磁控溅射镀膜机设备结构及工艺设计
【】能源日渐枯竭与环境污染是我们21世纪面临的两个基本问题，发展无污染与可再生能源是解决这两个问题的根本处理方法，因此太阳能的开发与运用无疑是一种新型的能源利用方式。太阳能热水器是主要的光热转化设备，真空管是太阳能热水器上重要组成部分之一，而真空管镀膜决定了真空管对热量吸收的大小，因此对镀膜技术的研究对新能源产业是有益的。本课题主要介绍关于磁控溅射镀膜机结构设备的结构原理，工艺设计及制备问题和解决方案。
目录
一、引言 1
（一）磁控溅射镀膜的现状与发展趋势 1
（二）研究磁控溅射镀膜的意义以及目的 1
二、磁控溅射机理及溅射沉积工艺数据 2
（一） 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程 2
（二） 磁控溅射的工艺参数 3
1. 磁控溅射的功率 3
2. 磁场强度 3
3.溅射气场压强 4
4. 基片的温度 4
三、 磁控溅射镀膜机结构及原理 5
（一）真空系统 5
（二）辅助抽气系统 6
（三） 蒸发系统 7
四、 磁控溅射靶的设计思路 8
（一） 设计流程 8
（二）需要解决的技术问题 9
五、磁控溅射镀膜控制系统 12
（一）设计流程 12
（二）系统功能与调试 12
1.程序运行流程 12
2. 系统控制界面操作 13
（1）主界面操作 13
（2） 子界面操作 14
3.数据采集、监测与报警 15
（1）采集、监测与报警 15
（2）数据监测报警要求 16
六、磁控溅射的问题及解决方案 16
（一）故障现象及解决方法 16
（二）常见问题及改善对策 17
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录一.22
附录二.23
附录三.24
一、引言
（一）磁控溅射镀膜的发展现状与趋势
磁控溅射技术是70年代先开展起来的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
一种新型科研技术，它的本质是物理气象淀积的一种，具备高速，低温，低损伤等优点，高速是指沉积速度快；低温和低损伤是指基片的表面可以持续保持低温和减少不必要的机械损伤。它几乎可以溅射任何材料。目前，在科研生产中已得到实际应用，其工艺主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通信等。
（二）研究磁控溅射镀膜的意义以及目的
磁控溅射镀膜法是七十年代末期开展起来的一种先进的工艺方法，它的涂层由多层金属或金属氧化层组成，具有任意调节能力、合格率及能量反射率。在本质上比一般性工艺方法更好的节省了原材料的消耗与浪费。
因此研究与设计具有可行性的磁控溅射镀膜工艺使之适应现代工艺的需求，满足节省工艺原料，种类繁多，产品范围广，产量可控等多个优点，具有良好的发展前途。
二、磁控溅射机理及溅射沉积工艺数据
（一） 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程
磁控溅射技术是在一般直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的，它是利用磁场束缚电子的运动(即磁控管模式)，导致轰击基片的高能电子数量的减少和轰击靶材的高能离子数量的增多，使其具备了“低温”、“高速”两大特点。磁控溅射等离子体所做的物理过程如图2.1所示。与直流二级溅射相比较,这种差异只不过是增加了正交电磁场对电子的结合作用。可见,正交电磁场的建立、磁场B值的大小和分布,特别是与靶面平行的磁性成分B,是磁控溅射中非常重要的参数。
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图2.1 磁控溅射的物理过程
为了加强对电子的束缚效应，磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E相互垂直（即正交）和利用磁力线及电极（一般为阴极靶）封闭等离子体的两个重要条件。因为束缚效应的作用，所以磁控溅射的放电电压和气压都远远低于直流二级溅射，通常分别为500～600V和101Pa。
（二） 磁控溅射的工艺参数
溅射镀膜过程中，由于靶功率与靶材溅射率成线性比例关系,靶功率的增加可以提高靶材的溅射速率和沉积在衬底上的沉积速率,从而提高器件的效率。经验表明,高沉积速率的最佳参数是增加阴极电压,增大靶的电流量密度,选择溅射率高的溅射气体、工作真空度高、衬底温度适宜的靶材。现将这些参数分述如下：
