矩形平面移动溅射靶的设计毕业论文

1、 矩形平面移动溅射靶的设计 1 / 23 毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书 （201201 届）届） 设计（论文）题目设计（论文）题目 矩形平面移动溅射靶的设计矩形平面移动溅射靶的设计 学学 院院 名名 称称 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 专专 业业 （班（班 级）级） 机械设班机械设班 姓姓 名名 （学（学 号）号） 指指 导导 教教 师师 系系（教教研研室室）负负责责人人 矩形平面移动溅射靶的设计 2 / 23 目 录 矩形平面移动溅射靶的设计 .3 摘要 .3 ABSTRACT .4 1 绪论 .5 1.1 真空镀膜的意义 .5 1.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况 .

2、5 1.3 阴极靶的重要性 .6 1.4 课题的研究背景 .7 1.5 设计要解决的问题 .7 2 设计方案的确定 .7 2.1 真空镀膜中阴极靶的种类.7 2.1.1 矩形平面磁控溅射靶.8 2.1.2 同轴圆柱形磁控溅射镀膜.8 2.1.3 圆形平面磁控溅射靶.9 2.2 初步的几种设计思路.10 2.2.1 方案一：圆形旋转靶 .10 2.2.2 方案二：矩形移动靶.10 2.3 最后方案的确定.11 3 阴极靶的结构设计和尺寸计算 .11 3.1 靶的结构.11 3.2 靶的尺寸计算.13 3.3 磁场强度的选择.14 3.4 磁场均匀性.14 3.5 矩形平面靶磁场计算.15 3.6

3、 传动装置的设计.15 3.7 真空室选泵的计算.16 3.7.1 粗算主泵抽速 .16 3.7.2 流导计算.16 3.7.3 精算主泵抽速.17 3.7.4 前级泵的计算.17 3.7.5 抽气时间的计算.18 3.7.6 计算分子泵的抽气时间 .18 结论 .20 矩形平面移动溅射靶的设计 3 / 23 致谢 .21 参考文献 .22 矩形平面移动溅射靶的设计 4 / 23 矩形平面移动溅射靶的设计 摘要：本文介绍了一种真空磁控镀膜系统的移动阴极靶。磁控溅射镀膜现在已经 成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，它能有效降低靶室的工作压强和靶 的工作电压，提高溅射速率和沉积速率，降低基片温度，

4、减小等离子体对膜 层的破坏，特别适合于大面积镀膜生产。但靶面的非均匀剥蚀会降低靶材的 利用率，造成溅射过程中参数的变化，严重影响溅射过程的稳定性。磁控溅 射镀膜中靶的特性直接与溅射稳定性和膜层特性相关，因此如何优化设计靶， 增加靶材利用率成为工业镀膜生产中迫切需要解决的问题。在这次设计中， 我运用一个双向电机带动阴极靶往复移动，带动磁场的往复运动，增大水平 磁场与靶材的接触面积，减缓靶材的纵向刻蚀速率，从而使靶材表面刻蚀区 更为平缓。 关键词：阴极靶，真空环境，靶材利用率，移动 矩形平面移动溅射靶的设计 5 / 23 Abstract: This paper describes a vacuu

5、m coating system sample transfer rack, it ranged between industrial mass transport mechanism used in the sample and in the teaching laboratory equipment used in the sampling method. In the coating process, the quality of the vacuum coating system has great influence on the membrane. However, a good

6、coating machine, it is important to sample transport of the sample rack transport includes sample fixed on a sample holder, transported to the vacuum chamber, into the vacuum chamber so the sample stage. Vacuum coating chamber is a relatively high demand, more stringent environmental requirements of

7、 space. Therefore, during the transmission of the sample, to ensure that the coating chamber vacuum environment is not too much influence in the transfer process but also ensure that the sample is fixed and is not deformed. In the transmission process is best not to impurities or other gases in the

8、air pollution particles into the coating chamber. In this design, the consideration of the above conditions and the sample into and out of the automation, I used an additional sample boxes, placed inside a clean cleaned substrate, the coating of this sample box before evacuating, the entire coating

