真空蒸发镀膜样品架设计合肥工业大学机械设计及其自动化毕业论文Word文档格式.docx

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3配置真空系统 18

3.1镀膜室壳体壁厚的确定 18

3.2真空室选泵的计算 18

3.2.1粗算主泵抽速 18

3.2.2流导计算 18

3.2.3精算主泵抽速 19

3.2.4前级泵的计算 19

3.2.5抽气时间的计算 20

3.2.6计算分子泵的抽气时间 21

3.3电机的选择 22

结论 23

谢辞 24

[参考文献] 25

摘要：

本文的主要内容是对本次真空蒸发镀膜样品架设计的说明。

在文中不仅列出了镀膜设备中使用的几种常用样品架，还介绍了几种新型的样品架。

本次设计的研究对象是对镀膜产品膜厚的控制，在给出合理的传动结构来保证镀膜均匀性的同时，保持基片架和蒸发源的相对位置，利用可逆同步电机控制各个部位的挡板，来实现控制基片蒸镀的时间，从而得到不同膜厚的基片。

关键字：

蒸发镀膜样品架相对位置

25

Vacuumevaporationcoatingsampleholderdesign

Abstract：

Themaincontentisthevacuumevaporationofthisdescriptionofthesampleholderdesign.Notonlyinthetextlistsseveralcoatingequipmentcommonlyusedinthesampleholder,alsointroducedseveralnewsampleholder.Thedesignofthestudyistocontrolthefilmthicknesscoatingproducts,thetransmissionstructuretogiveareasonableassuranceofuniformityofcoatingwhileholdingthesubstrateholderandtherelativepositionoftheevaporationsource,areversiblesynchronousmotorcontrolvariouspartsoftheblockboard,toachievecontrolofthesubstratedepositiontime,therebytoobtainasubstratewithdifferentthickness.

Keywords:

evaporationcoatingspecimenholderRelativeposition

1绪论

1.1真空镀膜的意义

真空镀膜技术是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多高新技术发展必不可少的手段。

这一技术目前之所以得到飞速发展是因为它不仅仅是单一的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法，并且吸收了电子束、分子束、离子束、等离子体、射频、磁控等一系列新的技术，从而为科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺，新技术的结果。

用真空镀膜技术代替传统的电镀工艺，不但能节省大量的膜材和降低能耗，而且还会消除湿法镀膜中所产生的环境污染。

因此国外在钢铁零件涂覆防腐层和保护膜方面，已采用真空镀膜工艺来替代电镀工艺，在冶金工业中，为钢板和钢带加镀铝防护层已很普遍。

在机械制造工业中，真空镀膜工艺用于改变某些加工工艺和节约贵重的原材料，再如汽车制造业中采用塑料制品金属化零件代替各种金属零件，即减轻了汽车的重量又节约了燃油的消耗。

在玻璃上镀滤光膜和低辐射膜，可使阳光射入。

而作为室内热源的红外辐射又不能通过玻璃辐射出去，这在高纬度地区也可以达到保温节能的目的。

真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景特别是在制造大规模集成电路的电学膜：

数字式纵向与横向均可磁化的数据纪录储存膜：

在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；

在计算机显示用的感光膜；

在TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜；

在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和装饰膜；

在包装领域用防护膜、阻隔膜；

在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功能膜；

在工、模具上应用的耐磨超硬膜：

在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等等都是在真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。

1.2真空镀膜技术在国内外的发展

从中国的真空镀膜技术及设备的发展历史来看，是从20世纪60年代开始的，从无到有，从模仿设计、自行研制到技术引进，并在技术引进的基础上促进了自行研制和发展，特别是在20世纪80-90年代我国的真空镀膜技术及设备都取得了长足的发展，在一些薄膜的应用领域里甚至得到了跨越式的进展。

但随着中国进入WTO和世界经济全球化进程的加快，我国的真空镀膜技术及设备已经面临和正在面临着国外拥有先进的真空镀膜技术和设备的跨国公司的强有力的竞争和挑战，这种竞争和挑战迫使我们要同世界贸易组织的其它成员国一样，在同等条件下参与整个世界市场的竞争。

但机遇也伴随竞争和挑战降临，主要的机遇在于中国入世后将逐步成为世界各经济国的加工基地，同时设备制造的国际性优质配件的采购也将更容易，采购成本也会降低，国产设备的品质会得到大幅度的提高。

