3_设计与功能

3设计与功能设计与功能章节将介绍系统配置与镀膜系统如何工作。每项组件的重要性与任务进行了解释。蒸镀工艺的基础进行了解释，以便更好地理解生产过程。3.1TopBeam电子束蒸镀设备的特性TopBeam电子束蒸镀设备经过特殊设计的组件能够获得极高的沉积速率，且可以蒸镀多种材料。图形化系统自动控制，例如使用过程示意图。基于PC、PLC和独立处理器的高可靠性自动过程控制。无故障可移动装卸卷系统。ESCOSYS电子束偏转系统，通过数学计算，软件控制可以获得在坩埚中最优的能量分布。膜卷运行和张力的优化，获得镀层和卷绕的最高的连续性。主鼓冷却，防止对膜卷的热损伤。同时，通过精确控制膜卷张力，获得膜卷与主鼓之间理想的热传递。具有遥控功能的展平辊，防止产生卷绕故障。蒸镀窗口、导辊盖板、挡板能够最大限度的保持蒸镀过程的清洁。放卷、导辊、收卷和坩埚表面出设有观察窗，能够观察卷绕与蒸镀过程。真空泵组的自动预热与冷却。当电弧放电时，能够自动关闭电子枪的高压电源。3.1蒸镀工艺的功能原则TopBeam用于在带状基材上沉积固体蒸镀材料（例如氧化硅）的卷绕蒸镀系统。带状基材称为膜卷。基材通过卷绕系统从膜卷中放卷放出，经过处理，之后收卷。“基材”或简称“膜”。在蒸镀工艺之前，基材以卷绕的方式安装在蒸镀系统中。膜卷经过连续的方式进行处理。鉴于此，膜卷经过导辊系统放卷、处理，之后收卷。在本操作说明中，这种工艺顺序称为“处理”。为了达到此目的最为相关的技术为热蒸发，该技术将在章节3.2.1中进行简要描述。作为一种选择，另外一层镀层可以通过将另外一种材料溅射到膜卷上获得。（见章节3.2.2）首先可以对膜卷进行预处理（见3.2.3）。预处理使用阴极设备，该阴极设备的功率远小于磁控溅射的功率。最后，进行后处理（见3.2.4）。后处理同样也是使用低功率阴极。整套工序在高真空条件下进行。因此，所需设备置于一个大型二体真空舱室内。在工艺处理开始前，真空舱室被抽真空。真空条件是成功工艺处理的化学与物理先决条件。例如，真空降低了熔化温度，并且阻止了蒸发材料与真空室外界空气进行反应。3.2.1热蒸发沉积在系统中，基材通过“高真空热蒸发”技术沉积镀层。蒸发材料（例如铝）在真空蒸镀舱被蒸发（或者升华，取决于材料温度）（“蒸发/升华阶段”）。蒸发颗粒在已抽真空的蒸镀舱室内移动（“输运阶段”）。部分蒸发镀层材料在蒸镀舱室内较冷的表面（例如冷却主鼓上的基材）凝结（或凝华，取决于材料性质）。（凝结/凝华阶段（镀层生长））图3-1沉积过程示意图（电加热示例）蒸发/升华阶段蒸发材料能够装入系统中，通过多种方式进行加热。蒸发速率（单位时间单位面积的蒸发质量）取决于待蒸发材料总量与材料加热到的温度。最常见的蒸发方式有：蒸发材料连续供给到电流加热的电阻加热蒸发舟中，或者在真空舱的坩埚中加入整个工艺循环所需要的全部蒸发材料。根据系统设备的情况，可以使用两种加热方式：材料被电阻加热或者材料被电子枪产生的电子轰击、加热。输运阶段被蒸发的材料形成棒状的蒸发云。输运阶段描述了蒸发颗粒从坩埚中蒸发点至基材凝结点的过程与路径。理想的输运条件为：蒸发颗粒的路径尽可能短。真空舱室无残留气体（真空范围10-5至10-3mbar），以便尽量减少碰撞和有害的反应。凝结/凝华阶段（层结构）蒸发颗粒在基材上的凝结过程十分复杂，受到如下条件影响：1–坩埚/蒸发舟2A–熔化的待蒸发材料（此处=蒸发材料）2B–输运阶段的蒸发材料2C–凝结的蒸发材料3–基材4–主鼓-–基材的卷绕方向（=主鼓的旋转方向）碰撞速率和凝结颗粒的能量。基材的情况（表面性质，材料类型，温度）3.2.2溅射沉积（可选项）除了通过热蒸发方式在基材上沉积材料（见3.2.1），还可以通过溅射另一种材料的方式沉积另外一层镀层。所需的溅射设备安装在沉积鼓上（见图3-2）。图3-2膜卷的溅射过程沉积材料在“靶材”中，靶材构成了溅射设备中的溅射阴极。在工艺过程中，溅射设备中产生等离子体。