一种创新且空间利用率高的垂直安装式真空卷对卷磁控溅射原型系统，适用于大面积柔性薄膜沉积

磁控溅射垂直六边形多平面靶系统提升批量沉积效率，测试铜、银、钼及石墨相氮化碳等材料在 Kapton 胶带上的均匀沉积层（粗糙度 RMS≈0.6 nm），结合 SIMTRA 和 Opera 仿真优化等离子体约束，应用于医疗CT X射线源、太阳能电池及柔性电子。

　　

A. Ibrahim|U.B. Memon|Arnab Pattanayak|József Sárosi

匈牙利塞格德大学工程学院机电一体化与自动化系，6720塞格德

摘要

在这项研究中，作者提出了一种创新的垂直安装的卷对卷溅射系统设计，该设计基于六边形排列的多个平面靶材。制造了一个2英寸×6英寸的矩形溅射枪，并以六边形方式排列，以实现批量操作中的更高吞吐量。使用SIMTRA和Opera仿真软件进行了系统仿真研究，以可视化真空室内的沉积轮廓。该系统旨在实现连续且具有图案化的沉积（使用金属掩模）在Kapton胶带上。本研究评估了传统的钻孔技术和基于激光的钻孔技术；然而，最终选择了基于激光的钻孔技术进行实验。该系统能够在运行的Kapton胶带上沉积不同的材料，这种胶带计划用于激光-物质相互作用应用，具有不同的重复率（1 Hz–1 KHz），以生成高能粒子，如中子和X射线，这些粒子将用于医学应用，例如计算机断层扫描（CT）。此外，该系统还可用于太阳能电池、电池和柔性电子应用。

通过将Cu、Ag、Mo和石墨碳氮化物等不同材料沉积在Kapton胶带和刚性基底上，对该系统进行了测试。使用原子力显微镜（AFM）和轮廓测量仪对大面积的厚度进行了分析。记录的粗糙度RMS值约为0.6纳米。进行了XRD和EDX分析以确定沉积膜的纯度。还进行了反应溅射，以沉积氮化物和氧化物材料。

引言

磁控溅射是研究和工业中最广泛使用的物理气相沉积（PVD）技术之一。它能够在低温下沉积多种材料，同时保持高纯度。这项技术广泛应用于需要高质量功能材料涂层的行业[1]。与其他沉积方法（如热蒸发和磁控溅射）相比，磁控溅射通常能够产生更均匀和致密的薄膜[1]。其应用范围包括太阳能电池、电池和纺织品等领域。

该过程利用磁场排列来增加等离子体密度，从而提高溅射速率，并在基底表面产生更致密、更均匀的薄膜[2]。磁控溅射具有多样性，能够沉积金属（例如Pt、Pd、Au、Ag）、电介质（例如SiO₂）、化合物和定制的纳米复合材料（g-C₃N₄）[3]。反应溅射是这种技术的一种变体，通过向腔内引入反应气体来实现化合物薄膜的形成。根据反应气体的浓度，沉积过程会经历三种不同的模式：（1）金属态、（2）过渡态和（3）氧化态。较高的反应气体浓度有利于形成高反应性薄膜，而较低的浓度则有利于金属生长。

然而，反应溅射也存在一些挑战：（1）沉积过程中的滞后现象；（2）难以管理金属态和氧化态之间的过渡区；（3）在高反应气体浓度下可能出现电弧或阳极消失等问题。尽管存在这些限制，反应溅射已成功用于沉积氧化物、氮化物和其他化合物薄膜[[4], [5], [6], [7], [8]]。

为了实现所有提到的特性并获得更好的结果，所提出的系统面临着将平面靶材相邻放置的挑战，同时必须正确对齐磁场线，以形成均匀的等离子体约束和沉积轮廓。该溅射系统最初以平衡模式运行；然而，也探讨了使用不平衡磁控管方法连接多个相邻位置靶材的重要性和影响[[9], [10], [11]]。除了对磁场排列的修改外，还探索了对电源的改进。除了传统的射频（RF）电源外，还研究了一种脉冲直流（pulsed DC）磁控管电源，该电源以一定的占空比（20-50%）和固定的工作频率（40 KHz）施加，有助于获得非常致密和高质量的薄膜。它还允许沉积金属和非金属（如电介质、氧化物和氮化物靶材），具有更好的沉积特性，并消除了阳极消失等问题[12]。

