一种非规则曲面工件镀膜阴极用伸缩机构

技术领域

本发明用于真空磁控溅射镀膜领域，具体为一种用于立式磁控溅射镀膜生产线的非规则曲面工件镀膜阴极用伸缩机构，通过调整阴极的横向往复运动，使阴极靶面始终和非规则曲面工件面保持一个相对稳定的靶基距，从而保证曲面工件表面沉积膜层的均匀性。

背景技术

对于非规则曲面工件的镀膜，均匀性是比较难处理的工艺问题。立式磁控溅射生产线的结构一般为一条直线分布排列的多个立式真空腔室模块，两端是进出室模块，中间有工艺室模块，工艺模块侧面立式布置有一套或多套磁控溅射阴极。工件被装夹在工件车上立放，工件待镀膜面面向阴极侧。工件按照工艺顺序方向被传输至工艺腔室，在工艺腔室按照一定的匀速传输，一般为2～3m/min。布置在工艺模块的磁控溅射阴极按照工艺设定的功率参数对工件进行镀膜，当工件完全经过磁控溅射区域后，即完成镀膜，由出片室传输到真空室外，输送到下一道工序。工件如果是一个平面的基板，阴极的磁场布局均匀，工艺腔室的布气均匀，传输速度稳定，理论上讲基片表面制备的膜层厚度是均匀的。如果基片是一个不规则的弧形的，类似波浪状的，按照一般镀膜线的这种固定结构就无法保证不规则的基片表面制备膜层的均匀性。基片波浪的波峰距离靶面的距离较近，膜层较厚，基片的波谷距离靶面的距离较远，膜层较薄。

目前此类工件的镀膜设备有单个工艺腔室模块溅镀机，设备主要结构由真空腔室、工件架及内置真空机器人等构成。镀膜生产时先将基片夹持在真空室内工件架上固定，真空机器人夹持磁控溅射阴极，按照工件曲面路径保持靶面和工件面间恒距扫描溅射，完成基片表面的镀膜工艺，然后破空真空室，取出完成镀膜后的基片，再做下一片基片的镀制。机器人单室模块设备基本能达到镀膜的要求，解决均匀性问题，但是，机器人单室模块设备单个模块成本造价高，配备真空设备负载大，生产效率低，后续维护成本高，具体原因如下。

机器人单室模块设备单个模块成本造价高：1.腔室要有机器人机械臂的回转空间，真空腔室体积比较大，需要较大的真空腔室制作成本；2.真空机器人造价较高，特别是承重较大的机器人造价更是成倍的增高；3.真空机器人编程繁琐，更换工件后控制程序更改复杂，电控成本较高；4.生产效率很低。

机器人镀膜设备配备真空设备负载大：1.真空室内体积大，需要较大功率及抽速的真空获得设备；2.镀膜机器人的机构复杂，阴极的电源线、水冷管、传感器线缆等都需要跟随机械手臂一起转动，所以需要额外的加长，这些加长的线缆放气量较大，增加了真空获得设备的负载；3.真空机器人齿轮箱内需要大量的真空润滑脂，润滑脂的放气量也要增加真空获得设备的负载。

机器人镀膜设备生产效率低下：1.单室镀膜机抽真空时间较长，生产周期时间长，从上片到镀制完成越需要4～6个小时；2.单室镀膜机不能连续生产；3.机器人扫描镀膜工艺速度慢。

机器人镀膜设备后续维护成本高：1.用于真空镀膜的真空机器人的多关节结构复杂，维修的几率较高；2.真空镀膜机器人的很多关键部件还需要进口零件，购买价格高，采购周期还较长。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种阴极伸缩机构，配合不规则弧形基片直线纵向传输的距离，协同调整磁控溅射阴极横向前后往复移动，始终保持阴极靶面和基片表面的距离不变，从而达到基片膜层制备的均匀性。