等离子体中的离子被加速，撞击靶材，并且从靶材表面撞击出原子。被撞击出的原子沉积在基材上。3.2.2.1中的图示说明了该原理。图示显示了惰性气体的溅射过程，靶材材料没有发生化学变化。除了惰性气体，其他气体可以用于反应溅射。靶材原子与工艺气体反应，基材表面沉积了反应产物（例如当使用氧气和金属靶时，形成金属氧化物）。溅射过程将使阴极温度升高，必须对基材进行冷却。沉积鼓将冷却基材。参见3.5获得更多溅射设备的细节。3.2.2.1溅射沉积的原理1–溅射设备2–沉积鼓3A–经过热蒸发的基材3B–经过热蒸发和溅射的基材-II–后处理（可选）-I–来自热蒸发设备1–墙式溅射设备2–沉积鼓3–基材4–溅射阴极4A–靶材5–阳极-工艺气体原子电极无电压6–电压-电场线–阳离子–电子在阴极（靶材）与阳极之间施加电压，产生电场，电离工艺气体，形成等离子体。–靶材原子等离子体中的阳离子加速撞击靶材，撞击出原子。之后，越来越多的原子被撞击出靶材，输运至基材。具有适当能量的原子在基材表面沉积，形成镀层。--基材移动方向（=鼓移动方向）3-3溅射沉积的原理3.2.3基材预处理（可选）清洁能附着的基材表面是获得高结合力薄膜的基本条件。因此，在蒸镀工艺之前，需要将水、氧化物和其他杂质去除。并且，大部分基材需要通过在基材上凝结核进而被激活以达到良好的附着力。该处理过程在蒸镀工艺开始之前在预处理站内在线进行。预处理工艺的原理与3.2.2中所描述的溅射原理类似。预处理站中包含电离的低压气体。电场加速这些等离子体中的气体离子。他们撞击基材，去除污染。使用适当的靶材，例如铝，气体离子将溅射表面。这些被溅射出的原子将运动至相对位置，在基材上凝聚，形成凝结核。位于靶材下方阴极区域的磁铁有利于溅射工艺（“磁控溅射”）。沿着磁场线，由于增加的离子撞击，形成一个腐蚀坑。关于预处理站的更多细节参见3.6。图3-4基材预处理（示意图）3.2.4基材后处理（可选）在蒸镀过程中，膜卷中会积累静电。这些电荷是有害的，需要在后处理中使用氩气辉光放电去除。这种方法与预处理类似。后处理将保证膜卷能够从蒸发主鼓上很容易的去除。在离开主鼓之前，基材通过使用氩气辉光放电的第一后处理站。未蒸镀的基材表面在使用棒状阴极的第二后处理站被放电。关于后处理站的更多细节参见3.6。3.3设计与工艺总览3.3.1系统总览1–预处理设备（“辉光站”）2A–未处理基材2B–预处理后基材-–去向主鼓图3-5系统布局（示例系统）主要组件+S1舱体（固定部分）+S11舱体，固定部分（真空）+S12泵组+S2移动部分+S21移动部分（真空）电气和其他柜体+E1电源柜+G3辉光电柜+N11PLC柜=VF11Polycold蒸镀舱+G11电子枪控制电柜+N12控制电柜泵=VF12Polycold蒸镀舱+1B高压电柜+N23接线盒=VH11Polycold蒸镀舱+G12卷绕电柜=KA01冷却加热单元=KA02冷去单元操作面板与原件+R1操作屏+R9操作盒+R41操作屏LMS-XL+R2操作屏+R11操作盒+R42操作屏Optoplex+R91操作盒3.3.2真空舱的结构下图所示为真空区域的截面图（卷绕移动部分已移入真空舱中）。图3-6真空舱的截面图（系统示例）1–放卷8–卷绕舱与卷绕设备2-预处理单元9–蒸镀舱3-主鼓10–冷阱4-后处理单元11–电子枪5-薄膜厚度测量仪LMS-XL12–电子束6-薄膜厚度测量仪Optoplex13–盛放有材料的坩埚7–收卷14–扩散泵…..–卷绕系统中膜卷的可能路径3.3.3工艺总览打开真空舱当装卸膜卷时，需将真空舱打开。因此，安装在导轨上的卷绕系统从舱室中移出。除了卷绕系统，工艺气体、保温设备和其他组件均安装在移动部分上。装载卷绕系统基材膜卷和空纸芯分别安装在卷绕系统的放卷与收卷上。未蒸镀基材的一端通过自动上膜系统从放卷出发，经过卷绕系统到达收卷端。基材经过卷绕系统的各种导辊，例如转向辊、展平辊和主鼓。清理坩埚和填料在系统外部进行坩埚清理和填料工作。