磁控溅射腔室设计开题报告

1、磁控溅射腔室设计开题报告班级:机械1101 学号:2011010008 姓名：郭奎宇 指导老师：侯悦民1、 综述 1、已有成果及发展现状从1842年格波夫在实验室中发现了阴极溅射现象开始，直到1970年才逐渐应用于实验室和小型生产。自20世纪80年代，以集成电路、信息存储、液晶显示器、激光储存器、电子控制器为主的电子与信息产业开始进入其高速发展时期，磁控溅射技术才从实验室应用真正的进入工业化规模生产应用领域。磁控溅射镀膜技术主要应用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品来沉积金属或化合物薄膜，从而获得光亮、美观、经济的塑料、陶瓷表面金属化制品。装饰、灯具、家具、玩具、工艺美术、装潢等生活领域的制膜技术

2、通常用磁控溅射方法，该方法还应用于军事保护膜、光学产品、磁记录介质、电路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防锈抗蚀等工业领域。磁控溅射镀膜技术由于其显著的优点已经成为制备薄膜的主要技术之一，更因非平衡磁控溅射，中频溅射，高速溅射，自溅射等镀膜技术的发明，必将能给溅射镀膜技术的发展提供巨大的扩展空间，推动磁控溅射镀膜技术向工业及生活领域转化。 溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面生长成薄膜。溅射沉积技术的发展历程中有几个重要意义的技术创新应用，现归纳如下：（1） 二极溅射；（2） 平衡磁控溅射；（3） 非平衡磁控溅射

3、；（4） 脉冲磁控溅射；二极溅射是所有溅射沉积技术的基础，二极溅射应用于薄膜沉积，确立了溅射沉积技术的基本原理和方式。在真空设备中通入惰性气体（一般为氩气Ar），在两极加上一定电压使其电离产生等离子体，靶材表面加上一定的负偏压，使得等离子体中的正离子飞速向靶材表面运动，撞击靶材表面使其产生溅射效应产生靶原子，靶材原子在真空室中自由运动，于工件表面沉积，从而形成薄膜。 实际上是靶材由固相变成气相再变回固相的过程。优点：二极溅射镀膜最大优点就是结构简单，控制不困难，三个主要工艺参量是工作压力P（一般以氩气为工作气体），电压U，电流I。这三者只要有两个参数固定，第三个也就固定了，操作时重复性很好。如

4、果操作得法，则溅射镀膜均匀区可达到靶直径的75%，膜厚偏差范围为 ±5 %±10%。缺点：首先，一般溅射装置的排气系统基本上都用油扩散泵系统，二极溅射的工作压力比较高（通常高于1Pa），在此压力范围内，扩散泵几乎不起作用，主阀处于关闭状态，排气速度小，本底真空和氩气中残留气氛对溅射镀膜影响极大。其次，二极溅射镀膜的沉积速率低，10m以上的厚膜不宜采用此法镀制。二极溅射速率之所以比较低，是由其放电形式所决定的。二极溅射阴极和阳极间的距离通常在26左右，间距过大，沉积速率下降太快。间距过近，二次电子在两极间的运动距离过短，维持放电困难。靶面的热量耗散不出去也是阻碍溅射速率提高的

5、一个原因。二极溅射靶电压高（几千伏），靶电流低，靶的热耗散功率成了提高靶功率的障碍。 最后，大量的二次电子直接轰击基片，使基片温度过高是二极溅射又一明显的缺点。这会使基片造成某些性能不可逆变化的辐射损伤。二极溅射镀膜原理示意图1-高压屏蔽；2-高压线；3-基片；4-钟罩；5-阴极屏蔽；6-阴极；7-阳极；8-加热器；9-Ar进口；10-加热电源；11-真空系统；12-高压电源平衡磁控溅射，将永磁体或电磁线圈放到靶材背后，在靶材表面会形成与电磁方向垂直的磁场。在高压作用下氩气电离成等离子体，Ar+离子经电场加速轰击阴极靶材，靶材二次电子被溅射出，且电子在相互垂直的电场及磁场作用下，被束缚在阴极靶

6、材表面附近，增加了电子与气体碰撞的几率，即增加了氩气电离率，使氩气在低气体下也可维持放电。优点：平衡磁控溅射降低了溅射气体压力，同时也提高了溅射效率及沉积速率。缺点：低气压放电产生的电子和溅射出的靶材二次电子都被舒服在靶面附近大约60mm的区域内，这样工件只能安放在靶表面50100mm的范围内，这样小的镀膜区间限制了待镀工件的尺寸，较大的工件或装炉量不适合。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，薄膜和基体结合强度较低，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善薄膜层的结构和性能，但是在很多情况下，工件材料本身并不能承受高温。平衡磁控溅

