磁控溅射机磁控溅射入口密封法兰的制作方法

本发明涉及一种主要适用于进口ks40v磁控溅射自动设备回转工件挂架与传动轴间真空密封的磁控溅射机磁控溅射入口密封法兰。

背景技术：

薄膜电路基片制造过程的关键是要将金属溅射镀膜到瓷片表面上，从而使非金属介质表面覆盖一层金属层，使用一种叫真空镀膜的工艺实现上述目的，这是制造薄膜电路的关键工作。磁控溅射机是完成真空镀膜工艺的一种设备。磁控溅射是电子在电场e的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出ar+和新的电子；新电子飞向基片，ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生(电场)e×b(磁场)所指的方向漂移，简称e×b漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的ar+来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场e的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射-种类磁控溅射磁控溅射包括很多种类。各有不同工作原理和应用对象。但有一共同点：利用磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。磁控溅射真空镀膜设备在真空镀膜室壁的密封法兰盘上，装有数个、不同种类金属靶材的平面磁控溅射靶；在镀膜室底面，装有加热器。带有水冷夹层2英寸磁控溅射头采用快速接头与真空腔体相连接。一个手动操作的快速挡板安装在法兰上。磁控溅射机的真空腔室中设计有回转工件挂架被固联在真空腔室底部的立柱支撑上，位于真空腔室中央，顶部通过法兰联接设备回转轴，挂架上下均有罩壳覆盖，内部结构在正常状态不可见；金属挂架外侧呈八边形，用于夹持工件。正常工作时工件在挂架上完成等离子清洗和溅射镀膜涂覆上金属镀层。真空腔室提供高真空环境，确保镀膜需要的等离子能够发生和保证镀膜附着强度，设备真空是设备正常运行的先决条件，真空条件不满足，设备会实行停机保护，且射频电源因绝缘体高频状态漏电经常故障，导致设备不工作。

磁控溅射机国内暂时没有生产，主要是高真空制造要求和设备关键部件均是国外知名产品，进口费用非常昂贵，另外，国内没有这方面应用软件匹配和高真空腔室加工外协费用高，想自己制造设备的费用远高于进口成品价格。

磁控溅射设备可靠运行的关键是真空，设备真空腔室涉及各端口的密封可靠性。意大利kenosistec公司的ks40v已是第二代产品，工作效率有了大幅提高，但在设备运行第二年后使用者慢慢发现生产效率在降低，因为这个变化非常缓慢，没有引起工程技术人员的注意，直到产品出现局部附着强度问题，才开始进行问题排查，问题出现部位是随机的，增加了排查难度，最后采用极端试验法，模拟设备漏气状态，才稳定复现附着强度故障。

国外厂家维修人工费用从离开公司开始计时收费，400欧元/小时，备件另算，估计费用3-4万欧元。设备停机后，找出真空漏点非常困难，专业检漏公司派出3人忙了半个月，硬是没有查出真空腔室上的进线端口有漏点，最后扩大范围到设备外围，才在设备上部封装的转轴传递转子处发现测漏设备出现漏点反应，拆除封装罩壳后发现工作电源是通过空心传动轴传递到工件挂架上，拧紧工件挂架上部与传动轴连接法兰，发现有2个紧固螺钉滑丝，与国外厂家联系，知悉了此部分的结构组成，判定是法兰紧固失效导致密封失效引发漏气，取出法兰，发现国外法兰盘的紧固设计是在软质塑料体上使用钢丝螺套形成螺纹，用于传动轴与工件挂架顶面的密封。国外设计的钢丝螺套只有38个螺套螺纹，嵌套深度0.23mm，用于钢件没有问题，但用于软质塑料且承拉力的构件，造成密封慢性失效在情理之中。我们应急设计采用t形螺母形式，一端是一个凸出的圆盘，受力后对软质塑料形成一定区域的压力，采用力矩扳手紧固，结果1年后复查发现整体紧固力矩下降24％，个别螺栓紧固力矩下降33％，材料在使用中承受交变加热后产生冷滑变形严重，仍存在慢性失效现象。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有同型号设备通用性，密封可靠，使用寿命长效性，能够可靠提供磁控溅射真空腔室传动轴密封的磁控溅射机，以解决目前陶瓷电路制造磁控溅射镀膜因传动轴密封长期可靠性带来的镀膜附着强度问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种磁控溅射机磁控溅射入口密封法兰，包括：制有中心过孔10和螺母阵列通孔圆柱台阶构成的绝缘体法兰1，其特征在于，绝缘体法兰1中心法兰圆台表面上覆盖有上绝缘环板4，法兰盘对应下表面覆盖有下绝缘环板5，装配在中心过孔10的密封圈9外侧制有与嵌入的上螺母阵列环板2和下螺母阵列环板3匹配的环槽，法兰圆台下表面通过上螺母阵列环板2固联于磁控溅射机设备真空腔室内，固定在真空腔室底部支撑托起的金属工件挂架上，法兰圆台上表面通过下螺母阵列环板3固联于磁控溅射机设备上方，连接贯穿真空腔室壁密封轴承装配的中空传动轴上的端头法兰，组装成以绝缘体法兰(1)为密封的传动中间体，射频电源通过穿过中空传动轴中心，从磁控溅射机设备外固联到真空腔室内工件挂架，通过装配于工件挂架内螺纹盲孔中的铜棒导通，形成外部与大气密封的中空传动轴，工件挂架内通大气回转，外表面挂连工件。

