第八章第八章 真空镀膜机设计真空镀膜机设计The Design of Vacuum Coating Equipments 8.1真空设备设计原则真空设备设计原则 §⑴先功能，后结构先给出指标参数、生产要求、功能§⑵先核心，后辅助由内向外先决定 靶尺寸、靶基距§⑶先局部，后整体再由整体，定局部§⑷先设计，后校核由粗到细 镀膜机常用技术指标镀膜机常用技术指标§镀膜方法：镀膜方法：CVDCVD，，PVDPVD（蒸发、溅射、离子镀、（蒸发、溅射、离子镀、复合镀）复合镀）§被镀工件的形状、尺寸；工件架尺寸；真空室尺被镀工件的形状、尺寸；工件架尺寸；真空室尺寸；寸；§生产方式：连续、半连续、周期式生产周期生产方式：连续、半连续、周期式生产周期生产速率生产速率§技术参数：设备极限真空度、工作本底真空度、技术参数：设备极限真空度、工作本底真空度、工作真空度、工作气氛；工作真空度、工作气氛；§漏率、抽空时间、恢复真空时间漏率、抽空时间、恢复真空时间§工作（烘烤）温度；（热处理炉、冻干机）工作（烘烤）温度；（热处理炉、冻干机）§膜厚不均匀程度；膜厚不均匀程度；§功率；最高电压；功率；最高电压； 8.2真空镀膜机的分类真空镀膜机的分类 ——按作业方式划分按作业方式划分 §（（1 1）间歇式（周期式））间歇式（周期式） 特点：一个真空室。
如钟特点：一个真空室如钟罩式、盒式的蒸发、溅射镀膜机罩式、盒式的蒸发、溅射镀膜机§一个周期内的工序：装料、抽空、镀膜、放气、出一个周期内的工序：装料、抽空、镀膜、放气、出炉§（（2 2）半连续式（节拍式））半连续式（节拍式） 特点：常常有特点：常常有2 2个或个或2 2个个以上真空室，双室有不同的真空度以上真空室，双室有不同的真空度§节拍式作业如大卷绕半连续蒸发镀膜机、枚叶式节拍式作业如大卷绕半连续蒸发镀膜机、枚叶式节拍溅射镀膜机节拍溅射镀膜机§（（3 3）连续式）连续式 特点：有多个真空室，分别完特点：有多个真空室，分别完成不同的功能，保持真空度不变成不同的功能，保持真空度不变§基片（工件）依次从一端进入，从另一端输出基片（工件）依次从一端进入，从另一端输出 真空镀膜机的构成真空镀膜机的构成§ 真空室与机架§ 源—基系统（蒸发源、溅射靶+工件架）§ 真空系统§ 供电系统§ 测量与控制系统§ 水冷系统§ 充气系统§ 其它辅助系统 8.3真空室与机架真空室与机架 ------- 1结构布置结构布置§立式——中轴线垂直，高度尺寸大§卧式——中轴线水平，长度尺寸大。
§又分 立卧（高度尺寸第二大）§ 平卧（高度尺寸最小） §钟罩式 （垂直提升，有机架、台面）§扁箱式 （平板形基片）如 立卧或平卧、周期或连续式、平板玻璃镀膜机§方箱式 前开门§圆筒式 前开门，蚌壳炉（门大，可装大工件）§盒式 长方形 圆形 上揭盖（垂直提升，有机架、台面）§球形 适于化学气相合成，可接许多接口（分析仪器），并都对准中心8.3真空室与机架真空室与机架 ------- 2外形外形 8.3真空室与机架真空室与机架 -------3功能作用与要求功能作用与要求§形成并保持真空环境； 耐压要求、漏率要求、耐温要求§摆放、布置内外各个系统；提供安装位置、接口、并要便于作业功能作用与要求 8.3真空室与机架真空室与机架 ------- 4构成与附件构成与附件§室体——壁厚考虑强度，水冷考虑温度（盘管 式、间壁式），焊接考虑工艺§法兰——门与接口的法兰，要符合标准，接管 的加工工艺§门——强度问题、大法兰平整问题、密封问题（钟罩式、开门式）、门拉手、门锁§门轴支撑结构（钟罩悬挂、开启式、简单与复杂门轴、弯臂式、双自由度或平动） 8.3真空室与机架真空室与机架 ------- 4构成与附件构成与附件§ 底板——支撑整个真空室和工件，厚，开许多接口，底板布置§观察窗——基本要求：看得清； 内部照明：借助烘烤灯、辉光、弧光，专用灯。
