Roll-to-Roll磁控溅射镀膜系统设计论文

Roll-to-Roll磁控溅射系统设计

1 绪论

1．1 真空卷绕镀膜技术及设备的现状与发展

真空卷绕镀膜技术发展至今，已经完全适应了现代工业生产的需要。传统的真空卷绕普通装饰镀膜不断发展，并衍生出了一序列专业性较强的真空卷绕功能膜镀制设备。

1.1.1 真空卷绕镀膜技术的应用领域

真空卷绕镀膜技术的应用领域很多。其产品主要用于装饰、彩印等。在功能性薄膜的应用领域中真空卷绕镀膜技术可用于激光防伪膜的镀制。另外在高速公路反光标志的制作过程也少不了卷绕镀膜技术。此类产品镀层多为纯铝，基体一PET、BOPP、CPP、涂漆纸及复合玻璃微珠的纸等居多。

在薄膜电容器行业，由于薄膜电容器很容易达到小体积高容量，因此发展很快。此领域对真空卷绕镀膜技术的应用要求更为严格。体积的缩小要求基材更薄，其基材厚度一般为1.2-9um。国内电容器厂家多用4-8um的PET和BOPP薄膜。其中由于电学性能的影响，BOPP薄膜的应用有占总量的90%以上。电容器薄膜镀膜层多为纯铝和锌铝，银锌铝复合材料也有应用。应用磁控溅射原理的卷绕设备能够在基材上镀制ITO、SiO2、In、Cu、Ni、Ti等金属、非金属及其氧化物。ITO膜可以作为冷发光材料。在棉布表面镀上SiO2可以制成防电磁辐射的防护服，镀透Ni的海绵烧制后可做镍氢电池。镀上Ti等多种材料的基材可做柔性显示器件。总之，真空卷绕镀膜技术发展至今，其应用领域越来越广，同样对真空卷绕镀膜设备的要求越来越高[1]。

2磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数

2.1 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程

磁控溅射技术是在普通直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的[8]，它是利用磁场束缚电子的运动(即磁控管模式)，其结果导至轰击基片的高能电子的减少和轰击靶材的高能离子的增多，使其具备了“低温”、“高速”两大特点[9]。磁控溅射等离子体中的物理过程如图2.1所示。与直流二级溅射相比较，区别只在于增加正交电磁场对电子的束缚效应。可见，正交电磁场的建立，靶面磁场B值的大小及其分布，

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特别是平行于靶表面的磁场分量B，是磁控溅射中一个极其重要的参数。

不管有没有碰撞，最终沉积到基片上（沉积效应）以中性原子返回经碰撞返回阳极碰撞发生电离，以正离子返回（自溅射效应）阴极原子发射（溅射效应）正离子经阴极暗区加速轰击阴极表面正离子中性化二次电子发射经阴极暗区加速受磁场束缚（束缚效应）与中性分子碰撞，产生正离子和电子（电离效应）电子飞向阳极没与中性分子碰撞一次电子

图2.1 磁控溅射的物理过程

为了提高对电子的束缚效应，磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E相互垂直（即正交）和利用磁力线及电极（一般为阴极靶）封闭等离子体的两个重要条件。由于束缚效应的作用，磁控溅射的放电电压和气压都远低于直流二级溅射，通常分别为500～600V和10-1Pa[10]。

2.2 磁控溅射的工艺参数

溅射镀膜过程中，由于靶功率与靶的溅射率呈直线正比关系，因此提高靶的功率即可提高靶的溅射率和沉积到基片上的沉积速率，从而提高设备的工作效率。经验表明：高的溅射速率的最佳参数是提高阴极电压，增大靶的电流密度，选择溅射率高的溅射气体，较高的工作真空度以及合适的基片温度。现就这些参数分述如下：

2.2.1 磁控溅射的功率

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从理论上看，对于磁控溅射源，镀膜沉积速率都会随着靶功率的增大而增大，二者具有较好的线性关系。由于在异常辉光放电中，电流的增大，必然导致电流密度成比例地增加，而电流密度的增加会引起电场的进一步畸变，使阴极位降区的长度不断减少，维持放电所必须的阴极位降将进一步增加，撞击阴极的正离子数目及动能都大为增加，在阴极表面发生溅射作用也要强烈得多，致使沉积速率增大。

