专利名称：用于小尺寸工件真空镀膜的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于小尺寸工件真空镀膜的方法及其装置，属真空镀膜技术领域。
对于各种形状的小尺寸工件，如圆片、(长)方片、矩形立方体、圆柱体、球体或椭球体等。通常每个工件的线度应在15毫米之内，如果有两个线度较小，最后一个线度可以适当增大，如增大到25毫米；每个工件的重量通常不应超过25克。为了方便大量地装卸，同时避免单件装卡或翻面带来的低效率，通常采用水平旋转的圆柱形网笼的装载方式。
水平转动的圆柱形网笼通常由骨架、钢网和两端的端盖(板)构成。骨架、钢网和端盖都用不锈钢材料制造，便于反复镀膜使用和退镀清洗处理。网笼结构要有足够刚度和强度，保证在满负荷装载和正常传动条件下不会出现变形和损坏。钢网也要有足够强度，网孔在保证工件不会漏出的前提下尽量加大，以减少网笼对工件的遮挡作用，提高膜层沉积速度。网笼的中心转轴一端由一个支撑架支撑；在中心转轴的另一端也可以由一个支撑架支撑，或者直接与传动轴连接并支撑。
网笼的传动轴在真空密封通出真空室壁后，通常经过一个减速机和一个直流或交流单相或三相的电动机连接。电动机的转速最终决定工件网笼的转动速度。该网笼通常会以一个低的恒定速度转动。
网笼低速转动时，小工件由于受到重力的作用都会停留在网笼的底部，相互重叠，降低了镀膜速度或者小工件的一次装载量；其次，在网笼转动的过程中，小工件之间以及与网笼壁之间不断地发生滚动、滑动和碰撞，容易造成工件表面的划伤和磨损，影响到工件的尺寸精度和外观质量；最后，由工件和网笼上磨下的碎屑和污物，容易掉落到真空室底部的镀膜蒸发源等重要器件上，造成它们污染或损坏，影响到镀膜质量和镀膜系统的可靠性。
本发明提出的用于小尺寸工件真空镀膜的方法，其特征在于装载小尺寸工件的网笼周期性地控制在镀膜速度Nd和翻转速度Nf下转动，
Nd＝Nc+Δd，Nf＝Nc-Δf，其中Nc＝(30/π)(g/r)转/分，g为重力加速度，g＝980cm/秒2，r为网笼的内壁半径，单位为cm，Δd、Δf各为Nc(1～70)％，网笼以Nd转动的时间Td与以Nf转动的时间Tf之比为Td∶Tf＝1～100∶1。
本发明提出的用于小尺寸工件真空镀膜的装置，包括电机、减速机和真空镀膜室，其中的真空镀膜室包括真空室、网笼和蒸发源，网笼置于真空室中，电机通过减速机与网笼的转轴连接，其特征在于还包括多个蒸发源和控制电源，所述的多个蒸发源置于真空室的圆周上，所述的电机由控制电源控制其转速。
本发明提出的用于小尺寸工件真空镀膜的方法及其装置，在通常水平旋转的圆柱形网笼装载方式的基础上，通过调整和控制网笼转动的速度达到Nd，小工件转动中产生的离心力会克服小工件本身的向下重力，使得小工件能够均匀地贴合在网笼的圆周壁上。其优点如下1、由于网笼圆周壁面积大于底部的面积，在相同的重叠情况下，增加了小工件装载的数量。反之，在相同装载量的条件下，降低了小工件在网笼壁上的重叠，增大了小工件的有效镀膜表面积；2、由于小工件可以均匀地分布在网笼的圆周壁上，镀膜蒸发源可以不必放置在真空室的底部，而是上下左右四周。增加了蒸发源摆放的灵活性，同时也可增加蒸发源的摆放数量，有利于提高镀膜生产效率；3、镀膜蒸发源让开网笼下面的位置后，避免了由于碎屑和污物掉下污染蒸发源的危险，从而保证了镀膜质量和镀膜系统的可靠性。