从目前真空镀膜设备的市场发展现状来看，国外许多实力雄厚的真空镀膜设备生产商已在中国成立了许多合资或独资的加工企业，并将一些新的真空镀膜工艺技术和产品移植到这些企业中来。

因此我国真空镀膜设备在今后三～五年内的主要市场除了国内的企业外，外商投资企业也是设备需求新的增长点。

但是在真空镀膜技术和设备上国内和国外还存在很大的差距。

我们国内的镀膜设备研发的创新意识还不够，国内真空镀膜设备的生产厂家，主要考虑的是国内的中、低端市场，常常受用户给出的低价格所迫，以牺牲设备的性能和可靠性来赢得市场，而生产厂家也缺乏对设备研制的能付诸于实施的中长期规划。

这样就使得对新技术、新工艺的应用迫切性降低，而给国外厂家创造了进入中国市场的大好机会。

目前国内的生产厂商以中、小规模居多，规模小，综合实力低。

由于国内的整体配套更新较慢，加工设备较差，加工手段不先进，造成产品的一致性差，，产品质量在许多方面低于国外同类产品的水平。

可是我们国内在真空镀膜技术的发展和应用上也有很多明显的优势。

首先是资源上的优势，我国有近20多个有一定规模的真空镀膜设备的研制和生产厂家，并都拥有一支有一定技术水平和研发能力的技术队伍和销售网络，整个真空行业是有凝聚力的。

从全行业的研制生产规模和从业人数上来看都是具有一定优势的。

其次是市场上的优势，随着中国进入WTO以后，中国将逐步成为世界最大工业产品的加工基地，中国范围内就有巨大的市场发展空间。

还有研制和制造成本上的优势，国内的主要真空镀膜设备生产企业，同国外厂家相比都具备低的人工成本和低的加工设备和工作场地的租金成本（或资产占用费），这也许是国外许多同类企业无法比拟的优势。

所以我们要发展我们的优势，自主创新，及时地响应市场发展的需求变化，积极跟踪国外的先进工艺技术及设备的进展，采用引进部分先进技术和生产模式，同国外著名真空镀膜厂家的合作方式，推行关键部件国际化采购的方式，提高我国真空镀膜设备的质量及整体的技术水平，以真正能适应市场发展的需求。

1.3蒸发镀膜

在真空环境下，通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。

蒸发镀膜设备结构如图1。

蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。

待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。

蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。

薄膜厚度可由数百埃至数微米。

膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。

对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。

从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。

蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。

蒸发源有三种类型。

①电阻加热源：

用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（图1-1蒸发镀膜设备示意图）

图1-1蒸发镀膜设备示意图

图1-2分子束外延装置示意图

电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料；

②高频感应加热源：

用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质；

③电子束加热源：

适用于蒸发温度较高的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。

为沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法。

生长掺杂的GaAlAs单晶层的分子束外延装置如图2[分子束外延装置示意图]。

喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。

基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙动，按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在1单层/秒。

通过控制挡板,可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。

分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜.

1.4课题研究背景

在镀膜的过程中，真空镀膜系统的好坏对膜的影响非常大。

然而一个好的样品架能够改善膜的生成环境。

在真空镀膜的发展过程中，出现了各式各样的样品架，不同的样品架能够满足不同的镀膜需求，而此次课题重点研究样品架的创新。

对镀膜的膜厚进行研究，设计样品架实现对不同膜厚的获取。

1.5设计要解决的问题

本次设计要求提出满足设计要求的方案，然后不同的方案进行对比，选择一种最优的设计方案。

确定好方案后，就要求对设计进行细化，包括解决不断出现的新问题。

要查阅相关资料，阅读文献，翻译文献，结构设计，用CAD绘图。

并进行配套真空系统设计计算。

2设计方案的选择

2.1真空镀膜样品架种类

在镀膜室中用于样品固定的样品架有不同的结构。

一般为了保证镀膜的均匀性，要求样品架按一定的规律运动，并且运动速度必须均匀平稳。

由于工件要进行轰击清洗和烘烤除气，因此，要求工件架耐烘烤，不变形。

同时要求工件架承载的工件多，工件效率较高。

常用工件架有如下几种：

2.1.1球面行星传动工件架

这种工件架常用在蒸发镀膜设备中，下面的图2-1（a）是DMP-450型镀膜机球面行星工件架结构图，球面夹具是1200均匀的，一台镀膜机上有三个夹具，上面的孔，根据被镀零件需要而开设。