9、process played a role in the transition. This design can be the main vacuum chamber without breaking vacuum, but also can achieve the automation of the sample transfer process, without manual operation each time, the advantage is able to stand out. Keywords: The cathode target, Vacuum, Coefficient o

10、f utilization, Moving 矩形平面移动溅射靶的设计 6 / 23 1 绪论 1.1 真空镀膜的意义 真空镀膜技术是真空应用技术的重要组成部分，是一项综合的、应用范围很广 的先进技术，是许多前沿学科发展的基础技术之一，同时也是当今信息时代中许多 高新技术发展必不可少的手段。这一技术目前之所以得到飞速发展是因为它不仅仅 是单一的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法，并且吸 收了电子束、分子束、离子束、等离子体、射频、磁控等一系列新的技术，从而为 科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺，新技术的结果。用真空镀膜技术代替传 统的电镀工艺，不但能节省大量的膜材和降低能

11、耗，而且还会消除湿法镀膜中所产 生的环境污染。因此国外在钢铁零件涂覆防腐层和保护膜方面，已采用真空镀膜工 艺来替代电镀工艺，在冶金工业中，为钢板和钢带加镀铝防护层已很普遍。在机械 制造工业中，真空镀膜工艺用于改变某些加工工艺和节约贵重的原材料，再如汽车 制造业中采用塑料制品金属化零件代替各种金属零件，即减轻了汽车的重量又节约 了燃油的消耗。在玻璃上镀滤光膜和低辐射膜，可使阳光射入。而作为室内热源的 红外辐射又不能通过玻璃辐射出去，这在高纬度地区也可以达到保温节能的目的。 真空镀膜技术及设备在当今和未来都拥有十分广阔的应用领域和发展前景 特 别是在制造大规模集成电路的电学膜：数字式纵向与横向均可

12、磁化的数据纪录储存 膜：在能充分展示和应用各种光学特性的光学膜；在计算机显示用的感光膜；在 TFT、PDP平面显示器上的导电膜和增透膜；在建筑、汽车行业上应用的玻璃镀膜和 装饰膜；在包装领域用防护膜、阻隔膜；在装饰材料上具有各种功能装饰效果的功 能膜；在工、模具上应用的耐磨超硬膜：在纳米材料研究方面的各种功能性薄膜等 等都是在真空镀膜技术及设备在广泛应用的基础上得到的不断发展的领域。 1.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况 矩形平面移动溅射靶的设计 7 / 23 SOLERAS 公司的“ 分流设计”(ShuntedDesign) ,它通过在靶和磁极之间放置 一定形状的铁磁体垫片,使得靶面附近的

13、磁场分布更加均匀,延长了靶的寿命,提高 了靶材的利用率,并使得溅射过程更加的稳定。实验证明,增加了垫片以后沟槽的深 度是以前的 80%,靶材的利用率提高了 6%;同时，溅射过程参量变得更加稳定。但是 这种设计会降低磁通的利用率和靶面附近的磁场强度,溅射速率会有所下降。 SOLERAS 公司还提出了一种“表面增强剥蚀”(SurfaceProfilingEnhancement) 技术,它通过事先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽来达到提高靶面剥蚀均匀性和靶材 利用率的目的;同时发现,预先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽可以有效地降低放电电 压和工作压强并使整个溅射过程中的 I-V 特性变得更加稳定。不足之处是提

14、高了成 本,并且不同设备之间靶材的通用性不好. SINGULUSTECHNOLOGIES的“智能阴极”(SmartCathode)技术,最初是出于提高 膜层均匀性和靶材利用率的考虑,现在它主要用在视频高密光盘(VCD)和数字化视频 光盘(DVD)等光学存储设备膜层的镀制上。不同于典型的溅射沉积,在采用智能阴极 的设备中磁场并不是静态的,它可以由工程人员在生产过程中随时优化调节。为此 专门在电极室中设计了两个电磁线圈,通过调节溅射功率,溅射时间和流过线圈的电 流,可以优化整个溅射过程。溅射镀膜过程分为两步,通过两次镀膜的叠加获得具有 相当均匀性的膜层;每步中的沉积轮廓可以通过调节两线圈的电流来方