7、射原理图 非平衡磁控溅射，即在常规溅射靶基础上改变磁场分布，适当增强边缘N极磁场或削弱中部S磁场，保证N极、S极在靶表面构成的横向磁场仍能有效地约束溅射出的二次电子，维持稳定的磁控溅射放电；同时使得另一部分电子沿着较强N极产生的纵向磁场逃逸出靶表面，飞向镀膜区域。基于静电平衡原理，带电正离子也将随着电子一起飞向被镀工件；飞离靶面的电子还会与中性离子发生碰撞电离，进一步增加镀膜区域的离子浓度。总之，通过调整溅射靶表面的磁场分布，可以显著地提高镀膜区域等离子体浓度。非平衡磁控溅射原理图脉冲磁控溅射，是采用矩形波电压的脉冲电源代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。因为通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的

8、绝缘膜时，经常存在不少的问题。其结果会严重影响膜的结构和性能。但如果采用脉冲磁控溅射，并把其频率定为中频（10200KHz），就能很好地克服直流反应溅射的缺点。通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。脉冲磁控溅射又包括中频磁控溅射，高频磁控溅射以及自溅射。 中频磁控溅射：这种镀膜方法是将磁控溅射电源由传统的直流改为中频交流电源。在溅射过程中，当系统所加电压处在交流电负半周期时，靶材被正离子轰击而溅射，而处于正半周期时，靶材表面被等离子体中的电子轰击而溅射，同时靶材表面累积的正电荷被中和，打弧现象得到抑制。中频磁控溅射电源的频率通常在1080kHz之间，频率高，正离

9、子被加速的时间就短，轰击靶材时的能量就低，溅射沉积速率随之下降。中频磁控溅射系统一般有两个靶，这两个靶周期性轮流作为阴极和阳极，一方面减小了基片溅伤，另一方面也消除卡了打弧现象。高速溅射与自溅射：随着工业发展和表面工程的需求，高速溅射与自溅射等新型磁控溅射成膜方法成为镀膜领域内新的发展趋势，高速溅射能够缩短镀膜时间，提高沉积速率，当溅射速率非常高，以至于在没有惰性气体氩气的情况下也能维持辉光放电，这种溅射方法称为自溅射。高速溅射与自溅射中，被溅射材料的离子、电子化以及减少甚至取消惰性气体，都明显影响薄膜的形成机理。因此，可以制备出特殊性能的薄膜材料。2、原理溅射镀膜过程主要是将欲沉淀成薄膜的材

10、料制成靶材，固定在溅射沉淀系统的阴极上，待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上，溅射系统抽至高真空后充入氩气，在阴极和阳极之间加几千伏的高压，阴阳极之间就会产生低压辉光放电，放电产生的等离子体中，氩气正离子在电场作用下向阴极移动，与靶材表面碰撞，受碰撞而从靶材表面溅射出的靶材原子称为溅射原子，溅射原子的能量一般在一至几十电子伏范围，溅射原子在基片表面沉积而后成膜，溅射镀膜就是利用底气压辉光放电产生的氩气正离子在电场作用下高速轰击靶材，把靶材中的原子或分子等粒子溅射出而沉积到基片或者工件表面，形成所需的薄膜层。磁控溅射技术是为了提高成膜速率在溅射镀膜基础上，在靶材表面建立与电场正交的磁场，氩气电离

11、率从0.3%0.5%提高到了5%6%，这样便可提高溅射镀膜沉积速率。原理图如下：2、 研究内容 1、研究方向 磁控溅射腔室的主体结构设计，包括腔室组成、构型及结构设计，磁控溅射腔室内部支撑台，基片运输口阀门及腔室内顶部磁控管的运动控制。 2、研究内容 磁控溅射腔室外形设计，包括尺寸计算，材料选择。内部基台外形设计，尺寸计算，材料选择，支撑轴的材料选择，尺寸计算，强度校核，支撑轴与基台整体的运动控制。顶部磁控管所在部件的外形设计，尺寸计算，整体的运动控制。气动阀门的设计及控制设计。各个泵与电机，管道的选择。 3、系统功能 可以实现对18寸硅片镀膜，靶材使用均匀，实现与外部机械手臂运输硅片的配合。