本文提出了一种用于柔性基底上大面积卷对卷沉积的方案。已有研究探索了卷对卷沉积在太阳能电池、电池和膜等应用中的潜力[[13], [14], [15], [16], [17]]。与传统卷对卷或在线沉积系统相比，所提出的系统具有显著优势。传统系统通常水平运行，基底连续移动；或者垂直运行，单行基底从入口移动到出口，这两种方式都会导致更长的沉积时间，并且需要较大的空间来提高吞吐量。

相比之下，我们的垂直安装系统通过垂直布置消除了空间限制。通过沿较长方向扩展靶材尺寸，能够在几分钟内完成数千米长胶带的涂层。这是通过每个周期批量装载100米或更长的胶带来实现的，从而显著提高了吞吐量，而不会像水平配置那样出现空间占用问题。多个靶材的排列允许一次性在整个真空室内对靶材材料进行溅射，从而在几分钟内分批完成所需的厚度。主要优点包括：（i）垂直安装减少了水平空间需求；（ii）较长的靶材尺寸允许快速覆盖较长的长度；（iii）批量装载长胶带长度加快了整个过程；（iv）该设计在不增加系统尺寸的情况下实现了吞吐量的扩展。

这种方法有效地优化了沉积速度和设施空间，非常适合高产量生产环境。对于这个原型沉积系统，使用了一个校准良好的磁控溅射系统，并配备了可调磁强的靶材组件，以在沉积室内获得均匀的沉积轮廓。在这种情况下，沉积的长胶带用于需要连续供给材料以生成高能粒子（如X射线和中子）的激光-物质相互作用装置中，例如在计算机断层扫描（CT/微CT）扫描机中，如补充图S4所示。

使用Kapton胶带作为基底材料来测试系统与不同靶材的组合。系统配备了所有必要的传感器和泵，以确保有效运行。使用不同的仿真工具对所提出的系统进行了彻底研究，随后与实际测试结果进行了比较。为了测试沉积的材料，对几个不同的样品进行了几种表征测试，如原子力显微镜（AFM）、轮廓测量、光学显微镜、XRD、EDX和扫描电子显微镜（SEM）分析。还研究了有无掩模的基底上的沉积情况；使用带有微孔的不锈钢激光钻孔掩模作为图案化掩模来沉积材料。随后，将数据与仿真数据进行匹配，以获得更好的结果。

此外，在这项工作中，我们将深入探讨第3.1节中的卷对卷磁控溅射沉积室、第3.2节中的平面靶材及其排列、第3.3节中的硬质掩模以及第3.4节中的仿真研究等重要问题。在第3.5节中，我们分析了掩模间隙对沉积轮廓的影响，并总结了整个主题。

章节摘录

卷对卷磁控沉积室

沉积室的完整简化版本如图1(a–b)所示。磁控溅射室包含六个平面磁控靶材，每个靶材的尺寸为6英寸×2英寸。系统包括三个部分：外腔室、胶带固定器和靶材组件。外腔室包含用于连接旋转泵和涡轮分子泵的各种法兰。系统还有两个独立的部分，用于将胶带保持为连续的基底

结论

本文的有效性在于整合了一种垂直方向的六边形多平面磁控溅射布局，创建了一个紧凑且高效的连续薄膜沉积系统。所设计的布局能够产生更加分散且几乎各向同性的角通量分布，在柔性基底上提供了更好的沉积均匀性。基于SIMTRA和OPERA模型的数值计算精确模拟了等离子体约束和沉积过程

CRediT作者贡献声明

A. Ibrahim：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。U.B. Memon：调查、数据管理、概念化。Arnab Pattanayak：方法论、数据管理、概念化。József Sárosi：验证、监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：ARIF IBRAHIM报告称获得了塔塔基础研究所（Tata Institute of Fundamental Research）的财务支持。ARIF IBRAHIM报告与塞格德大学（University of Szeged）存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响所报告的工作

致谢

作者衷心感谢EPIC、TIFR、IIT Bombay（印度）和匈牙利塞格德大学在这项工作中的宝贵支持。他们还感谢所有团队成员在整个研究过程中的贡献和协助。