15、便地实现。 提高了靶材的利用率,延长了靶的寿命,在相当程度上改善了膜层质量;通过调节两 步中的线圈电流,几乎可以优化任何一种新材料的镀制。但是为了达到对溅射过程 的有效控制,整个设备的设计制造有一定难度。 1.3 阴极靶的重要性 磁控溅射镀膜机最重要的部件是阴极靶，为整机的“心脏” ，对它的设计一方 面要考虑靶面的磁场分布和靶材的利用率；另一方面要考虑导电、导热、冷却、密 封和绝缘。我们设计和制造的靶中，靶垫起导电导热作用，使整个靶面能均匀冷却， 防止高能离子击穿靶进而轰击冷却水套引起漏水事故，特别是贵金属薄靶。 矩形平面移动溅射靶的设计 8 / 23 1.4 课题的研究背景 自1970年磁控

16、溅射技术及其装置出现以来，它以其高速及低温两大特点使薄膜 制备工艺发生了深刻的变化。目前，磁控溅射镀膜已经成为工业镀膜生产中最重要 的技术之一。它具有溅射速率和沉积速率高、沉积温度低、薄膜质量好等特点，特 别适合于大面积镀膜。但是，靶面的非均匀性刻蚀会降低靶材的利用率，造成镀膜 过程中参数的变化，甚至造成起弧或跑弧，严重影响溅射过程的稳定性。影响刻蚀 的因素是多方面的，如磁控溅射靶的电磁场分布、靶的结构、溅射电源的电气特性 和工艺参数等。虽然通过改善电源设计和调整工艺能在一定程度上起到稳定溅射的 作用，但从根本上来说还是要对溅射系统进行整体的优化设计，其中靶的设计尤为 关键，而靶面附近磁场的分

17、布又是重中之重。 为了提高靶材的利用率，国内外许多研究工作者提出了大量改进靶磁场分布的 方法。本文作者通过平面靶运动磁场的设计思想设计了矩形平面移动靶。 1.5 设计要解决的问题 靶材利用率低一直就是磁控溅射镀膜中力图解决的问题之一。此次设计就是致 力于提高靶材利用率。 本次设计要求提出满足以上设计要求的方案，然后不同的方案进行对比，选择 一种最优的设计方案。确定好方案后，就要求对设计进行细化，包括解决不断出现 的新问题。要查阅相关资料，阅读文献，翻译文献，结构设计，用 CAD 及 SOLIDWORDA 绘图；并进行配套真空系统设计计算。 2 设计方案的确定 2.1 真空镀膜中阴极靶的种类 在

18、磁控溅射镀膜机中，最重要的部件是阴极溅射靶，它是溅射镀膜机的“心脏” 矩形平面移动溅射靶的设计 9 / 23 。阴极靶的特性直接与溅射工艺的稳定性和膜层的特性相关，与靶材的利用率及镀 膜成本相关，因此提高溅射靶的设计水平，提高镀膜产品的性能价格比，增加溅射 稳定性成为工业镀膜生产中的关键问题。阴极吧的设计一方面要考虑靶面的磁场分 布、工作气体分布、靶的溅射速率、沉积速率以及靶材的利用率，另一方面要考虑 靶源的导电、导热、磁屏蔽、冷却、密封和绝缘等诸多因素。其中电磁场的分布以 及由以上诸因素决定的等离子体的特性最为重要，需要重点考虑。 2.1.1 矩形平面磁控溅射靶 矩形平面磁控溅射靶的磁路系统

19、主要由内磁条、外磁环及轭铁组成，如上图所 示。刻蚀区为跑道状。 2.1.2 同轴圆柱形磁控溅射镀膜 矩形平面移动溅射靶的设计 10 / 23 同轴圆柱形磁控溅射镀膜的结构如图所示。在溅射装置中，该靶接 500-600V 的负电位，基片接地、悬浮或加偏压。 在每个永磁体的对称面上，磁力线平行于靶表面并与电场正交。磁力线与靶表 面封闭的空间就是束缚电子运动的等离子体区域。在异常辉光放电中，离子不断轰 击靶表面并使之溅射，材料沉积在基片上，形成薄膜。 2.1.3 圆形平面磁控溅射靶 圆形平面靶采用螺钉或钎焊方式紧紧固定在由永磁体、水冷套和靶外壳等零件 组成的阴极体上。通常溅射靶接 500-600V