§保持真空、橡胶密封低真空普通窗、金属密封超高真空石英窗§特殊要求：防污染防污染措施：转动式或百叶窗式挡板、卷膜、双层玻璃 8.3真空室与机架真空室与机架 ------- 4构成与附件构成与附件§动密封——用途：工件转架、、工件传送、各种挡板、转靶、机械手（拨叉、送料杆） §橡胶圈、皮碗密封（不能用润滑液，低速蠕动），§波纹管及胶片密封，磁耦合传动，磁流体密封 §辐射与屏蔽屏——§支撑与绝缘件—— 8.4工件架工件架 -------1 功能作用与要求功能作用与要求§多装料§装卡要求§利于膜厚分布§满足对基片的要求（加偏压、加热 冷却） 8.4工件架工件架 ------- 2 结构形式结构形式§与真空室形式及源靶布置方式相匹配§包括静止工件架、基片转架和多自由度工件架§ 静止镀镜 杆式工件架，小车式§三球面行星轮系（钟罩式室体、小平面蒸发源、上拨动） 8.4工件架工件架 ------- 2 结构形式结构形式§公转与自转-行星杆系（立式前开门体、中心圆柱靶或两侧平面靶或多弧）§ 蒸发（或溅射）用多自由度旋转平台 （盒式室体、多功能实验设备，可调3维位置和角度）§ 筒形工件架 2种（多弧镀钻头） （堆积滚动、镀膜电阻， 小元件表面）§大卷绕系统 （半连续）§连续镀膜送件平台（卧式胶辊，立式槽轮，带小车） §挂§夹 §卡 §粘§ 插§电弧离子镀镀钻头的多种装法8.4工件架工件架 ------- 3 工件装卡（夹）方式工件装卡（夹）方式 8.4工件架工件架 ------- 4 驱动机构驱动机构§定速运行——交流电机+减速器§调速要求——直流电机+减速器、步进电机； §皮带轮传动可防卡死§功耗计算 8.4工件架工件架 ------- 5挡板机构挡板机构§ 作用是控制蒸发§（多靶时）防各靶间相互污染 8.4工件架工件架 ------- 6 设计要求设计要求§强度要求 §运动要求 灵活性（转动轻快，无卡滞，无噪音；不加润滑剂）§稳定性（运行平稳，可靠，耐烘烤，能长期工作）§满足膜厚均匀性要求（行星杆系速比）§密封要求§烘烤或水冷要求（基片平台带发热体）§偏压与绝缘要求 8.5靶的布置形式靶的布置形式§（1）单蒸发源——如电子枪、舟、丝。
点源在中心，小平面源在球底§（2）多蒸发源——如镀镜机多源平行排成一排，平面布置§（3）单靶——中心圆柱靶，上下圆靶（方靶），长方靶伸入圆筒中§（4）多靶——多个圆柱靶平行（如平板玻璃镀膜机）或环绕排列（如太阳能集热管镀膜机）§多弧靶在圆柱面螺旋排列中心圆柱靶+两侧矩形靶 8.6真空系统真空系统§（1）泵——扩散泵+旋片泵；分子泵+旋片泵；离子泵+分子泵+旋片泵；§（2）阀——高阀、预抽阀、前级阀、泵口压差阀、放气阀、节流阀，闸阀；§（3）管——主管路、预抽管路、前级管路；冷阱 8.7供电系统供电系统§蒸发镀膜用大电流的产生与输送§大电流三相平衡变压器，送电汇流排，水冷铜电极、铜坩埚，§动静电接头：电卡头、电触头—铜钥匙、插板式、花瓣式、铜箔弹簧§中频感应电源（8000Hz）及电容补偿， 8.8测量与控制系统测量与控制系统§膜厚测量 ——光学法、石英振荡法§真空测量——§镀膜电参数测量与控制——放电电压、电流、气体压力、流量，源功率、温度，§状态监控传感元件—— 8.9水冷系统水冷系统 -------1要求水冷的部位要求水冷的部位§（舟、丝）蒸发源的水冷电极，感应源的水冷线圈，电子枪的水冷坩埚，各种磁控溅射靶的靶材，蒸发挡板的水冷挡板，内部带烘烤的镀膜机的真空室体水冷壁及橡胶密封圈部位，要求薄膜低温生长的基片（架），真空系统的扩散泵、水冷障板、旋片泵。
§ §散热功率（W）§水流量 （Kg/s）§ § 比热 c—J/（kgK）§ 温度 t—K 8.9水冷系统水冷系统 ------- 2 用水量的计算用水量的计算 8.9水冷系统水冷系统 ------- 3 水流设计水流设计§——设计流道的结构及尺寸、水流流速的大小、水压压降、流阻§A、换热能否满足要求 换热形式主要是间壁式对流换热，考虑受热、换热面积有多大？单位面积总换热系数有多大？传热总温差有多大？§B、流动能否实现 对流换热要求多大的流速？由总流量决定流道的横截面积，总流道有多长？有多大的流阻？需要多高的水压？ 8.9水冷系统水冷系统 ------- 4 元器件与构成元器件与构成§水源总阀门，分水排，橡胶（金属）水管，回水槽，水压继电器、水流继电器水压继电器、水流继电器，§可移动设备供水管的履带结构， 中空回转轴的供水元件—水冷转轴供水接头§水冷系统工作状态的检测、显示、控制系统（传感器、显示器—模拟屏或计算机、执行器） 8.9水冷系统水冷系统 ------- 5 注意事项注意事项 §局部流道的设计——急转弯处流阻大、对流系数也大。
§多支路水冷系统的流阻平衡，防短路效应短路效应§蒸发源、电子枪、磁控靶冷却水的电绝缘， 8.10 气体充入与分配系统气体充入与分配系统§气源、稳压流动装置、节流阀、流量计、截止阀、气体分配器§11．其它辅助系统 8.11 其它辅助系统其它辅助系统§（1）烘烤系统（内、外）§（2）钟罩提升机构§（3）机械手与料叉 。