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1、第二讲 真空镀膜 设备性能及其匹配,一.凡是真空镀膜设备 都由以下配置组成,真空系统-机械泵（罗茨泵）+油扩散泵 无油泵组（分子泵 冷凝泵 钛扩散吸附泵）+管道阀门冷阱+真空室+冷却系统+真空测量,低真空的获得,获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为1.331.3310-2Pa，抽气速率与转速及空腔体积V的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。,旋片式机械泵通常由转子、定子、旋片等结构构成。偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连接进气管和出气阀门。
2、转子中镶有两块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的内壁上。转子的转动是由马达带动的，定子置于油箱中，油起到密切、润滑与冷却的作用。,当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。,高真空的获得,目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（1.330.133P
3、a）。油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到1.3310-51.3310-7Pa。抽气速率与结构有关，每秒几升几百升不等。,油扩散泵的结构如示意图,真空中可近似地看作是没有气体“污染”的空间，因为真空中气体分子密度很低，被镀膜料的分子被气体分子撞碰的机会很低，在自由程以内才被镀在基片上成膜。,目的：为了获得 一定的真空环境,真空度单位 和区域划分,真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI规定。,1标准大气压(1at
4、m)1.013105Pa(帕) 1Torr1/760atm1mmHg 1Torr133Pa 我国真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。,粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空,分为热阻蒸发，蒸发低温材料如金属，ZnS等。 电子枪蒸发蒸高温材料 高频感应蒸发 电弧加热蒸发 磁控溅射蒸发 激光加热蒸发等几种 还有离子镀,蒸发系统,每种蒸发手段均包括：蒸发器+电源控制系统（高压电源、灭弧系统、灯丝电源、束斑偏转扫描电源）,膜厚和蒸发速率控制系统 各类光学膜厚控制仪 石英晶体监控仪 IC/5,MD-360C,FTM-B 由微机控制的自动控制系统,（4）蒸发辅助系统 （工艺条件
5、）,A-基片转动系统 B-基片支架和均匀性修正挡板系统 C-基片加热系统 D-离子辅助蒸发系统和等离子体源 E-真空测量、充气、压强控制系统 F-水汽捕集系统（Polycold) G-水冷却系统 H-供气恒压系统 M-电、气、水报警制动系统 N-离子轰击系统（有离子源配置时则免配）,C-基片加热系统,D-离子辅助蒸发系统和等离子体源,G-水冷却系统,（5）整机的电气与自动化控制系统,PLC程控真空系统、基底加热和转动 晶控仪与电子枪、挡板的联动控制 整机的全自动化,2 总的要求：,具有高性能，可操作性好，高稳定和高效率，适合高品质薄膜的规模化生产及其试验。其中高效率生产是主要目的之一。 高效率