20、负电位，真空室接地，基片放置在溅射 靶的对面，接地、悬浮或加偏压。因此，构成了基本上是均匀的静电场。 2.2 初步的几种设计思路 由于靶材在溅射过程中的非均匀性刻蚀导致靶材利用率不高，我决定从提高靶 材利用率这一角度入手。而通过移动磁场扩大刻蚀区是提高靶材利用率最简单有效 的方法之一。 2.2.1 方案一：圆形旋转靶 矩形平面移动溅射靶的设计 11 / 23 圆形靶是比较常见的溅射靶，也是实验室里镀膜使用的溅射靶，圆形靶由中心 磁柱、外围磁环及极靴（轭铁）组成。我的初始方案就是通过改变圆形靶磁场的周 期性变化达到设计目的。如下图，电机通过螺杆-齿轮机构带动靶内磁柱的偏心运动， 中心磁柱在靶内周

21、期性运动。 2.2.2 方案二：矩形移动靶 矩形靶是另一种常见的溅射靶，在工业中得到广泛应用。可以通过将靶材与溅 射靶分离，由电机带动溅射靶单独移动，使整个溅射靶在靶材范围内来回移动，靶 磁场也随着溅射靶来回移动，靶材得到溅射的面积因此增大，刻蚀均匀性得以提高。 矩形平面移动溅射靶的设计 12 / 23 2.3 最后方案的确定 上面的小节对于本次的设计思路做出了比较明确的介绍，最后的方案确定既要 满足本次的设计要求，也要考虑到其可行性，需要全面考虑，选择出最合适的方案。 由于圆形靶尺寸很小，结构复杂，要在内部加入传动部件是一件非常困难的事 情，并且由于内部空间狭小，偏心转动磁柱所造成的磁场变化

22、几乎可以忽略不计， 因此对提高溅射均匀性没有太大的帮助。而矩形靶传统的跑道式刻蚀区可以近似的 看成是两个长条状刻蚀区，在水平移动的过程中可以最大化地避免重复刻蚀。 因此，最终确定的方案为矩形平面移动靶。其中冷却水套单独为一层与背板、 靶材连接，阴极靶与冷却水层、背板、靶材分离开来，通过丝杠由电机带动平移。 阴极靶内的永磁体采用内磁条、外磁环的结构。 3 阴极靶的结构设计和尺寸计算 3.1 靶的结构 矩形平面移动溅射靶的设计 13 / 23 移动靶主视剖面图 移动靶俯视局部剖面图 以上两张图为本次设计的移动靶基本结构。磁铁通过上下靶垫和外靶框固定， 构成最基本的溅射靶。靶通过连接体与丝杠连接，由

23、电机带动。在溅射靶的下方是 独立出来的水冷体，为一空心的平板，进出水管在水冷体的对角安置。水冷体下方 是铜背板，防止靶材被溅射击穿后粒子轰击在水冷体上导致漏水。铜背板与阴极体 通过螺钉连接。阳极与阴极之间通过绝缘体绝缘。靶材通过压紧装置固定在铜背板 上。 矩形平面移动溅射靶的设计 14 / 23 3.2 靶的尺寸计算 整个阴极靶的尺寸确定首先要从靶材的尺寸开始，进而确定阴极靶的结构和尺 寸，这是设计计算的着手点。 由于本人设计的阴极溅射靶是工业用靶，通过查阅一些镀膜厂家的官方网站信 息，最终确定了大致的尺寸，如下： 靶材：320 x210 x5(mm) 通过查阅文献，刻蚀区形状与阴极靶与靶材之

24、间的长度关系有关。 其中，为2个辉光放电等离子体区中心的距离，L为靶的长度。 0 L 因此，为了靶材的最大化利用，等离子区中心距离至少为160mm。 0 L 结合靶材尺寸与等离子区中心距离，最终确定溅射靶尺寸如下 0 L 背板：320 x210 x2.5(mm) 长靶框：200 x45x20(mm) 短靶框：150 x45x15(mm) 矩形平面移动溅射靶的设计 15 / 23 上靶垫：240 x150 x12(mm) 下靶座：240 x150 x5(mm) 3.3 磁场强度的选择 靶面水平磁场的分布是构成磁控溅射靶源的关键，一般要求最大水平磁场为 200-400Gs，最佳值为300Gs。 磁