本发明采用以下技术方案：一种非规则曲面工件镀膜阴极用伸缩机构，包括矩形阴极、阴极支撑管、安装门板、丝杠副、连接板、驱动装置、控制装置；所述安装门板与真空腔体密封连接；所述矩形阴极背板的上下侧各连接有一根阴极支撑管，所述阴极支撑管的另一端穿过所述安装门板并通过焊接波纹管与安装门板大气侧密封连接，阴极支撑管用于侧向支撑整个矩形阴极；所述丝杠副的丝杆平行于阴极支撑管设置在安装门板的大气侧，所述连接板一侧与阴极支撑管固定连接，另一侧与所述丝杠副的螺母固定连接；所述驱动装置用于驱动所述丝杠副的丝杆正反转动；所述控制装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时通过控制所述驱动装置驱动阴极支撑管往复运动，实现矩形阴极靶面始终和工件保持一个相对稳定的靶基距。

可选的，还包括支撑板，所述支撑板固定在所述安装门板下部并与安装门板垂直刚性连接，所述矩形阴极的底部与所述支撑板滑动或滚动连接。

进一步地，所述矩形阴极的底面前后分别固定两组支撑滚轮，支撑板的上表面设有与支撑滚轮相匹配的轨道，支撑滚轮可沿轨道往复滚动。

可选的，还包括导向装置，所述导向装置包括两根分别位于所述阴极支撑管两侧并平行于所述阴极支撑管的直线滑动轴承，所述连接板两侧分别与直线滑动轴承的滑动块固定连接。

可选的，所述阴极支撑管位于大气侧的后端部设有螺纹段，所述连接板两侧分别用两个压紧螺母相对旋紧固定在阴极支撑管上。

可选的，所述驱动装置包括伺服电机，所述伺服电机通过同步带同步驱动两根所述丝杠副的丝杆转动。

进一步地，所述驱动装置还包括导向轮、张紧轮，所述导向轮设置在电机带轮及丝杠副带轮旁用于使同步带在电机带轮及丝杠副带轮外圆弧上获得较大的包角，所述张紧轮设置在同步带的外侧面，用于弹性调节同步带的张紧度。

可选的，还包括安装筒，所述安装筒固定在安装门板的大气侧，用于固定位于大气侧的伸缩机构的部件。

可选的，所述安装门板真空侧设有密封槽，并通过密封圈和真空腔体密封连接。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明巧妙的把二维运动机械结构运用到立式磁控溅射镀膜线，解决了非规则曲面工件表面镀膜在生产线直线传输生产时的膜层均匀性难题，通过本发明的伸缩机构调整阴极的横向往复运动，可让阴极靶面始终和非规则曲面工件面保持一个相对稳定的靶基距（如100mm），从而保证曲面工件表面沉积膜层的均匀性；

（2）相对于真空工业机器人，采用本发明的伸缩机构不用加大工艺镀膜真空腔室，占用真空室体积小，真空室的结构尺寸减小，成本也相应减少，且其结构简单，易于制造，成本低；

（3）本发明伸缩机构的驱动部分安装在真空室外，方便后期生产维护；

（4）本发明的伸缩机构是纯机械结构组成，阴极的重量完全由固定结构的支撑板托起，阴极和支撑板之间的运动摩擦为滚动或滑动摩擦，摩擦系数小，抗疲劳，使用寿命长；

（5）本发明结构中的阴极在往复运动时的真空密封是采用的焊接波纹管，能够保证阴极在往复过程中一直处于较稳定的真空状态；

（6）本发明结构中阴极支撑管可采用两组精密直线轴承通过连接板硬性连接，保证阴极在往复运动时的直线性及稳定性；

（7）本发明结构中采用同步带传动，一个电机同时驱动上下两个阴极支撑管的往复运动，保证了阴极上下移动的同步性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的局部剖面结构示意图。