在镀膜的过程中，通过周期性地降低网笼转动的速度到Nf，使小工件转动中产生的离心力小于工件本身的向下重力，这时网笼上部的工件就会脱离网笼圆周壁，出现翻滚、滑动和坠落。随着网笼转速重新加速到原来的速度，下落的工件又会随机地粘贴到网笼壁的其它位置，同时实现了工件贴合网笼圆周壁姿态的随机改变。这一先减速再加速的变速控制过程达到了以下目的(1)实现小工件在网笼中的受控“翻炒”，从而避免了对小工件进行手工翻面的费时、费力、低效率的工作；(2)在保证小工件各个表面镀膜均匀的前提条件下，增大比值(Td/Tf)可以有效地减少“翻炒”持续时间，从而有效减少工件表面划伤和磨损的可能性；(3)在可靠“翻炒”的条件下，根据工件的大小、形状和质量，通过减小Δd和Δf，最大限度地减弱工件和工件之间或者工件和网笼壁之间滚动、滑动和碰撞的强度，从而有效地减少了工件表面划伤和磨损的程度。
图2是已有技术中装载小工件的网笼结构示意图。
图3是本发明设计的小工件网笼转动驱动结构示意图。
图4是本发明设计的真空镀膜装置结构示意图。
图5是本发明的网笼转动速度控制示意图。
图1至图5中，1是电动机，2是减速机，3是真空室，4是网笼后端板，5是蒸发源，6是小工件网笼，7是网笼前端盖，8是网笼转动和支撑轴，9是网笼支撑架，10是网笼传动轴，11是电动机转速控制电源。
本发明提出的用于小尺寸工件网笼，周期性地控制在两个不同的转速(Nd和Nf)下转动。其中Nd＝Nc+Δd，Nf＝Nc-Δf，Δd和Δf可选在Nc的1至70％之间。Δd决定于网笼中工件的装载量，工件越多，网笼壁上重叠越厚，Δd需要较大，保证工件稳定贴合在网笼圆周壁上。Δf越大决定工件翻炒的强度就大，翻炒越彻底。Td为网笼以Nd转动时工件单面镀膜持续时间，Tf为网笼以Nf转动时工件翻炒持续时间。Tt＝Td+Tf为网笼转动调整周期，Td与Tf之比应该在1至100之间，比值越大表明工件翻炒持续的相对时间越少。镀膜的时间Tc与Tt之比也应该在1至100之间，对应于镀膜过程中的工件翻炒次数。
网笼在停止状态时，所有装入的小尺寸工件都会停留在网笼的底部。在网笼启动转动后，工件会在网笼的底部偏向转动方向的一边不断翻滚。随着转速逐步加速，转动方向一侧的圆周面上工件覆盖面会越来越长。当转速达到一个临界值(Nc)时，Nc＝(30/π)(g/r)转/分g(980cm/sec2)为重力加速度，r(cm)为网笼的内壁半径。Nc与工件重量和大小无关，只和网笼的内径有关。内径越大临界转速越低。
贴在网笼壁上随着网笼旋转的工件就会受到和自身重力相等的离心力。工件将不再出现翻滚的现象，而是始终贴合在网笼壁上，随网笼一道旋转。但是，没有直接贴在网笼壁上的工件，由于它们的转动半径较小，临界转速要求较高，因此仍会发生翻滚和滑动。该移动会将所有工件逐步均匀地分布在网笼的圆周表面上。随着网笼转动速度超过临界值Nc越多，所有工件就会越牢固地粘贴在网笼的圆周表面上。根据网笼内工件装载量的不同，网笼的圆周表面上可以粘贴着一层、两层或者多层工件。
当网笼转速再次降低到临界值Nc之下时，处于网笼上方的工件开始脱离圆周表面，出现翻滚、滑动和坠落。当这一过程持续一段时间后，网笼中所有工件就会经历一次彻底的“翻炒”。当网笼转速再次回到临界值Nc以上时，所有工件又会牢固地粘贴在网笼的圆周表面上。但是，每块工件与网笼圆周面的贴合面、贴合的位置(第一层、第二层或者第n层)等都会随机地彻底改变。经过足够多次的“翻炒”，几率原理可以保证所有工件的所有外表面都有相同的机会贴合在网笼的圆周表面上。
如果在真空镀膜室的周壁安装上各种蒸发离子源，上述网笼安置在镀膜室的中间，在整个镀膜过程中经过足够多次的“翻炒”，网笼中的所有工件都将会得到均匀地轰击清洗和镀膜。这就是用于大量装载小尺寸工件的水平旋转网笼及网笼转动状态控制的装置的发明意义所在。对于每个工件表面离子轰击清洗的强度和镀膜膜层的厚度，则和周壁蒸发离子源的蒸发速率和数量成正比关系，也和网笼工件一次装载量成反比关系。具体装置的设计将要根据实际使用的技术要求来确定。