6、生产：高效益，设备的稳定性和好工艺，低成本（人工，材料耗材等）,3 分类,分为通用设备和专用设备两种，前者配置齐全，价位较高；后者不要求齐全，但必须有针对性的齐备配置，价位相对较低 。,如日本“光弛”公司的OTFC-1100DB型镀膜机为一种通用型的高档光学镀膜设备。适合大面积制备各种光学膜。 如日本“光弛”公司的NBPF-2型镀膜机为制备光通信业DWDM干涉滤光片的专用镀膜机，工件面积只有250mm，配备光控+晶控，EB2+RF源，基板1500r/m高速旋转，并精确温控，中心波长的不均匀性12小时，中间不能间断。 前者价位65万$/台。后者100万$/台。,再如韩国“韩一”和“因泰克”两家生
7、产的镀膜机大都是用晶控实现自动化生产的专用设备，每台30万$/台套价位。,再如德国“莱宝公司”的HEL10S磁控溅射镀膜机和日本“新科隆公司”的RAS磁控溅射镀膜机是最新研制出用于大面积生产光学薄膜的专用机，可制备出膜层结构致密，牢固，无漂移的高品质薄膜，而且效率非常高，打破了溅射机产量低的局限。 这两种溅射机价位为120160万$/台套。,Radical Assisted Sputtering RAS-1100 SHINCRON,4主要配置可归为以下：,1）真空性能：高抽速，低漏气率，稳定的低压强（离子源所需一定的气流量和低压强）选材和加工+密封性好。 2）光控+晶控精确的监控（方法，标定，
8、精度和稳定性）。 3）高性能电子枪+可记忆X-Y扫描控制机-不打坑的稳定蒸发。 4）冷水机（+1822）或POLYCOLD冷阱（-160）-防返油，提高抽速，抽水份。 5）稳定性能高的离子源-长时间的稳定输出离子束流。,6）气体流量控制仪（压强度+流量计）。 7）基板工件架的平稳转动系统及其夹具方式。 室外电机和转动系统传动，磁流体密封 转速无机变速 上下左右摆动1mm（托盘可调，仿光弛结构，成都维特公司） 8）基板均匀加热（PID三路可调） 关键是用金属针式表面温度计测量 9）自动化控制 PLC程控+微机-人机对话（OPTORON将膜系设计参数结果自动输入自控系统减少失误）,强调的几个具体问
9、题,一.关于防止扩散泵返油问题 1.选择优质的油扩散泵目前沈阳泵 2.采用有效的冷阱迈斯钠挡板 （双人字形+低温冷却） 3.大型镀膜机采用有效的高真空抽气组合 低温冷却挡板（冷阱）+油扩散泵 有效、低价、容易维护,二.关于工件架形式的选择,工件架有几种 1.平板式-适合大平面基片，如反射镜、保护镜、滤光片 2.不同半径的圆帽式-适合曲率半径较大的工件且量大。 3.三片或四片式圆帽夹具-同上，易装卸 4.自转+公转=行星式夹具 -适合对膜厚均匀性要求严格的工件 -以牺牲装载量为代价 5.下传动塔式工件架 -比圆帽式均匀，装载量提高近一倍,三.关于晶体监控问题,石英晶体监控即微量平衡法，天平法（Q
10、CM），是最直接、最简单的膜厚监控方法。它可以精确的控制速率。并通过PLC驱动挡板，与系统软件（控制）相连则可实现镀膜整个过程的监控。 如MD-360C，同电子枪转动联动，控制蒸发速率，SiO2- 0.5A/s,TiO2- 0.1A/s,驱动蒸发挡板的开闭，很自如，可镀多层膜，IR-cut。但是其精度有限。 原因： 1.监控的膜层质量、几何厚度d、而不是膜层的光学厚度nd。 2.在低温下稳定，受高温时晶体很敏感，长时间加热环境下，会给膜层带来较大误差。,光学监控是最精确（直观）监控膜厚的方法 其膜厚可直控或间控 但对放大器提供的高压电源和灯丝电源有严格要求,最佳的匹配方法,用晶体监控蒸发速率为
11、主，监控超薄层 用高精度光控仪监控膜厚 -日本和韩国的高精度光学镀膜机均用此方法 -最复杂的设备还配有宽波段光学监控仪，可以对镀膜情况进行实时监控、实时评定，如果出现误差，可对剩余膜层重新优化设计，使膜系恢复到误差前的水平。,四.膜层均匀性问题,-大镀膜机、大批量生产必须首选解决的问题 膜厚监控只是真空室里单点的膜层厚度，一般是工件架的中心位置。而远离中心的基片是无法均匀厚度的。 施加修正挡板可以获得一定的均匀性，但需要多次修正，而且不能保证一致性，其主要原因是来自电子枪蒸发特性的不稳定性和蒸发材料的不同。 蒸发特性的不稳定性主要是：束流不稳、扫描不稳、束斑打坑、蒸发角度变化。 必须选择一组高