本发明下螺母阵列环板面积大于上螺母阵列环板面积。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

具有同型号设备通用性。本发明采用绝缘体法兰1中心法兰圆台表面上覆盖有上绝缘环板4，法兰盘对应下表面覆盖有下绝缘环板5，将所有紧固螺母固联在平面圆环上制成整体的方式，最大限度扩展了螺母阵列环板与绝缘介质的接触面积，减少了螺栓紧固对软材料的压强，克服了现有技术在软质塑料体上使用钢丝螺套形成螺纹，用于传动轴与工件挂架顶面的密封，紧固螺钉滑丝法兰紧固失效，导致密封失效引发漏气，密封慢性失效的缺陷，提高了上下螺母阵列环板之间软介质材料的受力平整稳定性，螺栓紧固压力具有传导性，对减少绝缘介质冷流变形具有通用性。

具有较高的密封可靠性。本发明采用装配在中心过孔10的密封圈9外侧制有与嵌入的上螺母阵列环板2和下螺母阵列环板3匹配的环槽，法兰圆台下表面通过上螺母阵列环板2固联于磁控溅射机设备真空腔室内，固定在真空腔室底部支撑托起的金属工件挂架上，将软质材料作为绝缘介质和密封受力表面，使用螺栓紧固具有密封可靠，工件挂架回转保证其外表面挂的工件在溅射镀膜时更均匀，传动轴与工件挂架间的法兰密封满足真空指标是设备运行的先决条件。由于本发明法兰的密封可靠，真空腔室不再受密封泄漏的水汽影响，因此薄膜电路基片产品不会出现意外附着强度陡降的问题，解决了目前陶瓷电路制造磁控溅射镀膜，因传动轴密封长期可靠性带来的镀膜附着强度问题。通过下螺母阵列环板面积大于上螺母阵列环板面积，有助于保持软介质材料受力形变对密封环的影响，保持了密封圈密封形变的稳定性，进而确保绝缘体法兰密封的可靠性。为了改变局部螺栓紧固的失效，本发明将单个螺母变为整体的螺母阵列板，根据设备的要求，最大限度增大了螺栓紧固的承压面积，同时适当增加聚四氟乙烯板的厚度，经过近2年的检验，法兰紧固力矩变化小于6％，对应的密封圈压缩量变化更小，且采用本发明法兰后密封圈压缩量可增至原设计的2倍及以上，长期可靠性有了保证。

具有使用寿命的长效性。本发明采用法兰圆台下表面通过上螺母阵列环板2固联于磁控溅射机设备真空腔室内，固定在真空腔室底部支撑托起的金属工件挂架上，法兰圆台上表面通过下螺母阵列环板3固联于磁控溅射机设备上方，连接贯穿真空腔室壁密封轴承装配的中空传动轴上的端头法兰，组装成以绝缘体法兰1为密封的传动中间体，可靠提供磁控溅射真空腔室传动轴密封。通过有效压缩内环密封圈得到可靠密封保证，避免了现有技术在设备上部封装转轴传递转子处易出现漏点反应的缺陷。工件挂在工件挂架表面，射频电源工作使工件表面得到等离子体轰击而得到清洁，设备真空腔室抽真空达到了净排空状态，提高了密封法兰使用寿命的长效性，杜绝了采用本发明前抽气量大于泄露量的动态真空状态，使得达到和保持使用真空度的准备时间缩短，提高了设备使用效率和制造成品率。

本发明用高可靠密封法兰，

法兰通过上下两面嵌入的密封圈与设备转动轴法兰和工件挂架上顶面配合密封，紧固螺栓兼顾旋转传动功能，设备开启后工件挂架就在传动轴带动下旋转，完成事先编程的工步，实现挂架上悬挂的瓷片完成镀膜，利用磁控溅射机设备自带的相应法兰与本发明法兰配合实现了可靠密封，具有紧固压力与转动传动动态受力下材料最小蠕变量，能够可靠完成中高真空密封的应用于进口ks40v磁控溅射实现射频电源贯通和转动传动功能的高可靠密封法兰，解决目前陶瓷电路制造磁控溅射镀膜因传动轴密封长期可靠性带来的镀膜附着强度问题。所采用的分体固联组合结构减少了整体材料加工的加工量和费用，采用本发明组合结构加工更为经济，避免了国内外设备厂家只换不修费用高昂的问题，解决了价值近500万元人民币的进口设备真空密封法兰长期可靠性差，不足2年出现设备真空不满足工作指标和射频电源经常故障，进口设备完全不能正常工作的问题。

