顶壁上，本申请优选地采用在弧形水冷板7的四角分别连接一根可调节伸缩杆将弧形水冷板7吊装在腔体6的顶壁上。本申请的可调节伸缩杆可以采用现有技术中任一种能够在竖直方向进行调节的结构进行替换。两个带轮组411通过现有技术中能够在竖直方向进行高度调节的结构分别安装在腔体6呈相对的两个侧壁上，从而可以实现弧形水冷板7和带材之间相对距离的调节，进而能够调节弧形水冷板7和带材之间的摩擦力。

还包括两块呈相对设置的挡板，两块挡板之间形成带材刻蚀镀膜区域。两块挡板分别设置在弧形水冷板7的两侧，两块挡板允许在相互靠近或远离的方向调节，两块挡板的间距包括15cm-105cm。挡板不能安装在镀膜区的侧面，即平行走带方向，否则将会阻挡RHEED系统的正常工作。挡板保护在两个耳朵腔61之间运动的带子避免在镀膜区外受到镀膜材料的污染。还设置一套独立的挡板被安装在带轮412上及带轮412的顶部，防止镀膜材料的污染。

还包括工艺气路，工艺气路集成在弧形水冷板7上，弧形水冷板7靠近带材的一侧设置有一条或多条与带材运动方向平行的走道，任一走道上均设置有弧形水冷板气路出口71，弧形水冷板7上具有进气口，可让氧气通入，并从直接接触各道带子的弧形水冷板气路出口71漏出。在某道没有带子走过时，也可以将弧形水冷板气路出口71封住以阻止氧气外泄。

另一种可行的工艺气路为：工艺气路设置在真空腔壁上。

再一种可行的工艺气路为：工艺气路设置在靶材91与弧形水冷板7之间，且工艺气路不对镀膜和刻蚀产生干涉。

如图12所示，还包括靶座9和冷却系统，靶座9用于支撑靶材91，靶座9能够在水平垂直于带材运动的方向前后调节。冷却系统对靶材91进行冷却。靶座9设置在带材的下方，靶座9由架体安装在腔体6内，且架体允许靶座9在水平垂直于带材运动的方向前后调节。

进一步地，镀膜系统1发射的离子束包括聚焦束或平行束，刻蚀系统2发射的离子束包括发散束或平行束。走带系统4包括n道连续走带，n为带材的总道数。镀膜系统1发出的离子束中心线与靶材91的交点对应带材刻蚀镀膜区域的后二分之一n道带材区，形成带材镀膜区。刻蚀系统2发出的离子束中心线与带材的交点位于带材刻蚀镀膜区域的前二分之一n道带材区，形成带材刻蚀区。本申请提供一种可行的实施方式为n的数值为十一。

具体地，本申请的镀膜系统1和刻蚀系统2均优选离子源。

镀膜系统1的离子源包括溅射离子源、溅射中和源以及溅射源电源系统。溅射离子源产生溅射离子束，溅射中和源为溅射离子束提供电子，溅射源电源系统控制溅射离子源。溅射离子源包括溅射离子源栅网、溅射离子源放电腔、溅射离子源射频线圈、溅射离子源外壳、以及溅射离子源气针，溅射离子源栅网、溅射离子源放电腔、溅射离子源射频线圈以及溅射离子源气针四者均安装在溅射离子源外壳内。溅射离子源气针穿过溅射离子源射频线圈探入溅射离子源放电腔，溅射离子源栅网设置在溅射离子源放电腔远离溅射离子源气针的一侧溅射离子源栅网包括自靠近溅射离子源放电腔向远离溅射离子源放电腔依次设置的溅射离子源屏蔽栅网、溅射离子源加速栅网以及溅射离子源减速栅网。

