磁控濺射鍍膜膜厚均勻性設計方法
發布時間：2019-01-23
磁控濺射鍍膜是現代工業中不可缺少的技術之一，磁控濺射鍍膜技術正廣泛應用于透明導電膜、光學膜、超硬膜、抗腐蝕膜、磁性膜、增透膜、減反膜以及各種裝飾膜，在國防和國民經濟生產中的作用和地位日益強大。鍍膜工藝中的薄膜厚度均勻性，沉積速率，靶材利用率等方面的問題是實際生產中十分關注的。解決這些實際問題的方法是對涉及濺射沉積過程的全部因素進行整體的優化設計，建立一個濺射鍍膜的綜合設計系統。薄膜厚度均勻性是檢驗濺射沉積過程的最重要參數之一，因此對膜厚均勻性綜合設計的研究具有重要的理論和應用價值。磁控濺射技術發展過程中各項技術的突破一般集中在等離子體的產生以及對等離子體進行的控制等方面。通過對電磁場、溫度場和空間不同種類粒子分布參數的控制，使膜層質量和屬性滿足各行業的要求。
膜厚均勻性與磁控濺射靶的工作狀態息息相關，如靶的刻蝕狀態，靶的電磁場設汁等，因此，為保證膜厚均勻性，國外的薄膜制備公司或鍍膜設備制造公司都有各自的關于鍍膜設備(包括核心部件“靶”)的整套設計方案。同時，還有很多專門從事靶的分析、設計和制造的公司，并開發相關的應用設計軟件，根據客戶的要求對設備進行優化設計。國內在鍍膜設備的分析及設計方面與國際先進水平之間還存在較大差距。
因此，建立濺射鍍膜綜合設計系統是勢在必行的。系統的建立可按照由整體綜合設計展開到部分設計，然后，再由部分設計逐步深入到整體綜合設計，即“整體到部分，再到整體”這一動態設計理念，不斷完善設計系統。將濺射鍍膜所涉及的重要因素列舉出來，找出它們之間的內在聯系，進而建立濺射鍍膜綜合設計系統，在此基礎上進行膜厚均勻性研究，并為后期轉化為設計系統軟件做鋪墊，來實現制備薄膜均勻性好的大面積薄膜，為生產提供有力的保障。
1、設計系統屬性
濺射鍍膜膜厚均勻性是間接衡量鍍膜工藝的最終標準之一，它涉及鍍膜過程的各個方面。因此，制備膜厚均勻性好的優質薄膜需要建立一個濺射鍍膜膜厚均勻性綜合設計系統，對濺射鍍膜的各個方面進行分類、歸納和總結，找出其內在聯系。一般來說，設計系統的建立應該具備一定的原則，以確定其基本的組織框架。以下從四個方面敘述其性質：①一般性：要求系統在一定范圍內是適用或者普遍存在的。對于本課題來說，系統能夠滿足工業上平板基片濺射鍍膜的基本工藝要求，即濺射鍍膜工藝過程的共性問題。②特殊性：系統對特定研究對象達到最佳的適用性。針對大面積平板基片濺射鍍膜來說，就是濺射鍍膜中的尺寸效應成為系統重要部分，如薄膜均勻性，基片加熱的均勻性，材料的線性膨脹和變形，靶面的電流分布，氣體分布和電磁場分布等。這一系列問題被尺寸效應突顯出來。因此尺寸效應成為系統的個性問題。③開放性：系統各部分是有機結合并不斷發展的。隨著技術的進步，各部分功能必然會得到進一步發展，從而使系統的綜合性能得到提高。自動控制技術的發展使系統的功能變得強大：濺射過程中對等離子體光譜的監控技術，以及對電磁場的操縱能力使得系統對整個濺射過程的參數控制程度達到最大限度，可以實現精細設計。系統的開放性屬于橫向發展。④繼承性：系統發展到一定程度，就會發生由量變到質變的過程。系統在保汪原有功能基礎上不斷完善和提高。薄膜制備技術會隨著理論的發展而逐步深入。對非平衡磁控濺射和等離子體理論研究，促進了濺射技術的進一步發展。隨之而來的是對系統進行升級改造，以實現新的功能。繼承性是系統的縱向發展。
2、設計系統的建立
一般情況下，系統一個部分功能的增強會帶來整體功能的增強，同時降低系統對某些部分的依賴，或者可以理解為：系統兩個必要因素有機結合為一個部分。建立綜合設計系統有助于研究系統內各個部分內在的邏輯關系。
大面積濺射鍍膜綜合設計系統可分為三大部分：鍍膜設備的T程設計、鍍膜工藝的設計及各個過程的計算機數值仿真設計，參照圖l。每一部分又分為若千方面，且部分之間相互影響。因為系統比較復雜，所以系統初級階段的建立應該盡量簡化設計參數以提高其實用性。
對于濺射鍍膜來說，可以從真空系統，電磁場，氣體分布，熱系統等幾個方面進行沒計，機械制造和控制貫穿整個工程設計過程，參照圖2。
真空系統設計是一個相對成熟的設計部分，主要包括下面四個部分：
(1)室體結構——由系統工作方式設定其設計形式。真空室可設計為單室，多室和生產線等形式，并可以選擇諸如連續、半連續等生產方式。對于生產平板基片的室體來說，應該進行強度、剛度、穩定性等優化設計，同時考慮加工工藝的可行性和簡易性。
(2)材料選擇——按照真空工藝要求，選擇滿足飽和蒸氣壓低，熱穩定性和化學穩定性好，易除氣，透氣率小等要求的材料21。例如，奧氏體不銹鋼，鋁合金，無氧銅等。對于大尺寸設備，為降低設備整體或移動部件的重量，可以優先選取鋁合金等輕質金屬材料。