25、场设计应该遵循的原则有： （1）对于设计不同尺寸、相同比例的磁控靶，靶装置的尺寸较大，所选 择的永磁体的磁场强度应该相对弱一些，并且如果靶材较昂贵，或 者需要优先考虑靶材的利用率，靶磁场可以设计的低一些。 （2）如果优先考虑增大靶的溅射速率，出事设计的磁场强度应该强一些， 但是考虑到电离效率、功率效率、溅射速率等指标不会随着磁场强 度的增加而成比例增加，磁场强度可以选择在饱和曲线的起始点处， 因为过高的磁场强度会降低靶材的利用率，却没有增加电离效率、 功率效率和溅射速率。 由于此次设计的阴极靶尺寸较大，因此根据以上两点原则，最终选择弱磁场强 度为0.04T。 3.4 磁场均匀性 理想的靶磁场分

26、布应该是在整个靶面范围内的均匀分布，尽量增强靶面范围内 各处磁场的水平分量，提高其均匀性。但在经典的靶磁场结构中，不经意分布的磁 场会产生密度不均匀分布的等离子体，因而导致在靶面不同位置处的溅射速率不同 和刻蚀速率不同，同时膜层沉积的均匀性也不好。显然增加靶磁场均匀性能够增加 靶面刻蚀的均匀性，从而结合移动靶的特性更好的提高靶材的利用率；同时合理的 电磁场分布还能够有效地提高溅射过程的稳定性。 靶设计时应该考虑到永磁体充磁、安装等因素，使靶工作区域的磁场尽量保持 一致。实践表明，在0.03-0.04T的范围内时，磁场强度对磁控靶工作过程中的靶表 矩形平面移动溅射靶的设计 16 / 23 面的等

27、离子体密度影响较大。 3.5 矩形平面靶磁场计算 矩形平面磁控溅射靶的磁路系统主要由内磁条、外磁环及轭铁组成。其中内磁 条和外磁环的磁荷密度分别为2和1，且符号相反。内磁条和外磁环可以分解成 若干个单元磁体，在此设计中，外磁环分为4个单元磁体，内磁体为1个单元磁体。 1 (, , ;1,2,., ) n ffi i HHfx y z in 由于单元磁体长宽比较大，y方向尺寸b 2 6 07 ln() 4 x K H K 34 055 (arctanarctan) 2 z KK H KK 利用特斯拉计可测量磁极面中心处的值，由于满足 b和 K5=0 的条件，因此 z H 0z 2=2/ rz H

28、B 中心中心 为相对磁导率，取值为 1. r 与的下降规律如下 x H z H 1 32 1011011011 ()()() x dHA dZzzB zzC zzD 2 2 12012012 ()() z dHA dZB zzCzzD 在查阅了大量文献资料后，磁铁材料选用NdFe35，内磁铁截面尺寸100 x30，外 磁条截面尺寸分别为135x20，60 x16。 3.6 传动装置的设计 矩形平面移动溅射靶的设计 17 / 23 由于该材料磁铁密度与Q235接近，可近似的取其密度为7.8g/cm3 13.5mVkg 本设计的传动装置是通过电机-丝杠来带动阴极靶，丝杠的主要受力来自阴极靶 带来的

29、剪切力，扭力并没有太大影响，因此只需校核剪切应力强度即可。 丝杠使用材料Q235，安全系数为1.5 许用应力 2 23.5/1.516/KN cm 2 /8.4 1.63 AFmgcm rcm 为保证安装方便以及阴极靶的运动能够覆盖到整个靶材表面，取丝杠长度为 400mm。同时，为保证安全，在丝杠的末端添加固定装置。 由于所需功率要求不是很高，可以选择功率较小的电机，本人选择的是60KTYZ 电容分相爪极式永磁可逆同步电机。 3.7 真空室选泵的计算 3.7.1 粗算主泵抽速 初选系统极限工作压强 p = 1*10-5 Pa，根据经验公式可知系统有效抽速为： S=（5-10）V 其中，S 为抽