但是需要指出的是，靶材承受的功率是有限的。靶面温度过高会导致靶材熔化或引起弧光放电。因此靶功率应当在靶材允许值范围内调节。因此提高镀膜速率的工艺原则应当尽可能接近允许值；靶电压尽可能接近最佳值[11]。

2.2.2 磁场强度

磁控溅射的关键参数是与电场垂直的水平磁场分量B∥，而垂直磁场B⊥对磁控模型运行没有作用。B∥在靶面各处并不是一个均匀的值，一般以最大水平场强B代替靶面的场强要求。通常要求距靶平面3～5mm处测得的数值为0.02～0.06T。但在靶面上水平场强分布不均匀时会引起溅射的不均匀，因此，适当调整磁铁布局，使之得到均匀的水平磁场，以得到均匀的溅射区，提高靶材的利用率。

2.2.3 溅射气压

在直流磁控溅射过程中，溅射气压(工作气压)是一个很重要的参数，它对溅射速率，沉积速率以及薄膜的质量都有很大的影响。气体分子从一次碰撞到相邻的下一次碰撞所通过的距离的统计平均值，称之为平均自由程[12-13]。从分子的平均自由程的角度来说，溅射气体压力低时溅射粒子的平均自由程大，与气体离子的碰撞的几率小，使沉积速率增大。但是，溅射气体压力低时入射离子浓度低，溅射出的离子数目也少，又使沉积速率减小。当溅射气体压力高时，轰击靶的气体离子多，溅射出的离子数也多，使溅射速率增大。但是溅射粒子的平均自由程减小，与气体离子碰撞的几率增大，使沉积速率减小。溅射气压所产生的这两种效果互相制约，随着溅射气压的增加，最初沉积速率不断增大，当溅射气压增大到一定程度时，沉积速率达到最大值，之后随着溅射气压的增大又不断减小。

2.2.4 基片的温度

基片的温度对沉积速率也有一定的影响。有些材质的沉积速率随着基片温度的上升略有下降，这可能是基片温度升高时到达基片的沉积原子较易解吸的缘故。但在反应沉积化合物时，沉积速率是随着基片温度的增加而上升的。因为反应沉积实际上是反应气体和溅射原子在表面上发生化学反应的过程，而这一过程是随基片温

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度升高而增强的[2]。

3 Roll-to-roll磁控溅射镀膜系统

3.1 Roll-to-roll磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作过程

3.1.1 Roll-to-Roll磁控溅射系统的组要组成

卷绕式真空镀膜机主要由卷绕系统、溅射系统、真空系统、控制系统组成。 3.1.2 Roll-to-Roll磁控溅射系统的工作过程

将近二十米长的柔性基体卷放置在放卷机构上，通过放卷机构让柔性基体穿过磁控溅射区，传送到收卷机构上，将镀好的薄膜收卷起来，如图3-1。在真空室达到一定的真空条件下充入氩气，在磁控溅射靶极（磁控溅射靶材基体）上加一定的直流电压（-500～-600V），是充入真空室体内的氩气电离，Ar+在正交电磁场的作用下轰击基体，北溅射出来的Ar原子或分子均匀沉积在被镀的基体上，使基体成为导电体；从而完成基体的导电化处理。由于整个导电过程是在高真空条件下进行的，所以通过真空磁控溅射方法可以或得优质的电镀用薄膜。

在整个镀膜过程中要求基体不能受任何外力，即牵引传动，放卷传动，收卷辊的线速度必须一致，即柔性基体在镀膜过程是“零张力”传动。同时控制柔性基体的传动速度（或减少电流的大小）能有效地控制所镀薄膜的厚度。因此，柔性基体传动系统是保证柔性基体导电化处理的关键技术之一。

其中冷却辊在镀膜的过程中起着非常重要的作用。一方面冷却辊起到对基体进行冷却的作用，以消除由于柔性基体温度的升高，使得薄膜附着性能的变化，以及薄膜层中原子的重新排列。另外，冷却辊也起到了引导柔性基体传动和展平柔性基体的作用，是被镀材料均匀地镀到基体上。

3.2平面磁控溅射靶的类型选择

磁控溅射靶主要分为：同轴圆柱形磁控溅射靶、平面磁控溅射靶、S枪磁控溅射靶三种。其中，平面磁控溅射靶又分为圆形平面磁控溅射靶和矩形平面磁控溅射靶两种。

同轴圆柱形磁控测射靶的优点是结构紧凑，靶材利用率较平面矩形靶高。但缺

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