刻蚀系统2的离子源包括辅助离子源、辅助中和源以及辅助源电源系统。辅助离子源产生辅助离子束，辅助中和源为辅助离子束提供电子，辅助源电源系统控制辅助离子源。辅助离子源包括辅助离子源栅网、辅助离子源放电腔、辅助离子源射频线圈、辅助离子源外壳、以及辅助离子源气针，辅助离子源栅网、辅助离子源放电腔、辅助离子源射频线圈以及辅助离子源气针四者均安装在辅助离子源外壳上。辅助离子源气针穿过辅助离子源射频线圈探入辅助离子源放电腔，辅助离子源栅网设置在辅助离子源放电腔远离辅助离子源气针的一侧。辅助离子源栅网包括自靠近辅助离子源放电腔向远离辅助离子源放电腔依次设置的辅助离子源屏蔽栅网、辅助离子源加速栅网以及辅助离子源减速栅网。

更进一步地，镀膜系统1的聚焦栅网的焦距为10-50cm，刻蚀系统2的发散源的焦距至少为10cm。镀膜系统1的离子束中心线与靶材91的锐角夹角的角度为45°±5°。刻蚀系统2的离子束中心线与带材的锐角夹角的角度为45°±5°。镀膜系统1的离子源的栅网包括弧形聚焦钼网、弧形聚焦石墨网、平行钼网或平行石墨网。刻蚀系统2的离子源的栅网包括弧形发散钼网、弧形发散石墨网、平行钼网或平行石墨网。

更为具体地，还包括离子源调整机构，离子源调整机构调整镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源的倾斜角度，离子源调整机构调整镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源在竖直方向上的高度。离子源调整机构在镀膜系统1离子源和刻蚀系统2离子源的两侧分别设置有一个。

如图13所示，一种可行的实施方式为：离子源调整机构包括夹紧座103、调整螺杆106、调整螺母104、压紧块102以及安装板105。夹紧座103允许调整螺杆106竖直穿入并沿调整螺杆106的长度方向运动，调整螺杆106的底部紧固安装在安装板105上，调整螺母104螺纹连接在调整螺杆106上，且调整螺母104设置在夹紧座103的下方并与夹紧座103接触。夹紧座103允许与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源紧固连接的连接轴转动安装，压紧块102将与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源紧固连接的连接轴与夹紧座103紧固连接。

如图14所示，另一种可行的实施方式为：离子源调整机构包括长调整螺杆202、短调整螺杆206、第一固定座204、第二固定座205、第一调整螺母203、第二调整螺母208以及基座207。第一固定座204允许长调整螺杆202竖直穿入并沿长调整螺杆202的长度方向转动移动，长调整螺杆202的底部紧固安装在基座207上，第一调整螺母203螺纹连接在长调整螺杆202上，第一调整螺母203与第一固定座204连接，第一固定座204允许与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源紧固连接的连接轴螺旋移动。第二固定座205允许短调整螺杆206竖直穿入并沿短调整螺杆206的长度方向转动移动，短调整螺杆206的底部紧固安装在基座207上，第二调整螺母208螺纹连接在短调整螺杆206上，第二调整螺母208与第二固定座205连接，第二固定座205允许与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源紧固连接的连接轴螺旋移动。与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源上侧紧固连接的连接轴与第一固定座204连接，与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源下侧紧固连接的连接轴与第二固定座205连接。或，与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源下侧紧固连接的连接轴与第一固定座204连接，与镀膜系统1离子源或刻蚀系统2离子源上侧紧固连接的连接轴与第二固定座205连接。