其工作原理如图2-1（b）所示，三个球面圆盘均匀布在一个球面上，蒸发源依源的发射特性可置放于球心或周面上。

图2-1（a）DMP-450型镀膜机球面行星工件架结构图

2-1（b）DMP-450型镀膜机球面行星工件架原理图

它的优点是：

（1）基片架的有效面积较大，承载的几篇数多，工作效率高；

（2）膜层均匀，从理论分析中可知，球面上任意一点P的膜厚只与球面半径R有关，再加上公转和自传，可得到厚度均匀的薄膜。

（3）没有台阶效应的影响，由于基片架的转动本基片台阶处于图中的a,b各点，都有相同的的机会来接受蒸发源的材料蒸汽分子。

工件架的转速应选择得当，旋转速度太快时，蒸镀效果不好，转速太慢、工件架尚未旋转一周、蒸发材料就蒸发完毕，就不能保证膜的均匀性了。

因此一般要根据每次蒸镀时所需要的最短时间，旋转工件架的线速度及其运动过程的稳定性等方面来确定工件架的最大转速。

2.1.2摩擦传动工件架

下面的图2-2表示一种最简单的摩擦式传动工件架。

其工作原理是：

摩擦轮6与3相互压紧后，在接触处产生压紧力Q，当主动轮6逆时针转时，摩擦力即带动从动轮3作顺时针回转。

此时驱动从动轮所需的工作圆周力P应小于两摩擦轮接处所产生的最大摩擦力fQ,P≤fQ;

f为摩擦系数，其值与摩擦轮材料,表面状态及工作情况有关。

摩擦轮传动可用于两平行轴之间的传动，两相交轴或相错轴之间的传动。

这种结构的特点是加工容易，可实现无级调速，但运转时容易丢转。

图2-2摩擦式传动工件架

（1-底板，2—对称轮，3—大摩擦轮，4—旋转对架，5—工件架，6—主动摩擦轮）

2.1.3齿轮传动工件架

齿轮传动工件架应用范围最广，可用在各种形式的镀膜机上。

其传动方式应根据工艺要求灵活选定。

图2-3为最简单的一种，小齿轮为主动轮，可实现工件架转速恒定。

图2-3齿轮式传动工件架

（1—主动小齿轮，2—旋转支架，3—工件架，4-大齿轮，5—底板，6—支撑轮）

2.1.4拨杆传动工件架

图2-4为拨杆传动工件架的示意图，这种结构多用在底板或真空室下部的空间

无法安排传动机构，而在真空室顶部有可能安排时，这种结构可将电机置于真空室顶部。

其特点是结构简单，加工方便，制造成本不高。

图2-4拨杆式传动工件架

（1—固定支架，2—真空室，3—支撑轮，4—工件架5—拨杆，6—主动轴，7—烘烤罩，8—底板）

2.1.5其他类型的工件架

图2-5多级行星工件架

图2-5为一种多级行星工件架。

现行镀膜机的工件架为一级行星式工件架，完成对太阳能集热管的镀膜工艺相对来说效率较低，即在前一级的行星架的基础上设置后一级行星轮系的行星架、定轮、行星轴，充分利用了镀膜机真空腔室内的空间，打打增加既可绕镀膜机真空腔室中心作公转，又可以作自转的行星轴—待镀膜玻璃管的数量，从而提高了真空镀膜机单机、单次的产出率，也提高了靶材的利用率，相应的减少了能耗，降低成本。

图2-6能适应不同样品架的镀膜机工件架

图2-6为一种能适应不同样品架的镀膜机工件架。

包括：

公转磁力转轴、工件架升降机构、自转磁力转轴、工件架升降平台，其中带有样品的样品工件架插装键连在工件架升降平台的中轴支架上，由电动机驱动的自转轴力转轴穿过工件架升降平台通过自转齿轮与平面样品工件架安装在一起，所述工件架升降机构由电动机驱动，通过支架杆依次经螺纹链接的轴套、波纹套、导向器连接至工件架升降平台底部。

