多功能复合磁控溅射平台的应用研究.pdf

多功能复合磁控溅射平台的应用研究范志鹏韩 辉张松林(.沈阳理工大学辽宁 沈阳.成都超迈光电科技有限公司四川 成都)摘 要:磁控溅射具有沉积温度低、薄膜致密且牢固等优点广泛用于制备超硬膜等各种功能性薄膜但也存在离化率和沉积速率较低、溅射平台功能较单一等缺陷难以实现特种功能薄膜严苛的技术要求 为解决以上问题设计了具有前后双开门、可安装多个不同类型的溅射阴极、离子源和行星工件转架可接高压脉冲偏压等的复合溅射平台对真空镀膜室、水冷系统、整体绝缘的多工位工件转架和真空气路系统进行了优化设计并通过理论计算、有限元分析校核了该设计的可行性关键词:物理气相沉积 磁控溅射平台 溅射阴极 真空气路系统中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言磁控溅射技术基于溅射原理(在荷能粒子轰击下使材料表面分子或原子逸出)利用与电场正交的磁场将溅射产生的电子约束在靶材表面附近持续电离工作气体从而实现连续溅射进行镀膜磁控溅射镀膜技术具有靶材选择广泛、薄膜性能优异和溅射工艺可重复等特点在超硬膜、超导膜和超滑薄膜等领域应用十分广泛非平衡磁控溅射技术通过改变磁场强度使外环磁体的磁场强度高于中心磁体从而将等离子体延伸到靶前 范围内更适用于较大的工件尺寸和生产批量 发明专利“闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备”采用个圆柱溅射阴极形成闭合磁场非平衡磁控溅射相比于非闭合磁场闭合磁场提高了电子运动距离最大限度地电离工作气体从而提高了离化率随着特殊应用场景对薄膜性能要求的提高单一磁控溅射技术难以满足更高的薄膜制备要求大量学者和企业开始投入复合磁控溅射技术和复合溅射平台的研究和应用 等人采用 个高功率脉冲磁控溅射和 个直流反应磁控溅射电源复合溅射的方式制备 镀层使镀层内部残余应力降低了.镀层硬度提升了.溅射阴极是磁控溅射镀膜工艺中一个重要因素一般有平面和圆柱两种类型矩形平面溅射阴极适用于大面积平板的连续镀膜圆形平面溅射阴极只适合做小型溅射源圆柱溅射阴极则适用于尺寸变化大、形状复杂工件的镀膜 传统溅射平台一般只安装平面溅射阴极或圆柱溅射阴极中的一种不同溅射技术组合有限而且不具备离子源离化率较低难以实现小腔体、大产量、低成本、多曲面的复合镀膜限制了复合磁控溅射技术的开发 针对上述问题本文对磁控溅射平台的多功能复合进行了应用研究设计了一种多功能复合溅射平台主要包括真空镀膜室、工件转架和真空气路系统三大部分 真空镀膜室.真空镀膜室总体结构适用于大中型真空镀膜室的外形结构主要有扁箱式、方箱式和圆筒式 扁箱式镀膜室常用在玻璃等平板型基片的周期或连续式镀膜方箱式和圆筒式镀膜室为竖直方向尺寸较大的前开门结构适用于外形尺寸较大的工件或小尺寸工件的批量生产为使溅射平台可同时安装使用圆柱溅射阴极、矩形平面溅射阴极和矩形离子源结合方箱式和圆筒式结构的特点将真空镀膜室设计为由镀膜室主体和镀膜室门组成的前后双开门的筒式结构总体方案如图 所示图 真空镀膜室结构方案圆柱溅射阴极轴向尺寸较大需要竖直安装在镀膜室内部在镀膜室主体顶部预留其安装位置矩形平面溅射阴极和矩形离子源则可安装在镀膜室门上为达到最佳沉积速率和薄膜质量平面溅射阴极的靶材表面需要正对工件转架即阴极靶材表面与工件转架径向垂直 将镀膜室门设计为等腰梯形结构并使梯形的两个“腰”与工作转架径向垂直则每个镀膜室门可安装 个矩形平面溅射阴极和 个矩形离子源 真空镀膜室的总体结构如图 所示-图 真空镀膜室每个平面溅射阴极应具有相同靶基距则应使镀膜室门安装溅射阴极和离子源的 个面和与工件转架同心的圆周相切 除溅射阴极和离子源的安装位置外还需留有分子泵接口、低真空接口等若干各种类型的真空接口.