矩形平面移动溅射靶的设计毕业论文

矩形平面移动溅射靶的设计 1 / 23毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书（201 届）设计（论文）题目 矩形平面移动溅射靶的设计 学 院 名 称 机械与汽车工程学院 专 业 （班 级） 机械设班 姓 名 （学 号） 指 导 教 师 系 （ 教 研 室 ） 负 责 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 .3ABSTRACT .41 绪论 .51.1 真空镀膜的意义 .51.2 真空镀膜技术在国内外的发展状况 .51.3 阴极靶的重要性 .61.4 课题的研究背景 .71.5 设计要解决的问题 .72 设计方案的确定 .72.1 真空镀膜中阴极靶的种类 .72.1.1 矩形平面磁控溅射靶 .82.1.2 同轴圆柱形磁控溅射镀膜 .82.1.3 圆形平面磁控溅射靶 .92.2 初步的几种设计思路 .102.2.1 方案一：圆形旋转靶 .102.2.2 方案二：矩形移动靶 .102.3 最后方案的确定 .113 阴极靶的结构设计和尺寸计算 .113.1 靶的结构 .113.2 靶的尺寸计算 .133.3 磁场强度的选择 .143.4 磁场均匀性 .143.5 矩形平面靶磁场计算 .153.6 传动装置的设计 .153.7 真空室选泵的计算 .163.7.1 粗算主泵抽速 .163.7.2 流导计算 .163.7.3 精算主泵抽速 .173.7.4 前级泵的计算 .173.7.5 抽气时间的计算 .183.7.6 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，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 / 23Abstract: This paper describes a vacuum 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 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 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 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 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 of utilization, Moving 矩形平面移动溅射靶的设计 6 / 231 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 / 23SOLERAS 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 / 231.4 课题的研究背景自1970年磁控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