需要注意的是，镀膜系统1的离子源沿走带方向两侧的减速栅网网孔直径是中部的减速栅网网孔直径的1-1.8倍。

另一种优选的实施方式为：镀膜系统1包括至少三个离子源，位于走带方向两侧的离子源的射频线圈电压大于中部的离子源的射频线圈电压。

还包括反射高能衍射系统10，反射高能衍射系统10包括电子枪和荧光屏，电子枪发射出的电子束以2°-5°的入射角打到带材表面，荧光屏呈现电子束的衍射斑点。

对本申请的技术方案进一步地说明：

加速电压影响离子束的发散性。加速器电压超过使加速器电流最小化的加速器电压导致光束发散。通过在升高的加速器电压下操作来增加光束发散度取决于具体应用。在中等加速器系统电压下的高光束电流容量需要紧密间隔的屏幕和加速器网格，两者具有许多小孔。特别地，保持小的均匀的间距，准确地对准孔径需要机械和热稳定的格栅。Veeco采用精密加工的碟形金属网格，可在宽温度条件下获得稳定性。电网系统的高性能设计允许在1000eV离子能量时电流密度高达2.0mA/cm2，在100eV离子能量下允许高达0.5mA/cm2的电流密度。中和器提供电子用于确保可靠性，确保低气压状态下离子源的放电；中和定向离子束在空间的电荷；防止对靶和基带的电势被破坏。中和器可选择用等离子体中和器和射频中和器。考虑到射频中和器的寿命是大大超过了等离子中和器的寿命，优选射频中和器。

作为中和器电子的低电位和非常高迁移率的结果，使用高精密的中和器不是必选项。中和器电子和离子束粗略的相等，确保溅射靶和衬底，即使是绝缘体，也稳定在在设备接地电位的几伏特。中和器发射电流在射束电流的125％到200％。中和器可以位于离子束的外围，消除了中和器离子冲击损伤和向前喷射的污染问题。

本申请的离子源对于真空要求：对于每个离子源和中和器，真空泵系统应能够保持6.7×10-2Pa(5×10-4Torr)以下的工艺气室压力，气体负载为10至20sccm的氩气。在不能保持该压力的工艺室中操作的离子束源可能会导致高压引线之间或RF线圈与源极护罩之间的区域内的电击穿。

在6.7×10-2Pa以上的压力下的离子源操作导致下游加速器网格的腐蚀，这是由于从电荷交换离子溅射的结果。当压力升高到6.7×10-2Pa以上时，电荷交换离子密度和溅射迅速增加。在低于2.7×10-2Pa(2×10-4Torr)的压力下工作时，应尽量减少这些影响。

离子源设计为用氩气操作；它也将与其他惰性气体一起使用。建议使用工艺级气体。氧和氮可以仅与钼格栅一起使用。每个离子源和中和器在气体供应管线中需要单独的千分表阀或电子流量控制器。

离子源的气体管线包含高压气体隔离器组件，用于将源极高电位与气体流动系统分开。这允许所有暴露的气体管线在设备地面电位下运行。

离子源的RF线圈，电源馈通和护罩都是水冷的。使用两个1.8米(6英尺)长度的1/4英寸O.D.PFA管道用于供水。额外的PFA管道长度还提供馈通和供水之间的电气隔离。安装在冷却水管线供应端的流量开关也应与电源互锁电缆电连接，以防止冷却液流失。

6x22cm离子源采用无灯丝射频设计，适合沉积、辅助沉积、刻蚀和化学辅助蚀刻使用。它能在氩气以及其他惰性气体和氧气中运行，其中气体通过具有气体隔离装置的石英放电腔引入。13.56MHz的射频电源在离子束放电腔中通过感应耦合放电的方式电离气体。放电腔中产生的一部分离子到达加速器上的两个网格上，并且集中网格正面，通过网格加速器进行加速。加速后的离子形成定向的单一能量的离子束。

中和器为离子束提供电子。中和用的电子分布于导电的等离子体束流之中，为大多数的实验条件提供一个均匀的势能背景。除了中和离子束电流的作用以外，中和器还作为一个电子源以确保稳定性和低压状态下离子源的放电点火。