(3)真空元件的設計——真空密封，電極引入，管路和閥門等。不同的工藝條件所選用的真空元件不同。
(4)真空泵和真空計的選擇——一般可按照常見的工程要求進行設計。精確的設計需要定量的計算真空室內的工藝氣體密度分布。不同種類的氣體和不同的真空室清潔程度的要求需要選用不同的真空泵和真空計。真空泵的返油會對基片造成污染，氧氣等反應氣體會氧化泵油，因此，常選用干式無油真空泵作為真空抽氣系統。
2.1.2 電磁場
相對準確的電磁場設計是對濺射過程中的電磁場進行模擬，而不是只對未工作時的磁控濺射設備進行電磁場模擬。
電源的選擇：“電源”的選擇應根據不同的工藝過程確定，常見的有直流電源、中頻電源、射頻電源及能夠實現多種供電模式的混合型電源等。
材料的選擇：對于射頻電源來說，功率的載人和匹配是非常重要的問題。大功率射頻電源的電極載入材料要求面電導率高且化學穩定性好，工業上常選用無氧銅作為電極材料。磁控靶內的材料可按磁導率的高低劃分，磁靴為高磁導率材料，一般為工業純鐵。
陽極與屏蔽：陽極設計要考慮空間的位置，電位關系，尺寸和面積以及陽極的材料性能，保證濺射過程穩定進行。屏蔽的設計，首先要考慮電場的設計和電位關系，防止非靶材材料被濺射，污染薄膜。其次考慮屏蔽材料的性能，一般選用飽和蒸氣壓低，濺射閾值高且符合真空工藝要求的材料。
2.1.3 氣體分布
氣體的分布狀況對于平板基片鍍膜來說是極其重要的，通過機械結構設計，使氣體密度的變化率在濺射沉積區域內的盡量小，而在區域外，使系統的流導盡量的大，以提高氣體的利用率和抽氣系統的效率。控制氣體分布的機械部件或結構包括布氣系統、真空室的結構、抽氣系統等三個部分。
2.1.4 加熱系統
加熱系統用以滿足真空系統的烘烤和薄膜生長所需的溫度條件。
上述四個方面及其它未說明的方面都涉及機械制造和控制這兩方面內容，因此應該考慮諸如可加工性，響應時間等要素。
2.2 鍍膜工藝設計
應著重考慮不同薄膜材料之間需要不同的沉積工藝，不同濺射技術的實施(直流、中頻、射頻、脈沖、反應濺射，以及它們之間的結合而發展的技術，或者新技術的應用等)，同種技術不同工藝參數的調整(功率，氣壓，沉積方式等)，前處理(清洗、預熱等)，后處理(熱處理等)。
把鍍膜的整個過程劃分成4個相對獨立的過程，參照圖3。一般來說，涉及等離子體，靶材表面及基片狀態改變較大的參數都是工藝上需要控制的參數。
濺射碰撞：濺射碰撞一般是研究帶電荷能離子與靶材表層粒子相互作用，并伴隨靶材原子及原子團簇的產生的過程。應用較多的理論是級聯碰撞理論。SRIM等較成熟的模擬軟件已經在模擬濺射過程中得到了廣泛應用。
輸運過程：靶材原子以一定的初始速度向基片和其它表面的運動，伴隨能量和動量的改變，并最終獲得凈的定向輸運量(粒子數)。在外加場(質量，動量，能量)作用下，輸運過程更加復雜。常用MC方法和其它方法(PIC，CIC，CFD等方法)的混合應用來獲得基片上沉積粒子的數量。簡化的粒子輸運計算方法是將沉積粒子劃分為快速運動(不發生碰撞，直接到達基片表面)和慢速運動(發生碰撞，通過擴散運動達到基片表面)兩類粒子。氣體加熱、稀薄化及濺射風(高能中性粒子)等效應均是氣體與帶有能量的粒子通過碰撞發生動量和能量交換的結果。
薄膜生長：基片上靶材原子發生擴散、遷移和聚集等運動，最終生長成膜。薄膜的屬性和基片的溫度、晶格常數、表面狀態和電磁場等有著密切關系。鍍膜后期的處理，如退火等工藝，都會嚴重影響薄膜的屬性。一般采用MC等方法模擬薄膜生長。同時，一些公司的專業軟件可以實現膜系的設計。
2.3 數值仿真設計
將工程和工藝設計運用計算機模擬，再現濺射沉積過程，并將設計的結果進行顯示和分析以優化工程和工藝設計，見圖4。
將設計過程開發成通用的設計軟件，實現機械結構(工程設計的一部分)三維建模及機械綜合性能分析，工藝過程的實時模擬及電磁場、熱場、粒子空間分布等分析，以及將仿真模擬過程的可視化，供優化工藝和機械結構使用。能夠與其它軟件之間的進行數據交換。
進一步的發展就是將整個設計過程從部分設計轉移到整體設計，最大限度的排除人為因素。開發帶有專家系統、參數化設計、自動控制檢測及遠程操作等功能的智能軟件系統。
鍍膜設備的工程設計、鍍膜工藝的設計及二者的計算機數值仿真這三者之間是相輔相成的：鍍膜設備決定鍍膜工藝過程的實現，鍍膜工藝促進鍍膜設備的升級，而高性能的計算機仿真設計給兩者的設計提供了強有力的支持。
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