工件架采用双轴两侧引入，平面样品和柱面样品工件架可快速更换，适应范围广。

2.2膜厚均匀性的计算

工业生产要求真空镀膜层厚度的分布是均匀的或者是按特定要求的比例分布。

如光学零件的增透膜、干涉滤光膜要求很高的均匀度,非球面薄膜则要求在平面上淀积抛物线型的厚度分布层。

为了控制厚度的分布,首先要找出影响膜厚的主要因素,从理论上来计算厚度的分布,从而在制膜工艺上控制这些因素,以达到预期的效果。

影响膜层厚度的主要因素有:

（1）衬底表面的形状。

（2）蒸发源的特性。

（3）蒸发场的物理性质。

假定蒸发场的物理性质满足如下条件:

工作室的气压很低,足以保证蒸发物质的分子不受到剩余空气的碰撞而直接到达衬底表面,且立即凝结。

一般来说,普通高真空镀膜设备的工作真空度均等于或小于1×

1024Torr,此时,剩余气体分子的平均自由程KE0.5m。

而实际生产中蒸发源至凝结点的距离一般是不会超过0.5m的,所以蒸发分子可以不受阻碍地到达衬底表面,并设蒸发物分子之间的碰撞可忽略不计。

对于蒸发源,最理想的是一个极小的点状蒸发源,它的直径相对于蒸发源至衬底表面的距离而言是很小的,可以忽略不计,而且在蒸发时各个方向上的物理性质均等。

设有M克物质从点源蒸发后凝结于半径为R的球壳内表面上,若点源位于球的中心,则球内表面上的膜层应是均匀的,因为各向上的物理性质均等。

设蒸发前的物质体积为V

则V=M/ρ式中ρ为物质的密度。

假定蒸发后的物质完全凝结于球体内表面,设体积为V′=4πR2t式中t为球体内表面膜层厚度。

由于蒸发前后物质的体积应相等V=V′

故膜层厚度t=M/4πR2ρ

（1）

从式

（1）中可看出,厚度t与蒸发源至凝结点的距离平方成反比。

但是,如点源蒸发至平面镜上,如图2-7所示,则膜层厚度的分布就不按

（1）计算。

图2-7点源蒸发至平面镜图

此时膜层的厚度分布将是不均匀的,因为平面镜上各点至蒸发源的距离不同,而且蒸汽的入射角也不相同,我们可推导出另一公式[1],由于点源各向的物理性质相则每一单位立体角dX内蒸发的物质dm应该相等。

见图2-8。

图2-8示意图

设有M克的物质从点源完全蒸发凝结于一平面镜AOB上,则

dm=M/4πdω

因为整个圆球对球心所包的立体角为4π,故除以4π,任一球表面与所包立体角的关系为:

ds=dωr2

式中r为球半径,即为凝结点至蒸发源的距离,现以h代之。

dω=ds/h2

从图2中知

ds1=cosθds2

则

dm=M/4π×

ds1/h2=M/4π×

cosθds2/h2

在ds2处的厚度应是该处的膜层体积除以面积ds2

t=dm/ρds2

t=Mcosθ/4πρh2

（2）

设点源至平面的垂直距离为h0,垂线与平面的交点为0点,0点的厚度t0。

则任意点厚度与0点厚度之比：

t/t0=cosθ/h2/1/h02=cos3θ（3）

在生产实际中往往都采用的是表面源,通常用钼片作成舟形浅槽,内盛被蒸发物质,通过强大电流加热钼片,如图2-9、图2-10。

被蒸发的物质受热后,熔融成液态,以其表面向钼槽上方蒸发物质,液体表面蒸发的情况符合克努曾余弦定律,即蒸发分子的浓度与表面蒸发出射角的余弦成正比。

即:

ρ=ρ0cosθ

图2-9舟形浅槽钼片

图2-10蒸发分子的浓度与表面蒸发出射角

因此按照余弦定律和点源的基本公式推导方式可进一步推导出表面源的基本公式[2]。

假设与表面源的表面法线成H角方向上的单位立体角内蒸发物质为dm,dm=Kcosθdω

假定有M克物质完全蒸发在半球形的内表面上,

则dm=M/2πcosθdω

设一大平面平行于表面源

dω=（ds1/h2）=cosθds2/h2

dM=（M/2π）×

cos2θds2/h2

t=M/2πρ×

cos2θ/h2（5）

因为在0点θ等于零,所以0点的厚度t0,可用下式表示,

t0=M/2πρ×

1/h02

任一点与0点厚度之比

t/t0=cos2θh02/h2（6）

关于条状蒸发源、圆柱面蒸发源和环状蒸发源的厚度分布的理论公式可参考文献[3]。

上面是从理论上对膜层厚度均匀性问题的论述与计算,而在生产实践中,大家对膜层均匀性的探讨积累了丰富的经验,为了充分满足这个要求,经典的工件架的结构有二种,即一种是平面工件架夹具,一种是球形工件架夹具,如何选用夹具和布置蒸发源是镀膜室内很重要的考虑内容。

