【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使整個(gè)濺射過程中的 IV 特性變得更加穩(wěn)定。不足之處是提高了成本 ,并且不同設(shè)備之間靶材的通用性不好 . SINGULUSTECHNOLOGIES的“智能陰極” (SmartCathode)技術(shù) ,最初是出于提高膜層均勻性和靶材利用率的考慮 ,現(xiàn)在它主要用在視頻高密光盤 (VCD)和數(shù)字化視頻光盤 (DVD)等光學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備膜層的鍍制上。不同于典型的濺射沉積 ,在采用智能陰極的設(shè)備中磁場(chǎng)并不是靜態(tài)的 ,它可以由工程人 員在生產(chǎn)過程中隨時(shí)優(yōu)化調(diào)節(jié)。為此專門在電極室中設(shè)計(jì)了兩個(gè)電磁線圈 ,通過調(diào)節(jié)濺射功率 ,濺射時(shí)間和流過線圈的電流 ,可以優(yōu)化整個(gè)濺射過程。濺射鍍膜過程分為兩步 ,通過兩次鍍膜的疊加獲得具有相當(dāng)均勻性的膜層 。每步中的沉積輪廓可以通過調(diào)節(jié)兩線圈的電流來方便地實(shí)現(xiàn)。提高了靶材的利用率 ,延長(zhǎng)了靶的壽命 ,在相當(dāng)程度上改善了膜層質(zhì)量 。通過調(diào)節(jié)兩步中的線圈電流 ,幾乎可以優(yōu)化任何一種新材料的鍍制。但是為了達(dá)到對(duì)濺射過程的有效控制 ,整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造有一定難度。 陰極靶的重要性 磁控濺射鍍膜機(jī)最重要的部件是陰極靶，為整機(jī)的 “心臟”，對(duì)它的設(shè)計(jì)一方面要考慮靶面的磁場(chǎng)分布和靶材的利用率；另一方面要考慮導(dǎo)電、導(dǎo)熱、冷卻、密封和絕緣。我們?cè)O(shè)計(jì)和制造的靶中，靶墊起導(dǎo)電導(dǎo)熱作用，使整個(gè)靶面能均勻冷卻，防止高能離子擊穿靶進(jìn)而轟擊冷卻水套引起漏水事故，特別是貴金屬薄靶。 課題的研究背景 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 8 / 23 自 1970年磁控濺射技術(shù)及其裝置出現(xiàn)以來，它以其高速及低溫兩大特點(diǎn)使薄膜制備工藝發(fā)生了深刻的變化。目前，磁控濺射鍍膜已經(jīng)成為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最重要的技術(shù)之一。它具有濺射速率和沉積速率高、沉積溫度低、薄膜質(zhì)量好等特點(diǎn)，特別適合于大面積鍍膜。但是，靶面的 非均勻性刻蝕會(huì)降低靶材的利用率，造成鍍膜過程中參數(shù)的變化，甚至造成起弧或跑弧，嚴(yán)重影響濺射過程的穩(wěn)定性。影響刻蝕的因素是多方面的，如磁控濺射靶的電磁場(chǎng)分布、靶的結(jié)構(gòu)、濺射電源的電氣特性和工藝參數(shù)等。雖然通過改善電源設(shè)計(jì)和調(diào)整工藝能在一定程度上起到穩(wěn)定濺射的作用，但從根本上來說還是要對(duì)濺射系統(tǒng)進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中靶的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，而靶面附近磁場(chǎng)的分布又是重中之重。 為了提高靶材的利用率，國(guó)內(nèi)外許多研究工作者提出了大量改進(jìn)靶磁場(chǎng)分布的方法。本文作者通過平面靶運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了矩形平面移動(dòng)靶。 設(shè)計(jì)要解決的問題 靶材利用率低一直就是磁控濺射鍍膜中力圖解決的問題之一。 此次設(shè)計(jì)就是致力于提高靶材利用率 。 本次設(shè)計(jì)要求提出滿足 以上 設(shè)計(jì)要求的方案，然后不同的方案進(jìn)行對(duì)比，選擇一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。確定好方案后，就要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，包括解決不斷出現(xiàn)的新問題。要查閱相關(guān)資料，閱讀文獻(xiàn)，翻譯文獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 用 CAD 及 SOLIDWORDA繪圖；并進(jìn)行配套真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。 2 設(shè)計(jì)方案的確定 真空鍍膜中陰極靶的種類 在磁控濺射鍍膜機(jī)中，最重要的部件是陰極濺射靶，它是濺射鍍膜機(jī)的“心臟”。