1. 磁控溅射的功率
从理论值上来看，对于磁控溅射源,镀层的沉积速率随靶功率的增大而增大,两者线性关系较好。由于异常辉光放电,电流的增大,其必然导致沉积化合物的密度成比例增加,进一步扭曲和电流密度成比例增加会导致阴极位降区长度减小电场,从而保持阴极放电必须放弃进一步增加,增加正离子数和阴极功率的潜在影响显著。发生在阴极表面的溅射效应强得多,沉积速率增大。
但有必要指出,靶材能够承受的功率是很有限的。当靶材表面温度过高时,靶材可能被电弧放电熔化或引起。因此,承受功率应在靶材可接受范围内进行调整。因此,提高镀膜速率的工艺原则应尽可能接近允许值,靶材电压尽可能接近最佳值。
2. 磁场强度
磁控溅射的关键参数是与电场垂直的水平磁场分量B∥，而垂直磁场B⊥对磁控模型运行并没有多大的作用。B∥在靶面各处并不是一个均匀的值，一般来说以最大水平场强B来代替靶面的场强要求。通常要求距靶平面3～5mm处测得的数值为0.02～0.06T。但在靶面上水平场强分布不均匀的时候也会引起溅射的不均匀效果，因此，适当调整磁铁布局，使之得到均匀的水平磁场，以得到均匀的溅射区，从而提高靶材的利用率。
3.溅射气场压强
在DC磁控溅射中,溅射的工作压强是一个非常重要的参数。它对溅射速率、沉积速率和薄膜质量有很大的影响。的距离通过碰撞气体分子到下一个碰撞的平均值称为平均自由路径[ 12 ]。从分子平均自由程的角度看,溅射气压较低时,溅射粒子的平均自由程较大,与气体离子碰撞的几率很小,沉积速率增大。但是,溅射气场压强低时,入射离子浓度较低,离子溅射数较少,沉积速率减小。溅射气压高时,气体靶受到离子溅射、等离子体数过多,沉积速率增大。然而,溅射粒子的平均自由程减小,与气体离子碰撞的几率增大,沉积速率减小。溅射压力的两个相互制约作用。随着溅射气场压强的增大,初始沉积速率增大。当溅射压力增大到一定程度时,沉积速率达到临界值,然后随着溅射压力的增大而减小。
4. 基片的温度
基片的温度高低对沉积速率大小也有一定的影响。有些材质的沉积速率随着基片温度的上升而有所下降，这可能的原因是基片温度升高时达到基片的沉积原子较易解吸离子量的缘故。但在反应沉积化合物时，沉积速率是跟随着基片温度的增加从而上升的。因为反应沉积的过程，实际上就是反应气体和溅射原子在靶表面上发生化学反应的过程，而这一过程本身就是随基片温度升高而增强的[2]。
目录
一、引言 1
（一）磁控溅射镀膜的现状与发展趋势 1
（二）研究磁控溅射镀膜的意义以及目的 1
二、磁控溅射机理及溅射沉积工艺数据 2
（一） 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程 2
（二） 磁控溅射的工艺参数 3
1. 磁控溅射的功率 3
2. 磁场强度 3
3.溅射气场压强 4
4. 基片的温度 4
三、 磁控溅射镀膜机结构及原理 5
（一）真空系统 5
（二）辅助抽气系统 6
（三） 蒸发系统 7
四、 磁控溅射靶的设计思路 8
（一） 设计流程 8
（二）需要解决的技术问题 9
五、磁控溅射镀膜控制系统 12
（一）设计流程 12
（二）系统功能与调试 12
1.程序运行流程 12
2. 系统控制界面操作 13
（1）主界面操作 13
（2） 子界面操作 14
3.数据采集、监测与报警 15
（1）采集、监测与报警 15
（2）数据监测报警要求 16
六、磁控溅射的问题及解决方案 16
（一）故障现象及解决方法 16
（二）常见问题及改善对策 17
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录一.22
附录二.23
附录三.24
一、引言
（一）磁控溅射镀膜的发展现状与趋势
磁控溅射技术是70年代先开展起来的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
一种新型科研技术，它的本质是物理气象淀积的一种，具备高速，低温，低损伤等优点，高速是指沉积速度快；低温和低损伤是指基片的表面可以持续保持低温和减少不必要的机械损伤。它几乎可以溅射任何材料。目前，在科研生产中已得到实际应用，其工艺主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通信等。