图3是本发明实施例中驱动装置同步带传动机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1、图2所示，本实施例的一种非规则曲面工件镀膜阴极用伸缩机构，包括矩形阴极（1）、阴极支撑管（2）、支撑板（4）、安装门板（5）、安装筒（6）、丝杠副（9）、连接板（7）、导向装置、驱动装置（10）、控制装置。

所述安装门板（5）与真空腔体密封连接，可选的，安装门板（5）真空侧设有密封槽，并通过密封圈和真空腔体密封连接。

所述矩形阴极（1）背板的上下侧各连接有一根阴极支撑管（2），阴极支撑管（2）的强度可以侧向支撑整个矩形阴极（1），阴极支撑管（2）的另一端穿过安装门板（5）并通过焊接波纹管（11）与安装门板（5）大气侧密封连接。焊接波纹管（11）可以伸展或压缩，焊接波纹管（11）结构抗机械疲劳设计可以承受50万-100万次的伸展及缩回往复动作，有较长的使用寿命。焊接波纹管（11）的门板侧安装有门板壁密封圈14，焊接波纹管（11）的电机侧安装有支撑管壁密封圈13，保证了阴极支撑管（2）电机端和门板外壁的真空密封，从而保证矩形阴极（1）在往复运动时一直处于真空环境中。

所示支撑板（4）固定在安装门板（5）下部并与安装门板（5）垂直刚性连接，矩形阴极（1）的底面前后分别固定两组支撑滚轮（3），支撑板（4）的上表面设有与支撑滚轮（3）相匹配的轨道，支撑滚轮（3）可沿轨道往复滚动。

所述安装筒（6）固定在安装门板（5）的大气侧，用于固定位于大气侧的伸缩机构的部件。阴极支撑管（2）大气侧穿过安装筒（6）。丝杠副（9）的丝杆平行于阴极支撑管（2），其一端与安装门板（5）壁连接，另一端与安装筒（6）端板连接。连接板（7）上侧孔位套在阴极支撑管（2）后端部的螺纹段，并且两侧分别用两个压紧螺母（12）相对旋紧固定在阴极支撑管（2）上。导向装置包括两根分别位于所述阴极支撑管（2）两侧并平行于阴极支撑管（2）的直线滑动轴承（8），直线滑动轴承（8）的滑动块外径插入连接板（7）两侧孔，并固定连接在一起。连接板（7）的下部孔位与丝杠副（9）的螺母固定连接，丝杠副（9）的丝杠转动起来，丝杠副（9）的螺母就会在丝杠上往复运动，通过连接板7带动矩形阴极（1）在直线滑动轴承（8）的导向下直线往复移动。

本实施例中驱动装置（10）采用伺服电机，伺服电机通过同步带同步驱动两根所述丝杠副（9）的丝杆转动。如图3所示，伺服驱动电机带轮（17）转动，通过同步带同时带动上下丝杠副带轮（18）转动。导向轮（15）设置在电机带轮（17）及丝杠副带轮（18）旁，导向轮（15）可以使同步带在电机带轮（17）及上下丝杠副带轮（18）外圆弧上获得较大的包角，提高了同步带传动的承载能力。张紧轮（16）设置在同步带松边的外侧，用于调节同步带初拉力，保证同步带正常传动而不致打滑。本发明的驱动装置（10）还包括其他驱动方式，比如气动，液压等。

所述控制装置包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时通过控制所述驱动装置（10）驱动阴极支撑管（2）往复运动，实现矩形阴极（1）靶面始终和工件保持一个相对稳定的靶基距。

此外，本发明结构中安装门板（5）和支撑板（4）内部可加工深孔水冷管道，避免镀膜制程中的发热导致部件变形而引起往复运动出现卡滞现象。

对于非规则曲面工件的镀膜，也可采用单室蒸发镀膜设备。把工件固定在真空室顶部的可旋转工件架上，膜料置于真空室内部的蒸发舟内，加热蒸发舟中膜料使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气沉积到基片表面凝结形成固态薄膜。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。