12、3、 实现方法及预期目标 1、初步方案（1）磁控溅射腔室主体结构 主体结构示意图 磁控溅射腔室的主体结构设计如上，抽真空空泵用来将腔室抽至真空状态，底部左气泵可驱动基台（支撑台）的升降，底部右气泵可驱动顶针升降，顶针支撑基体即被加工工件，顶针升降用来配合外部机械手臂预留空间，充氩气泵及阀门用来给腔室内部充氩气，箱体即腔室外形，磁控管所在部件可自身旋转且可在杆上移动，而且所在杆可随电动机轴旋转，腔室门用来运送加工工件。（2）顶部磁控管所在结构设 磁控管所在构件示意图 磁控管均匀固定在圆盘上，圆盘中心与固定在移动滑块上的小型电动机主轴相连，小型电动机可以驱动圆盘均匀旋转和在杆上的移动，杆固定在腔室

13、顶部电动机连接的轴上，电动机驱动杆的水平方向旋转。这样的设计可以保证磁控管运动轨迹的均匀性，可以保证所用靶材区域的限制，从而可以合理使用靶材。（3）腔室门设计腔室门示意图 将气缸，储气罐，电磁阀，腔室门内嵌到箱体内部，通过对气缸的充气与放气来控制腔室门的开关，这种设计可以满足腔室门的基本要求外，还可以保证腔室的封闭性，保证内部的真空状态。（4）支撑台及硅片顶针设计支撑台示意图 将基体放在基台上待加工，四个顶针分别固定在四个小支撑板上，支撑板连接在气泵可控制的支撑杆上面，这样可以通过气泵驱动顶针的升降，用来控制机械手臂的预留空间，底部左气泵可驱动基台升降来控制基体与靶材之间的距离。（5）电机及气

14、泵类型选择2、方案的重点及难点 重点及难点在于支撑台，腔室门，磁控管所在构件之间运动的协调性。由初步方案可知，三个部位的运动分别使用气动腔室门，气动腔室支撑台与电动机驱动。由于他们之间的运动为各自操控，则需要实现当磁控管工作时，支撑台不可运动，腔室门关闭，磁控管工作结束后，支撑台需要移动至腔室门开启的位置高度，并驱动顶针上升预留外部机械手臂进入取出工件的空间。因此实现三个部位运动的协调性，是这个方案的关键所在。4、 对进度的具体安排周次进度安排备注第一周论文的研究方向，原理及现有的成果第二周磁控溅射腔室的主体结构设计方案构思第三周撰写开题报告，准备开始开题答辩，完善开题报告第四五周完成开题报告

15、并完成腔室内部零件布局第六七周对腔室内部零件进行尺寸计算第八九周完成尺寸计算并进行校核第十十一周画腔室的装配图及零件图第十二十三周完善装配图及零件图并三维建模第十四十五周撰写论文第十六周完善论文并准备最终答辩 五、参考文献1 石永敬,龙思远,王杰,等.直流磁控溅射研究进展J.材料导报,2008,22(1):65-68.2 程建平, 杨晓东. 真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究J.电子工业专用设备，2009,38（11）：28-31.3 储志强.国内外磁控溅射靶材的现状及发展趋势J.金属材料与冶金工程,2011,39（4）：44-49.4 王雷敏,曾小勤,吴国松,等.磁控溅射在镁合金表面处理中的

16、应用J.铸造技术，2006,27(4):412-415.5 李芬,朱颖,李刘合,等.磁控溅射技术及其发展J.真空电子技术,2011(3):43-49.6 方亮,彭丽萍,杨小飞.磁控溅射制备In掺杂ZnO薄膜及NO2气敏特性分析J.重庆大学学报,2009,32(9):1002-1005.7 Brauer G,Szyszka B,Vergohl M. Magnetron Sputtering-Milestones of 30 YearsJ.Vacuum,2010:1-6.8专利： 1.   US_20100116788_A12.   US

17、_20100116437_A13.   US_20100116789_A14.   JP_2010098248_A15.   US_20100119843_A16.   US_20100124822_A17.   JP_2010118541_A18.   JP_2010118418_A19.   US_20100126964_A110.  JP_2010123811_

18、A111.  US_20100136262_A112.  WO_2010065942_A113.  JP_2010132955_A114.  JP_2010131558_A115.  US_20100154996_A116.  US_20100163403_A117.  US_20100163184_A118.  US_20100159704_A119.  US_20100159120_A120.  US_20100159707_A121.  US_20100163185_A122.  US_20100170530_A123.  WO_2010080069_A224.  US_20100178774_A125.  US_20100175832_A126.  WO_2010080655_A22