放电腔充满了导电的由附近等量的电子和离子形成的等离子体，在中性原子的背景下。电子质量小速度高，所以更快的碰到放电腔的表面，放电腔内等离子体相对于大多数的表面都具有+25V自偏压。电源供给控制器补偿这25V的自偏压，所以显示的束流电压跟实际的离子束的电压相等。离子束电流与放电腔等离子体的密度成正比。因为等离子体密度与输入能量成正比，离子束电流根据离子能量或者加速电压会被调整在栅网的过滤范围内。由于放电采用无灯丝设计，离子源可以在纯氧等多种气体环境下运行，并且维护周期一般可达几百小时。

对于加速系统：离子碰撞到任意固体表面会被中和成一个中性粒子并弹出表面，这些粒子最终会被泵抽走。通过带负电压的栅网吸引，粒子进入加速系统，栅网将离子从等离子体中抽取出来，这些单独的离子束通过加速系统形成了有方向性、能量带宽集中的离子束。离子束最终的定向能量等同于放电腔离子与设备环境的电势差。

电源显示的离子束电压Vbeam等于栅网电压加上等离子体电压。尽管最终电压为Vbeam，离子靠近加速器时栅网上的总电压等于应用时的离子束电压加负的加速电压。

Vtotal＝|Vbeam|+|Vaccel|

当离子穿过栅网时与环境相比具有一负的电压Vaccel离子通过加速栅网时，栅网的负偏压将离子加速，但离子依然带正电。当接近最后一个网格(GND)时，离子到达一个比加速栅网能量更高的区域。所以正离子被排斥，离子被适当减速穿过栅网。如果没有加速电压所提供的负电势(Vaccel为负压)，中和器产生的电子会进入到加速系统，从而影响离子束的电流。加速/减速过程都可以增加离子束的电流，离子束电流通过加速系统后电压变为(Vtotal)3/2。通过施加Vbeam的加速电压增加离子束电流，当Vaccel＝0，Vtotal＝Vbeam，离子束电流降低。当离子束能量较低时，增加离子束能量需要更大的加速电压，这一点很重要。对于一个确定电流电压的束流，可以找到一个加速电压是其发散性最小。单个子束的最大准直点对应于观察到的加速器漏极电流的最小值。

对于射频中和器，用于材料加工的离子束和其他等离子体源需要通过提供电子尽量减少基板表面的充电问题。这些电子源通常被称为电子源。与灯丝或空心阴极中和器不同，射频中和器利用射频场来产生电子和离子，而不是热离子发射器。为了使射频中和器发射电子，一种惰性气体(通常是氩气)被引入一个小的放电室。气体被环绕在放电室周围的射频线圈所诱导的场电离。电离气体，或等离子体，包含电子和离子。这种放电进一步由离子收集器和电子收集器维持。收集器/收集器放电可以偏置以发射电子。来自射频中和器的发射电流是从离子收集器和电子收集器在放电中提取的净电子电流Ie。射频中和器参数包括电磁发射电流、射频正向和射频反射功率。发射电流，即从离子收集器和电子收集器放电中提取的电子数。射频正向功率和反射功率表示发送到匹配网络/射频线圈电路的射频功率水平。射频线圈和匹配的网络使放电室中的气体电离。射频线圈包裹在放电室周围并连接到地面。将RFN安装在离子源9厘米处，并确保其等离子体不会损坏腔内的其他组件，并且离子源束不会损坏射频中和源。

对于射频离子源，设备为镀膜过程提供了两个6×22cm的线性离子源。一个离子源包含钼制的聚焦栅网，用以实现离子束溅射。这个离子源及其配套的射频中和器均是利用氩气来实现溅射过程的。离子源安放的位置应满足使出射的离子与溅射靶的法线方向成45度角。据提供，离子源焦距是18cm，而其工作的距离则为32cm。离子源的位置是可以调节的，其工作距离可调节+/-2.5cm，这可以通过调节离子源和靶的位置来实现。带子的镀膜长度为10至30cm，如果镀膜区的长度变大，则IBAD的均匀性会变差。镀膜区的长度取决于带子的道数，其最大可到11道。移动挡板8可调节镀膜区的宽度，如上所述挡板8不能出现在阻挡RHEED电子束的位置。第二个射频离子源配备了一套发散的钼制栅网。离子源将以沿法线45度角指向带子的中心位置，并为溅射的材料提供织构。离子源安放在离带子30cm远的位置。离子源可利用氧气和氩气作为工作气体，然而中和器只能使用氩气。两个离子源的电源都固定在机架上，并配有需要的射频和水和供中和器工作的射频电源。