本发明适用于ks40v磁控溅射设备的传动轴与工件挂架间的密封。

附图说明

图1是本发明磁控溅射机磁控溅射入口密封法兰主视图。

图2是图1的i-i向阶梯剖面视图。

图3是图1下螺母阵列环板的主视图。

图4是图3的左视图。

图5图1上螺母阵列环板的主视图。

图6是图5的左视图。

图中：1绝缘体法兰，2上螺母阵列环板，3下螺母阵列环板，4上绝缘环板，5下绝缘环板，6圆柱螺母，7下阵列环板，8上阵列环板，9密封圈，10中心过孔。

具体实施方式

在图1所示的实施例中，一种磁控溅射机磁控溅射入口密封法兰，包括：制有中心过孔10和螺母阵列通孔圆柱台阶构成的绝缘体法兰1。绝缘体法兰1中心法兰圆台表面上覆盖有上绝缘环板4，法兰盘对应下表面覆盖有下绝缘环板5，装配在中心过孔10的密封圈9外侧制有与嵌入的上螺母阵列环板2和下螺母阵列环板3匹配的环槽，法兰圆台下表面通过上螺母阵列环板2固联于磁控溅射机设备真空腔室内，固定在真空腔室底部支撑托起的金属工件挂架上，法兰圆台上表面通过下螺母阵列环板3固联于磁控溅射机设备上方，连接贯穿真空腔室壁密封轴承装配的中空传动轴上的端头法兰，组装成以绝缘体法兰1为密封的传动中间体。射频电源通过穿过中空传动轴中心，从磁控溅射机设备外固联到真空腔室内工件挂架，通过装配于工件挂架内螺纹盲孔中的铜棒导通，形成外部与大气密封的中空传动轴，工件挂架内通大气回转，外表面挂连工件。

绝缘体法兰1上对应上下螺母阵列通孔两端，在密封圈外侧制有刚好与嵌入的上螺母阵列环板2和下螺母阵列环板3匹配的至少深5mm的环槽。

中空传动轴、绝缘体法兰1和工件挂架螺纹盲孔内通大气，构成位于真空腔室内与外部大气密封的可回转工件固定机构。

由大小圆柱构成台阶圆台的绝缘体法兰的材质选用聚四氟乙烯。法兰上下表面制有围绕中心过孔10，槽宽6-9mm的上密封槽和下密封槽，上密封槽和下密封槽为密封圈9提供密封通道；还制有孔间距对应设备法兰的两组环形孔，以及为上绝缘环板4、下绝缘环板5提供安装通道的槽宽分别为60mm-67mm、60mm-82mm的上环槽和下环槽。

参阅图3-图6。圆柱螺母6一端插入下阵列环板7内侧环形阵列孔内且端面齐平，两者通过焊接形成下螺母阵列环板3。圆柱螺母6一端插入上阵列环板8外侧环形阵列孔内且端面齐平，两者通过焊接形成上螺母阵列环板2。

上螺母阵列环板2材质为不锈钢，由圆柱螺母安装上阵列环板外侧安装孔内。下螺母阵列环3板材质为不锈钢，外形尺寸大于上螺母阵列环板2，由圆柱螺母安装到下阵列环板5内侧安装孔内。

下螺母阵列环板3环形平板材质为不锈钢，厚度3mm，环平面直径上制有两组环形分布孔，圆柱形螺母一端固联在上环形孔内，焊口修磨平整，孔间距与设备一致。下螺母阵列环板3平面度±0.15mm，总厚度比绝缘体法兰1双面制成环形槽后的尺寸小1-1.2mm上绝缘环板4、下绝缘环板5采用聚四氟乙烯材质，环形平板采用厚度至少3mm的不锈钢材质，环平面直径上制有两组环形分布孔，圆柱形螺母一端固联在φ120mm直径上环形孔内，焊口修磨平整，孔间距与设备一致。上螺母阵列环板2平面度±0.15mm，总厚度比绝缘体法兰(1)双面制成环形槽后的尺寸小1-1.2mm，主要作用是在真空状态下保证射频绝缘。其内径比其安装位置对应直径尺寸小0.05-0.10mm，其外径比其安装位置对应直径尺寸大0.05-0.10mm，必须过盈装配。

圆柱形螺母是不锈钢圆柱，其一端端口倒角，距离倒角端口2.8mm的圆柱面开有环槽，用于固联。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，将螺母环板改成异形螺母，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。