陰極靶的特性 直接與濺射工藝的穩(wěn)定性和膜層的特性相關(guān)，與靶材的利用率及鍍膜成本相關(guān)，因此提高濺射靶的設(shè)計(jì)水平，提高鍍膜產(chǎn)品的性能價(jià)格比，增加濺射穩(wěn) 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 9 / 23 定性成為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。陰極吧的設(shè)計(jì)一方面要考慮靶面的磁場(chǎng)分布、工作氣體分布、靶的濺射速率、沉積速率以及靶材的利用率，另一方面要考慮靶源的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁屏蔽、冷卻、密封和絕緣等諸多因素。其中電磁場(chǎng)的分布以及由以上諸因素決定的等離子體的特性最為重要，需要重點(diǎn)考慮。 矩形平面磁控濺射靶 矩形平面磁控濺射 靶的磁路系統(tǒng)主要由內(nèi)磁條、外磁環(huán)及軛鐵組成，如上圖所示?？涛g區(qū)為跑道狀。 同軸圓柱形磁控濺射鍍膜 同軸圓柱形磁控濺射鍍膜的結(jié)構(gòu)如圖所示。在濺射裝置中，該靶接 500600V 的 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 10 / 23 負(fù)電位，基片接地、懸浮或加偏壓。 在每個(gè)永磁體的對(duì) 稱面上，磁力線平行于靶表面并與電場(chǎng)正交。磁力線與靶表面封閉的空間就是束縛電子運(yùn)動(dòng)的等離子體區(qū)域。在異常輝光放電中，離子不斷轟擊靶表面并使之濺射，材料沉積在基片上，形成薄膜。 圓形平面磁控濺射靶 圓形平面靶采用螺釘或釬焊方式緊緊固定在由永磁體、水冷套和靶外殼等零件組成的陰極體上。通常濺射靶接 500600V 負(fù)電位，真空室接地，基片放置在濺射靶的對(duì)面，接地、懸浮或加偏壓。因此，構(gòu)成了基本上是均勻的靜電場(chǎng)。 初步的幾種設(shè)計(jì)思路 由于靶材在濺射過程中的非均勻性刻蝕導(dǎo)致靶材利用率不高，我決定從提高靶材利用率這一角度入手。 而通過移動(dòng)磁場(chǎng)擴(kuò)大刻蝕區(qū)是提高靶材利用率最簡(jiǎn)單有效的方法之一。 方案一 ：圓形旋轉(zhuǎn)靶 圓形靶是比較常見的濺射靶，也是實(shí)驗(yàn)室里鍍膜使用的濺射靶，圓形靶由中心 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 11 / 23 磁柱、外圍磁環(huán)及 極靴（軛鐵）組成。我的初始方案就是通過改變圓形靶磁場(chǎng)的周期性變化達(dá)到設(shè)計(jì)目的。如下圖，電機(jī)通過螺桿 齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)靶內(nèi)磁柱的偏心運(yùn)動(dòng)，中心磁柱在靶內(nèi)周期性運(yùn)動(dòng)。 方案二 ：矩形移動(dòng)靶 矩形靶是另一種常見的濺射靶，在工業(yè)中得到廣泛 應(yīng)用?？梢酝ㄟ^將靶材與濺射靶分離，由電機(jī)帶動(dòng)濺射靶單獨(dú)移動(dòng)，使整個(gè)濺射靶在靶材范圍內(nèi) 來回移動(dòng)，靶磁場(chǎng)也隨著濺射靶來回移動(dòng)，靶材得到濺射的面積因此增大，刻蝕均勻性得以提高。 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 12 / 23 最后方案的確定 上面的小節(jié)對(duì)于本次的設(shè)計(jì)思路做出了比較明確 的介紹，最后的方案確定既要滿足本次的設(shè)計(jì)要求，也要考慮到其可行性，需要全面考慮，選擇出最合適的方案。 由于圓形靶尺寸很小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要在內(nèi)部加入傳動(dòng)部件是一件非常困難的事情，并且由于內(nèi)部空間狹小，偏心轉(zhuǎn)動(dòng)磁柱所造成的磁場(chǎng)變化幾乎可以忽略不計(jì) ，因此對(duì)提高濺射均勻性沒有太大的幫助。 而矩形靶傳統(tǒng)的跑道式刻蝕區(qū)可以近似的看成是兩個(gè)長(zhǎng)條狀刻蝕區(qū)，在水平移動(dòng)的過程中可以最大化地避免重復(fù)刻蝕。 因此，最終確定的方案為矩形平面移動(dòng)靶。其中冷卻水套單獨(dú)為一層與背板、靶材連接，陰極靶與冷卻水層、背板、靶材分離開來，通過絲杠由電 機(jī)帶動(dòng)平移。陰極靶內(nèi)的永磁體采用內(nèi)磁條、外磁環(huán)的結(jié)構(gòu)。 3 陰極靶 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算 靶 的結(jié)構(gòu) 矩形平面移動(dòng)濺射靶的設(shè)計(jì) 13 / 23 移動(dòng)靶主視剖面圖 移動(dòng)靶俯視局部剖面圖 以上兩張圖為本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)靶基本結(jié)構(gòu)。磁鐵通過上下靶墊和外靶框固定，構(gòu)成最基本的濺射靶。靶通過連接體與絲杠連接，由電機(jī)帶動(dòng)。在濺射靶的下方是獨(dú)立出來的水冷體，為一空心的平板，進(jìn)出水管在水冷體的對(duì)角 安置。水冷體下方是銅背板，防止靶材被濺射擊穿后粒子轟擊在水冷體上