对于水冷靶座9，一个可调节的水冷靶座9被安装在腔体6的底部。此靶座9为靶材91的背板提供完整的水冷。靶材91的尺寸为30×20×1.2cm。每块靶材91都被绑定在稍大尺寸的OFHC铜背板上，铜背板以螺栓与靶座9相连。水与所有靶材91(无论是金属还是陶瓷)铜背板的背面直接接触。靶座9的位置可以沿上下和前后方向手动调节，范围为±2.5cm。这使得设备调节靶基距的能力有一定程度地提升。氧化镁靶：30×20×1.2cm，纯度99.99％，与铜背板绑定。为了最大程度的减少冷却水向腔体6中渗漏，水冷版会配备两个O型圈。两个O型圈的间隙会被差分抽气，以保证水不会漏到腔体6中。当换靶时，可利用吹气系统，将水从冷却模块中吹出，使换靶过程简单且干洁。

对于反射高能电子衍射系统10：35keV电子流的RHEED电子枪被安装在腔体6的后面板上。电子枪包括一级的差分泵，一套维护工具和供电系统，也同样包括抵消地磁场的能量补偿系统。电子枪配备的还有电子束消隐(Beam blank)，电子束震荡(Beam rocking)，PC连接，附带观察窗和闸门的凹型屏幕，和三个备用灯丝。考虑到电子枪在有氧环境下工作，系统也包含了一个电子束电流的微处理控制组件，以保证工作长时间后，电子束电流也能保持不变。RHEED配备了一套k-Space专业数据获取系统，该系统包括一个配有火线(FireWire数据线)，电缆和软件的敏感CCD相机。包括一个RHEED适配相机安装架和一台桌面电脑。系统包括一套真空泵组件，内有一个涡轮泵和一个前级干泵。也配备了一个VAT气动阀门，用以在腔体6破空时保护RHEED的电子枪。

本发明还提供的一种离子束辅助沉积镀膜装置的镀膜方法，镀膜方法包括：镀膜系统1和刻蚀系统2二者分别同时对刻蚀区域内的多道带材进行刻蚀和镀膜，且刻蚀系统2的刻蚀速度小于或等于镀膜系统1的镀膜速度。镀膜系统1对镀膜区域内的多道带材进行镀膜。刻蚀区域相对于镀膜区域位于多道带材的前部走道。

具体地，由镀膜系统1的离子源产生的离子束轰击靶材91，靶材91被轰击后产生微细粉末向周围飘散，部分粉末落到离靶材91一定距离的带材表面，在带材表面形成一层薄膜，同时刻蚀系统2的离子源将表面凸出的表面打平。

在工作区域内，沉积速度的变化是镀膜系统1的离子束中心为中心对称分布的。而刻蚀系统2的离子束的变化是非对称的。更甚的是，两者的变化速率也不同，由于刻蚀系统2离子源的发散性，其由中心向外，刻蚀速度的下降相比沉积速度平缓一些，这就导致了很难在大范围内形成一个均匀的镀膜区。

在工作区域内，存在高刻蚀/沉积比(下称ED比)的区域，甚至有部分区域的刻蚀速度大于沉积速度。在这些区域里，净沉积速度很低，但由于高的刻蚀速度，在此沉积的氧化镁会形成极优的织构度。这些高ED比的区域，尤其是ED比小于零(即刻蚀强于沉积)的区域，在氧化镁双轴织构的形成过程，起了至关重要的作用。