12、性能的电子枪,五.介绍北京SP1500镀膜机技术协议书,一 真空指标 1 测试条件：所有测试都是在洁净的真空室和装有干净的挡板条件下。 2 测试方式： a 在乙方工厂现场验收作为第一次真空指标测试。 b 设备到公司后，安装调试完毕后进行第二次真空指标测试。 c 设备运行一个月后，在设备进行彻底清洁保养后，进行第三次真空指标测试。 3 极限真空： a 真空室的极限压力在有深冷的情况下，12小时内达到810-5Pa。 b 真空室的极限压力在没有深冷的情况下，12小时内达到310-4Pa。,4 抽速： a 在没有深冷，不开加热的情况下大气到510-3Pa时间小于15分钟。 b 在没有深冷，开加热到2
13、00的情况下，经过三次以上加热抽空过程以后，再进行测试时，大气到510-3Pa时间小于25分钟。 c 在有深冷，不开加热的情况下大气到510-3Pa时间小于10分钟。 d 在有深冷，开加热到200的情况下，经过三次以上加热抽空过程以后，再进行测试时，大气到 510-3Pa时间小于15分钟。 5 升压率：不开加热，无深冷的情况下，从210-3Pa到110-1Pa时间大于20分钟。,二 工艺指标 1 镀制反蓝滤光片，连续镀制3次。50%透过率截止波长定位精度为500nm 5nm（罩内均匀性和每次镀膜之间一致性的综合指标），通带（520nm-650nm)平均透过率大于90%，最低透过率大于88%。所
14、用基材为GE公司HP92S PC基片，镀制上述膜系，之后用100沸水煮5分钟后划百格，3M胶带测附着力无任何脱膜情况。 2 使用甲方提供的PET贴膜钢化玻璃（冲击高度平均50cm以上）镀制C款产品，镀贴膜面连续5次，每次20片样片满足；冲击高度平均40cm以上；100沸水煮5分钟后划百格再取5片用3M胶带测试无任何脱膜情况；光谱符合C款产品的要求。 3 在玻璃基材上镀制IR-CUT，连续两炉。420-620nm平均透过率大于92%，最低透过率大于88%。 50%透过率截止波长定位精度为650nm 5nm 。700nm-1000nm平均透过率小于2%，最大透过率小于3%。用100沸水煮5分钟后划
15、百格，3M胶带测试附着力无任何脱膜情况。,三 机器配置 1 真空抽气系统 a 两台2X-70南光旋片泵做主泵，一台2X-15南光做维持泵。 b 两台兰州KT-600扩散泵。 c 一台ZJP-600浙江真空罗茨泵。 d 深冷：真空室外管道的回口温度在开制冷状态下10分钟内达到-120以下，两路输出。 e 装有预抽阀，防止湍流。 f 真空管道和阀门使用SUS304不锈钢。两个前级阀门 KF-100，高阀使用600mm两位一体。 g 保证扩散泵不返油，真空室和真空过渡室不受油气污染。扩散泵口加装氟利昂冷阱和深冷冷阱。 h 前级管道留有两个KF25接口。,2 工件转动和夹具系统 a 转架上置式，电机主
16、轴在真空室外顶部。 b 球型夹具可分为四块，独立拆卸，两套厚度为3mm左右的不锈钢夹具 c 转架尺寸待定，尺寸附图纸。工件架尺寸不能小于1400mm。 d 上下左右位移小于 2mm。 e 转动325转/分钟，无极变速可调。 3 加热烘烤 a 最高温度300，恒温精度 5，采用加热器上烘烤，进口数显温控表，PID调节。 b 夹具表面烘烤温度均匀，温度差不超过 5，夹具表面温度与设定值小于10。,4 冷却水系统 a 有总水压报警器并显示压力，有机械泵罗茨泵组、每个扩散泵、电子枪、离子源、晶控、大门真空室、低温捕集泵、蒸发舟等需要冷却水冷却的部分有各自的水流开关和手阀，并预留足够进出水口。 b 有冷水截止阀，在开门后，真空室，离子源，电子枪，晶控自断冷水。 5 操作控制 a 采用PLC工业电脑组态软体通讯进行控制。 b 在人机界面上实现以下模式的全部控制： 1）维护操作模式，无保护无