30、速，V 为真空室体积， LL D LrV26.28) 2 ( 22 式中，D 为真空室内径 300mm，L 为真空室的高 400mm 计算可得：S = 141.3282.6 L/s 粗选 FB600 型分子泵抽速为 600L/S 极限真空 810-6Pa 3.7.2 流导计算 矩形平面移动溅射靶的设计 18 / 23 FB600 分子泵口径为 150mm，与真空室之间连接口径为 156mm 的管道,管道总长 度为 330mm,中间有一个插板阀。总的流导为管道以及插板阀的串联流导。 确定气体沿管道的流动状态。真空室工作压力为 10-5 Pa 时，分子泵入口压力 很低，所以管口的压力可以忽略，管路

31、中的平均压力 510-4 Pa， 此时，D*P=15610-3 * 510-4 =7.810-5 Pa*m 0.02Pa*m 所以，管道中为分子流 （1）管道流导为 3-13 1 -1 156 10 12.112.11392/ 330 10 D CLs L （） (2)插板阀的流导查表得：C2 = 400L/s 所以，总流导： 3.7.3 精算主泵抽速 考虑管道流导，主泵对真空室的有效抽速 S1 12 1 311.14 / 11 CL s CC 所得结果与初算时的抽速相差很小，所以选择的主泵符合要求。 3.7.4 前级泵的计算 FB600分子泵的前级压力为40Pa，所以，根据第一机械工业部制定

32、的标准所推 荐的前级泵选取2X-8型机械泵。 11 1 11 308.09/ e e SC SL s CS （1）流导的计算 选取排气口管道为直径 50mm 的管道，长约为 640mm，因为分子泵出口压力 40Pa，机械泵进口压力要比 40Pa 低得多，计算管道中平均压力 P20Pa 此时，D*P=5010-3 * 40= 2 Pa*m 0.65Pa*m 所以，管道中为粘滞流。 流导： 4-24 v 50 10 1.341.34400.046 /s 72.8 D CPL L （） （2）前级泵抽速的粗算： 主泵名义抽速为 S1 时的最大工作压强 P大 = 510-5 Pa 主泵出口的最大排气压

33、强 P反 = 40Pa 主泵的最大排气量 Qmax = S1*P大=810510-5 =4.0510-2 Pa*L/s 前级泵抽速： 矩形平面移动溅射靶的设计 19 / 23 -3-3 max 2 (1.111.25)1.12 10 1.26 10/s Q SL P 反 （） 2 (1.5 3)1.535(7.515)/ p SSL s（） （3）前级泵抽速的粗算： 3 max 2 max 1.15 10/s v Q SL Q P C 反 所得结果与粗算中相差很少，所以说明所选的前级泵符合要求。 3.7.5 抽气时间的计算 初抽时间为： 式中：容器的体积 V（包括管道的体积在内） 2223 3

34、0015650 ()400()330()640mm35.8 222 VVVL 容管 容器中所要达到的压强 Pc=0.1Pa； 容器的初始压强 Pcp=105Pa； 泵的抽速 Sp=15L/s； 粘滞流时管道的系数 K 17.617.6 21.74 1.56 1596.87KC D F F 为空气自由程与所用气体的自由程的比值 C 为分子流时管道的流导 3-13 2 -1 50 10 12.112.123.63/ 640 10 D CLs L （） 3-13 1 -1 15610 12.112.1706.2/ 64010 D CLs L （） 插板阀的流导 C3 = 400L/s 3.7.6 计

35、算分子泵的抽气时间 分子泵对电离规真空计处的有效抽速为： s PPK V P P S V cpcc cp 78.6881.3597.32) 11 (lnt p 矩形平面移动溅射靶的设计 20 / 23 600 717.76 1317.76/ 600717.76 e S C SL s SC 管道流导： 3-13 1 -1 156 10 12.112.1717.76/ 640 10 D CLs L （） 查表得不锈钢放气率为： 932 q3.80 10/Pa mcms 真空室的内表面积为： 2 30 403768.2AD Lcm 由公式 e A q SP t 将起始压强为 0.1Pa 代入， = t1=1.087h