通过对前几道走带同时进行镀膜和刻蚀，且刻蚀速度小于镀膜速度，使净沉积速度很低，但由于高的刻蚀速度，在此沉积的氧化镁会形成极优的织构度。在刻蚀强于沉积的区域，在氧化镁双轴织构的形成过程，起了至关重要的作用。控制系统5包括多个分段PID控制带材的走带速度，公里级带材的走带速度波动小于3％。通过对走带系统4进行分段PID控制，提高了走带的稳定性。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，包括：

源系统：包括至少一组镀膜系统和至少一组刻蚀系统，所述镀膜系统包括离子源、蒸发源、激光源或电子束，所述刻蚀系统包括离子源；

真空系统：提供真空环境；

走带系统：对带材进行收放卷；

控制系统：在控制系统的作用下，所述走带系统进行收放卷，所述镀膜系统对处于真空环境内的带材进行镀膜和/或所述刻蚀系统对处于真空环境内的带材进行刻蚀；

所述镀膜系统发射的离子束包括聚焦束或平行束，所述刻蚀系统发射的离子束包括发散束或平行束；

所述走带系统包括n道连续走带，n为带材的总道数；

所述镀膜系统发出的离子束中心线与靶材的交点对应带材刻蚀镀膜区域的后二分之一n道带材区，形成带材镀膜区；

所述刻蚀系统发出的离子束中心线与带材的交点位于带材刻蚀镀膜区域的前二分之一n道带材区，形成带材刻蚀区。

2.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，还包括靶座和冷却系统，所述靶座用于支撑靶材，所述靶座能够在水平垂直于带材运动的方向前后调节；

所述冷却系统对靶材进行冷却。

3.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，所述镀膜系统的聚焦栅网的焦距为10-50cm，所述刻蚀系统的发散源的焦距至少为10cm。

4.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，所述镀膜系统的离子束中心线与靶材的锐角夹角的角度为45°±5°；

所述刻蚀系统的离子束中心线与带材的锐角夹角的角度为45°±5°。

5.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，还包括反射高能衍射系统，所述反射高能衍射系统包括电子枪和荧光屏，所述电子枪发射出的电子束以2°-5°的入射角打到带材表面，所述荧光屏呈现电子束的衍射斑点。

6.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，还包括两块呈相对设置的挡板，两块所述挡板之间形成带材刻蚀镀膜区域；

两块所述挡板允许在相互靠近或远离的方向调节，两块所述挡板的间距包括15cm-105cm。

7.如权利要求1所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，所述走带系统还包括独立收放卷系统、编码计数器系统以及张力检测系统；

所述独立收放卷系统包括通过轴和联轴器依次连接的电机、减速机、磁粉离合器、磁流体密封件以及带材盘，带材绕设带材盘；

所述编码计数器系统包括通过轴和联轴器依次连接的编码器、磁流体密封件以及导轮，所述带材绕过导轮；

所述张力检测系统包括通过轴连接的传感器和导轮，所述带材绕过导轮。

8.如权利要求7所述的离子束辅助沉积镀膜装置，其特征在于，带材被张紧在导轮上，且导轮沿带材宽度方向的中部呈弧形凸起。

9.一种离子束辅助沉积镀膜装置的镀膜方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的离子束辅助沉积镀膜装置，镀膜方法包括：

镀膜系统和刻蚀系统二者分别同时对刻蚀区域内的多道带材进行刻蚀和镀膜，且刻蚀系统的刻蚀速度小于或等于镀膜系统的镀膜速度；

镀膜系统对镀膜区域内的多道带材进行镀膜；

刻蚀区域相对于镀膜区域位于多道带材的前部走道。

10.如权利要求9所述的离子束辅助沉积镀膜装置的镀膜方法，其特征在于，控制系统包括多个分段PID控制带材的走带速度，公里级带材的走带速度波动小于3％。