本发明与和一般小工件网笼真空镀膜的差别在于1、一般小工件网笼的转动处于一个明显低于Nc的速度。而本发明要求网笼正常转动工作在Nc速度上下附近。(核查电机额定转速和减速机的减速比，就可判断出网笼的正常转动速度)2、一般小工件网笼的转速在镀膜过程中不改变，因而不需要调速电源。本发明要求对网笼的转速进行控制和变速调整，因此需要有一个转动调速控制电源，如变频器等。
3、由于一般网笼中小工件处于不断滚动翻炒中，会始终处于网笼的底部附近。因此，镀膜用的蒸发源也都集中或接近在真空室的底部，网笼的下方。本发明则免除了对蒸发源位置的限制，可以安置在镀膜室的四壁，网笼圆周面的四周上。便于安装多个或多种不同的蒸发源，容易实现多层复合膜层的镀制。保证镀膜的均匀性、提高镀膜效率。
以下是本发明的一个实施例网笼设计为半径260毫米、长度630毫米，则临界转速(Nc)约为57转/分。Δd取为10转/分和Δf取为5转/分，则Nd为67转/分和Nf为52转/分。对于网笼的基本转动速度选定为67转/分，对应于3相电动机在50Hz频率下的正常转动。这时，选定电动机控制电源为日本富士机电的FVR-0.75E11S型驱动逆变电源(1.9kVA，200-240vAC，50-60Hz单相输入，0.75kW，200-230vAC3相输出，频率在0.2-400Hz可调)。电动机选为国产YS8024型3相电动机(750W，1400转/分)。减速机由皮带减速(速比i1为100/157)、齿轮盘减速(速比i2为135/180)和涡轮减速机(速比i3为1/10)组成。总速比为三个速比值积约为4.78/100。这样当电动机控制变频电源以50Hz频率输出时，工件网笼的转速为67转/分。当电动机控制变频电源以39Hz频率输出时，工件网笼的转速会变为52转/分。对于上述两个输出频率，可以由电源的控制面板容易地预设进变频器中。然后再通过时间继电器或可编程控制器进行两种频率输出状态的周期性改变。Td和Tf分别选定为5分钟和0.15分钟。Td/Tf则为33，Tt则为5.15分钟。由于工件网笼的有效转动，使得网笼外同心圆柱形的真空室壁上安装了4个磁控溅射靶，达到工艺要求的镀膜时间Tc为120分钟，工件总共会翻炒23次(Tc/Tt)。
权利要求
1.一种用于小尺寸工件网笼转动的控制方法，其特征在于装载小尺寸工件的网笼周期性地控制在镀膜速度Nd和翻转速度Nf下转动，Nd＝Nc+Δd，Nf＝Nc-Δf，其中Nc＝(30/π)(g/r)转/分，g为重力加速度，g＝980cm/秒2，r为网笼的内壁半径，单位为cm，Δd、Δf各为Nc(1～70)％，网笼以Nd转动的时间Td与以Nf转动的时间Tf之比为Td∶Tf＝1～100∶1。
2.一种用于小尺寸工件真空镀膜的装置，包括电机、减速机和真空镀膜室，其中的真空镀膜室包括真空室、网笼和蒸发源，网笼置于真空室中，电机通过减速机与网笼的转轴连接，其特征在于还包括多个蒸发源和控制电源，所述的多个蒸发源置于真空室的圆周上，所述的电机由控制电源控制其转速。
全文摘要
本发明涉及用于小尺寸工件真空镀膜的方法及其装置，属真空镀膜技术领域。本方法将装载小尺寸工件的网笼周期性地控制在镀膜速度Nd和翻炒速度Nf下转动。本发明设计的镀膜装置，包括控制电源、电机、减速机和真空镀膜室，其中的真空镀膜室包括真空室、网笼和多个蒸发源，蒸发源置于真空室的圆周上，电机由控制电源控制其转速。本发明的方法及其装置，通过调整和控制网笼转动的速度，使小工件转动中产生的离心力克服小工件本身的向下重力，均匀地贴合在网笼的圆周壁上，减少工件之间的重叠，增大工件被镀表面，提高镀膜效率。并减少工件与工件之间或者工件与网笼壁之间滚动、滑动和碰撞的强度和持续时间，从而有效地减少工件表面的划伤和磨损。
文档编号C23C14/24GK1401815SQ02129259
公开日2003年3月12日 申请日期2002年9月29日 优先权日2002年9月29日
发明者罗蓉平, 沈齐英, 董骐, 杜建, 钟钢 申请人:北京丹鹏表面技术研究中心