2.3真空系统方案

本次设计参考实验室DMDE-450型和DZ300镀膜机，该真空蒸发镀膜系统是采用电阻蒸发方式，在高真空镀膜室内蒸镀金属铜，锌等源料。

图2-11设计真空系统图

为了满足蒸发镀膜这一前提条件，需要配置一个真空系统。

该系统采用涡轮分子泵FB600进行抽气，前级泵采用2X-8型机械泵。

抽气线路中配有CC-150插板阀，

CF35旁抽角阀，电磁阀。

真空室是一个Φ300钟罩型升降结构，真空室高度为400mm。

真空室配有2个

CF63观察窗和一个放气阀。

在真空室下降后，使用导销进行定位，并使用O型密封圈进行密封。

为了满足各种蒸镀的需要，真空室中配备了1组水冷电极，可以大功率的蒸发源料。

该系统使用时的真空度为6.6×

10-4pa，抽气时间大概为45分钟左右，详细计算过程在下文可见。

整个设备固定在1020×

690×

960mm的支架上，支架由4个底脚支持，由于机械泵直接放在地上，所以不对支架设计移动机构。

2.4样品架方案

图2-12样品架方案图

根据薄膜的生成，我们可以知道决定膜厚的因素主要有：

蒸发的速率和时间（或者取决于装料量）、基片和源之间的距离。

为了满足在一次镀膜工艺中得到不同膜厚的基片，从而给出以下几种类型的方案：

1、多源蒸发2、单源进给3、基片蒸镀时间控制。

2.4.1多源蒸发

图2-13蒸发源示意图

该方案是在真空室中设置多个蒸发源，然后利用挡板进行对蒸发源的遮挡，来改变蒸发的速率，从而改变薄膜的生成。

但是考虑到源与源之间可能照成相互污染的问题，因此不采用这种方法。

2.4.2单源进给

图2-14进给机构示意图

该方案是将蒸发源设置在真空室的边侧，利用步进电机控制样品架的公转，再利用挡板对基片架进行遮挡，使得一次只有一个工位可以蒸镀。

同时通过大齿轮的转动带动大内齿圈的转动使得小齿轮上的基片架进行自转。

由于该方案真空室内传动件太多，而且齿轮机构过多容易故障，并且该方案蒸镀效率不高，不适宜操作。

因此不采用该方案。

2.4.3基片蒸镀时间控制

如图2-12所示，基片架由焊接支架固定在真空室上方，通过小齿轮和大内齿圈的啮合，由电机带动大齿轮转动，从而带动小齿轮自转，镀膜工位得以自转，保证其镀膜均匀性。

在镀膜过程中，镀膜工位与蒸发源的相对位置保持不变，通过可逆电机控制每个工位下面单独的挡板对各自的工位进行遮挡，控制了各自蒸镀的时间，从而得到不同工位不同膜厚的结果。

由于真空室裸露的传动件过多，在齿轮下方设置了一块厚度为2mm的挡板。

防止传动的齿屑和润滑油等对真空室的污染。

基片架的安装是要先安装大挡板和支撑轴，再安装阶梯轴上的圆盘，再将轴固定在大齿轮上。

其他部位依次安装即可。

该方案缺点是需要的挡板以及电机过多，但是操作简单容易实现，因此选择该方案。

3配置真空系统

3.1镀膜室壳体壁厚的确定

根据设计要求，真空镀膜室为圆筒型，其内径为300mm,高度为400mm。

按照壁厚计算公式，圆筒壳体只承受外压的时候，按照稳定条件，其计算壁厚为：

S0=1.25DP/Et×

L/D0.4

式中S0为圆筒计算壁厚，D为圆筒内径，P为外压设计压力；

L为圆筒计算长度；

Et为材料温度为t时的弹性模量（7.2*10^4MPa）。

圆筒实际壁厚应为：

s=s0+C

其中S为圆筒实际壁厚，单位mm；

C为壁厚附加量

C