（二）研究磁控溅射镀膜的意义以及目的
磁控溅射镀膜法是七十年代末期开展起来的一种先进的工艺方法，它的涂层由多层金属或金属氧化层组成，具有任意调节能力、合格率及能量反射率。在本质上比一般性工艺方法更好的节省了原材料的消耗与浪费。
因此研究与设计具有可行性的磁控溅射镀膜工艺使之适应现代工艺的需求，满足节省工艺原料，种类繁多，产品范围广，产量可控等多个优点，具有良好的发展前途。
二、磁控溅射机理及溅射沉积工艺数据
（一） 磁控溅射原理与磁控溅射物理过程
磁控溅射技术是在一般直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的，它是利用磁场束缚电子的运动(即磁控管模式)，导致轰击基片的高能电子数量的减少和轰击靶材的高能离子数量的增多，使其具备了“低温”、“高速”两大特点。磁控溅射等离子体所做的物理过程如图2.1所示。与直流二级溅射相比较,这种差异只不过是增加了正交电磁场对电子的结合作用。可见,正交电磁场的建立、磁场B值的大小和分布,特别是与靶面平行的磁性成分B,是磁控溅射中非常重要的参数。
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图2.1 磁控溅射的物理过程
为了加强对电子的束缚效应，磁控溅射装置中应当尽可能满足磁场B与电场E相互垂直（即正交）和利用磁力线及电极（一般为阴极靶）封闭等离子体的两个重要条件。因为束缚效应的作用，所以磁控溅射的放电电压和气压都远远低于直流二级溅射，通常分别为500～600V和101Pa。
（二） 磁控溅射的工艺参数
溅射镀膜过程中，由于靶功率与靶材溅射率成线性比例关系,靶功率的增加可以提高靶材的溅射速率和沉积在衬底上的沉积速率,从而提高器件的效率。经验表明,高沉积速率的最佳参数是增加阴极电压,增大靶的电流量密度,选择溅射率高的溅射气体、工作真空度高、衬底温度适宜的靶材。现将这些参数分述如下：
1. 磁控溅射的功率
从理论值上来看，对于磁控溅射源,镀层的沉积速率随靶功率的增大而增大,两者线性关系较好。由于异常辉光放电,电流的增大,其必然导致沉积化合物的密度成比例增加,进一步扭曲和电流密度成比例增加会导致阴极位降区长度减小电场,从而保持阴极放电必须放弃进一步增加,增加正离子数和阴极功率的潜在影响显著。发生在阴极表面的溅射效应强得多,沉积速率增大。
但有必要指出,靶材能够承受的功率是很有限的。当靶材表面温度过高时,靶材可能被电弧放电熔化或引起。因此,承受功率应在靶材可接受范围内进行调整。因此,提高镀膜速率的工艺原则应尽可能接近允许值,靶材电压尽可能接近最佳值。
2. 磁场强度
磁控溅射的关键参数是与电场垂直的水平磁场分量B∥，而垂直磁场B⊥对磁控模型运行并没有多大的作用。B∥在靶面各处并不是一个均匀的值，一般来说以最大水平场强B来代替靶面的场强要求。通常要求距靶平面3～5mm处测得的数值为0.02～0.06T。但在靶面上水平场强分布不均匀的时候也会引起溅射的不均匀效果，因此，适当调整磁铁布局，使之得到均匀的水平磁场，以得到均匀的溅射区，从而提高靶材的利用率。
3.溅射气场压强
在DC磁控溅射中,溅射的工作压强是一个非常重要的参数。它对溅射速率、沉积速率和薄膜质量有很大的影响。的距离通过碰撞气体分子到下一个碰撞的平均值称为平均自由路径[ 12 ]。从分子平均自由程的角度看,溅射气压较低时,溅射粒子的平均自由程较大,与气体离子碰撞的几率很小,沉积速率增大。但是,溅射气场压强低时,入射离子浓度较低,离子溅射数较少,沉积速率减小。溅射气压高时,气体靶受到离子溅射、等离子体数过多,沉积速率增大。然而,溅射粒子的平均自由程减小,与气体离子碰撞的几率增大,沉积速率减小。溅射压力的两个相互制约作用。随着溅射气场压强的增大,初始沉积速率增大。当溅射压力增大到一定程度时,沉积速率达到临界值,然后随着溅射压力的增大而减小。
4. 基片的温度
基片的温度高低对沉积速率大小也有一定的影响。有些材质的沉积速率随着基片温度的上升而有所下降，这可能的原因是基片温度升高时达到基片的沉积原子较易解吸离子量的缘故。但在反应沉积化合物时，沉积速率是跟随着基片温度的增加从而上升的。因为反应沉积的过程，实际上就是反应气体和溅射原子在靶表面上发生化学反应的过程，而这一过程本身就是随基片温度升高而增强的[2]。
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