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

目 录

中文摘要 .............................................................. 3 英文摘要 .............................................................. 4 1 绪论 ................................................................ 5 1．1 真空卷绕镀膜技术及设备的现状与发展 .............................. 5 1.1.1真空卷绕镀膜技术的应用领域 ................................... 5 2磁控溅射原理及溅射沉积工艺参数 ....................................... 5 2.1 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程 .................................. 5 2.2 磁控溅射的工艺参数 ............................................... 6 2.2.1 磁控溅射的功率 ............................................... 6 2.2.2 磁场强度 ..................................................... 7 2.2.3 溅射气压 ..................................................... 7 2.2.4 基片的温度 ................................................... 7 3 ROLL-TO-ROLL磁控溅射镀膜系统 ........................................ 8 3.1 ROLL-TO-ROLL磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作过程 .................. 8 3.1.1 Roll-to-Roll磁控溅射系统的组要组成 .......................... 8 3.2平面磁控溅射靶的类型选择 ......................................... 8 4 磁控溅射镀膜真空室的设计要求与原则 .................................. 9 4.1设计参数 ......................................................... 9 4.2磁控溅射镀膜真空室的主要设计原则 ................................ 10 4.3磁控溅射镀膜室对抽气系统的要求 .................................. 10 5 ROLL-TO-ROLL磁控溅射真空镀膜室主要部分的设计与计算 ................ 11 5.1 真空系统的设计与计算 ............................................ 11 5.1.1真空室壳体的类型选择 ........................................ 11 5.1.2 真空室壳体的计算 ............................................ 11 5.1.3抽气系统的设计与计算 ........................................ 11 5.1.4主泵的选择 .................................................. 12 5.1.5计算扩散泵与真空室排气口管路的流导，验证选K-200型扩散泵是否合适 .................................................................. 12 5.1.6前级泵的选择 ................................................ 14 5.1.7抽气时间的计算 .............................................. 14

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5.2卷绕系统主轴的ANSYS分析 ........................................ 15 5.3 真空室的气流速度和压强的FLUENT分析 ............................. 20 5.3.1 气体压强分析 ................................................ 21 5.3.2 气体的速度分析 ............................................. 23 5.4 ROLL-TO-ROLL磁控溅射系统设计 .................................... 26 致谢 ................................................................. 28 参考文献 ............................................................. 29

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摘要：随着柔性基体材料在太阳能电池和柔性显示屏中的运用，在柔性基体上镀

膜的技术越来越受到人们的关注，并且是现代科技发展中的一项关键技术。磁控溅射镀膜技术是真空镀膜中运用广泛，不仅能够在各种面积的基体上镀膜，而且还能还能够得到镀膜厚度均匀，性能稳定的薄膜。而R-to-R磁控溅射镀膜技术不仅具有普通磁控溅射镀膜技术的优点，它还具有能够在柔性基体上镀膜的特点，解决了在柔性基体上连续镀膜难题。文中在对平面磁控溅射阴极的工作原理分析的基础上，阐述了磁控溅射镀膜的主要工艺流程和影响参数，并介绍了R-to-R磁控溅射镀膜系统的主要组成和工作原理，从而对卷对卷磁控溅射镀膜系统可行性的分析。文中主要对真空室、抽气系统、传动系统、冷却系统进行设计以及对主轴进行了应力和位移的ANSYS的分析，对真空室的气流进行压强和气体流速的FLUEND分析。该抽气系统采用旋片泵做前级泵，扩散泵做主泵，传动系统用带传动和齿轮传动的结合方式。

关键词：卷对卷、磁控溅射、柔性基体、矩形靶材、镀膜

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Abstract: with the flexible base material in solar cell and the application of flexible

displays, on the flexible substrate coating technology more and more get the attention of people, and is a key technology in the development of modern science and technology. Magnetron sputtering deposition technology is widely used in vacuum coating, can in all area of the substrate coating not only, but also can be uniform coating thickness, stable performance of the film. And Roll-to-Roll magnetron sputtering deposition technology not only possesses the advantages of ordinary magnetron sputtering deposition technology, it also has the characteristics of the can on the flexible substrate coating, solved the difficult problem on the flexible substrate for coating. On planar magnetron sputtering cathode in this paper based on the analysis of working principle, elaborated the magnetron sputtering coating process flow and main impact parameters, and introduces the Roll-to-Roll magnetron sputtering coating system composition and working principle, main to roll on the roll of the magnetron sputtering coating system feasibility analysis. This paper mainly on the vacuum chamber, extraction system, transmission system, cooling system to carry on the design of main shaft and the stress and displacement of the ANSYS analysis，on the airflow in vacuum chamber pressure and gas velocity FLUEND analysis. Before the extraction system adopts the rotary vane pump as prepump, diffusion pump in charge pump, transmission system with transmission and gear transmission mode.

Keywords: volume to volume, magnetron sputtering, flexible substrate, rectangular

target material, coating

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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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