平面磁控溅射靶的优化设计及膜厚均匀性分析

发布时间：2017-12-23 15:26

本文关键词：平面磁控溅射靶的优化设计及膜厚均匀性分析　出处：《陕西科技大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在真空镀膜中,磁控溅射以溅射温度低、沉积速率高的特点广泛应用于各种薄膜制造中,在科研领域以及工业生产中发挥着不可替代的作用。磁控溅射靶作为镀膜设备的核心部件,直接影响着溅射工艺的稳定性以及膜层的均匀性。而传统的磁控溅射靶往往存在靶面水平磁场分布不均,冷却系统换热效率低以及膜厚均匀性差等问题。针对这些问题,本文在现有研究的基础上,对小圆平面磁控溅射靶进行优化设计以及膜厚均匀性分析,改进了靶材性能和薄膜质量,对实际生产具有一定的参考价值和指导意义。主要的研究工作如下:(1)在溅射镀膜及直流辉光放电理论的基础上,建立了溅射系统的二维氩气直流辉光放电模型,利用Comsol5.2对直流辉光放电过程进行模拟,得到了电子和重粒子随时间变化的空间分布以及放电稳定时电势和电场的分布规律,结合模拟结果对放电特性进行分析,并利用辉光放电的相关理论基础验证了模型的正确性。(2)在直流辉光放电模拟及传统圆平面磁控溅射靶结构的基础上,提出了双环磁控溅射靶结构。为得到理想的靶面水平磁场分布,利用Comsol5.2软件对靶面磁场进行模拟,并提出了加装导磁片的优化模型。模拟结果显示:当内磁环高度h=10mm、外磁环与靶材间距d=7mm时,靶面水平磁感应强度分布较为理想;通过选用合适的导磁片长度、厚度以及导磁片与磁环之间的间距,可极大程度上改善靶材的水平磁场分布。(3)为保证磁控溅射过程的稳定性及靶材的正常温度,根据双环磁控溅射靶的结构特点提出了新的冷却结构。利用Fluent对冷却系统的换热进行模拟,并通过改变冷却通道结构以及进出口的方向来进行优化设计。模拟结果显示:平面冷却通道的换热效果优于蛇形冷却通道,且靶表面凸起结构能有效增加水流湍流效果;对于任意冷却结构来说,随着入口水流速度的增加,靶表面最高温度明显降低;水流进出口沿着冷却内腔切向方向且呈相对平行时,冷却系统的换热效果最优,靶表面温度分布也更均匀。(4)为实现小靶材在大面积基片上的均匀镀膜,提出了一种新的磁控溅射镀膜方法,将传统的固定靶基工况改为靶材沿基片径向做等距间歇运动、基片自转的方式,并控制靶材的移动步长及基片的自转速率。根据磁控溅射相关理论,建立了膜厚分布的数学模型,并利用Matlab进行模拟计算。模拟结果显示:在其他条件不变的情况下,膜厚均匀性主要受到靶材的停顿时间和移动步长的影响。当靶材的停顿时间与其在基片上的扫描面积成正比时,膜厚均匀性得到极大改善;膜厚偏差随着靶材移动步长的减小而减小,当移动步长为5mm时膜厚均匀性最好。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB306

【参考文献】