准备溅射设备如果需要，将新靶材安装在清理过的溅射设备上。（见3.5）关闭真空舱关闭真空舱。真空舱分为卷绕舱和蒸镀舱。真空舱抽真空当真空舱关闭时，卷绕舱和蒸镀舱被自动抽到所需真空（见3.9）。开始膜卷运行当真空值达到后，膜卷开始运行。预处理站最初，基材从放卷运行至预处理站。在这，基材表面的污染物被清洁，表面被活化，具有更好的附着力（见章节0）。具有蒸发单元的蒸发舱基材通过主鼓进入到蒸发舱，蒸发过程发生：该舱体具有蒸发单元。电子枪和高压源电子枪产生电子，以蒸发镀层材料。电子枪的高压源与其他系统电源相分离。坩埚坩埚提供蒸发材料。坩埚在系统外部填充，通过特殊的换料机构送入真空舱中的坩埚架。在蒸镀过程中，水冷坩埚中的蒸发材料通过电子束加热的方式蒸发。在蒸镀过程中，坩埚左右摆动，以获得均匀的镀层。摄像系统在蒸镀区域安装有摄像系统，使用户能够观察蒸镀过程。后处理站在离开主鼓之前，膜卷通过（可选的）后处理站中所谓的Zwickel阴极。未镀面经过氩气辉光处理，以去除残留的静电电荷。镀层厚度测量系统基材重新回到卷绕舱中。通过一种或多种镀层厚度测量系统（LMS）（见3.8）进行镀层厚度的检测和控制。收卷经过张力辊，收卷部接受已镀膜卷，重新卷起。系统控制、可视化和分散的控制面板系统PLC监控整个设备操作（见3.12）。可视化的软件是用户与系统之间最为重要的界面。它将在屏幕上显示工艺参数和事件，且可以用于输入（见4.8）。分散的控制面板也可用于输入。3.4卷绕系统总览卷绕系统从一个辊上将膜卷出，经过工艺过程后，将蒸镀后膜卷收卷。图3-6所示红色线路为基材经过的路径。卷筒1（通常称为放卷）处理之初，放卷装有未经蒸镀的膜卷。在蒸镀过程中，膜卷从放卷放出。放卷的驱动电机对膜卷施加远离收卷的张力，以获得张紧的膜卷。转向辊转向辊保证膜卷平稳的运行，并且能够使膜卷按照需要的方向行进。展平辊当膜卷运行时，膜卷具有向中心收缩的趋势。因此，一些展平辊抵消上述情况。展平辊由一个弯曲的可轴向拉扯膜卷的轴组成。（见4.8.7.8）蒸镀主鼓膜卷在蒸镀主鼓上经过蒸发窗口，并在该处被沉积上镀层材料。蒸镀窗口是卷绕区和蒸镀区之间的开口。主鼓几乎覆盖整个蒸镀窗口。这意味着主鼓隔开了卷绕区与蒸发区。蒸镀窗口的宽度决定了膜卷上镀层的宽度。在蒸镀过程中，膜卷的速度（主鼓的转动速度）是一项与镀层质量紧密相关的关键参数。转动速度用以决定所有其他辊的速度值。在蒸镀过程中，膜卷将暴露在极高的热量下。主鼓将被冷却以消除上述热量。为了能够获得充分的热传导，膜卷必须与主鼓紧密接触。这种情况需要在整个过程中保持相同的张力。放卷和（如果安装）预处理辊保持向膜卷运行的反方向拉扯膜卷。张力辊和收卷一直保持向膜卷运行方向施加力量。张力辊膜卷接下来经过张力辊。张力辊的驱动马达沿着膜卷运行方向拉扯膜卷，使膜卷保持张紧。并且，张力辊确保收卷时将膜卷调整到一个理想的角度。枢轴臂最靠近收卷的部分为枢轴臂。枢轴臂是一组有三个导辊组成的可以移动部分。第一个和最后一个辊为转向辊，中间的一个为展平辊。在收卷时，枢轴臂始终与收卷膜卷表面保持相同的距离。这将确保收卷时膜卷调整保持在理想的角度。收卷收卷单元接收蒸镀完毕的膜卷并将其收紧。收卷的马达驱动沿模卷运行的方向施加力量，保持模卷张紧。卷绕系统中各辊系间的相会作用自动控制，并显示在系统显示器中。3.5辉光设备ToraMag辉光设备用于基材的后处理（见3.2.2）。通常，ToraMag的阴极装置应能够承受必须的功率。在辉光放电时，靶材应该均匀使用。ToraMag阴极通过靶材后部永磁铁产生的特定形状的磁场分布，保证上述均匀性。辉光设备能够通过马达从工作位置移开，以进行设备的维护工作（见7.3.12）。图3-7工作位置的溅射设备（实例）1–热蒸发挡板3–冷却水管2–旋转轴4–舱体（可移动部分）图3-8辉光设备（以旋开，俯视图）1–阴极4–挡板2–蒸发鼓5–挡板固定螺丝3–阴极靶材部分辉光设备的技术