真空镀膜室水冷系统在某些溅射工艺过程中需要对工件进行烘烤加热溅射沉积过程也会产生热量因此需要对镀膜室进行冷却 真空镀膜室常用的水冷结构有如图 所示的两种外焊接水路因其表面覆盖率低而适用于低热量输出间壁式双层水套则与其相反 而适用于高热量输出的间壁式双层水套有着不可忽视的缺陷:水套内部容易出现低流速区域导致局部冷却效果不佳图 腔体外焊接水路(左)和间壁式双层水套(右)结合外焊接水路的特点在水套内部焊接隔水条形成如图 所示的“”形水流通道既达到冷却水高表面覆盖率又避免产生低流速区域可提高间壁式双层水套的冷却效果 隔水条直接焊接在室体壁上又可起到加强筋的作用避免真空镀膜室在抽真空过程中被压变形图 镀膜室主体和镀膜室门的间壁式水冷结构.强度校核与有限元分析真空镀膜室在极限真空状态下受到由外向内的大气压约为 此时整个真空镀膜室中最易变形的是镀膜室主体两侧的室体围板厚度为 材料为 不锈钢 图 为其受力简图.RRMYM图 室体围板受力简图室体围板四周焊接固定外表面受均匀向内的压力大小为将其受力简化并采用公式()进行强度校核:()式中:为均布载荷 的集度/为室体围板所受的均布载荷 为室体围板受均布载荷的长度为 室 体 围 板 横 截 面 上 的 最 大 弯 矩为横截面最大弯曲应力为横截面边缘到中性轴的最大距离为横截面对中性轴的惯性矩为横截面最大变形 为室体围板材料弹性模量 为受力截面长度 为受力截面厚度经计算室体围板横截面上最大弯曲应力 为 小于 不锈钢的许用应力 室体围板受大气压力最大形变量约为.在 软件中对室体围板建模后设置材料属性为 不锈钢:弹性模量.、泊松比.、抗剪模量.、屈服强度.在 虚拟测试环境中对室体围板进行有限元分析:先在夹具选项中选择固定几何体将室体围板的 个焊接面固定然后在外部载荷选项中选择压力属性压力作用面选择室体围板与大气接触的表面编辑压力大小为 /运行分析程序结果如图 所示最大应力为.最大形变量为.安全系数可达.满足使用要求图 室体围板有限元分析(左应力右形变)多工位工件转架.工件转架行星轮系设计在多曲面工件的溅射沉积过程中需要保证每个部位膜厚均匀一致工件在烘烤加热过程中更要保持整体温度均匀一致因此需要工件在溅射沉积过程中既可自转又可绕工件转架中心轴线公转 多工位工件转架的自转和公转功能可采用行星轮系实现结构简图如图 所示图 行星工件转架机构简图行星轮系所有齿轮均选用渐开线直齿圆柱齿轮模数取值 压力角取标准值 齿顶高系数和顶隙系数也取标准值 、齿轮几何参数计算采用公式():(/)()式中:为齿轮分度圆直径 为齿轮齿数为齿顶圆压力角度为齿轮基圆直径为齿轮齿顶圆直径 经计算设计行星轮系各齿轮基本几何参数如表 所示表 行星轮系各齿轮基本几何参数项 目驱动轮公转大齿轮 固定太阳轮自转小齿轮模数 齿数分度圆直径 分度圆压力角齿顶圆压力角.以标准中心距安装的一对渐开线直齿圆柱齿轮的重合度用公式()计算:()()()行星轮系两对啮合齿轮的重合度分别为.、.均大于 满足传动要求 为便于将工件转架整体从真空镀膜室中取出采用滚轮系和导轨互相配合 另外还需要有防污板对行星轮系进行保护防止长期沉积薄膜导致轮系卡死 防污板和作为工位的自转系需要与公转大齿轮保持一定的相对位置分别通过支撑柱和轴承座锁紧在公转大齿轮上 行星工件转架结构如图 所示图 行星工件转架.工件转架的绝缘实现在溅射沉积工艺过程中对基体施加偏压可减小薄膜表面粗糙度、提高膜基结合力并使薄膜更加致密 对工件施加偏压时除了要保证工件转架与真空镀膜室之间绝缘以外还要保证工件转架各部件之间绝缘、各缝隙处不会发生电弧打火现象 工件转架的绝缘连接主要有三处:固定支撑杆、自转工件轴和防污板 固定支撑杆的绝缘利用聚四氟乙烯安装座即可实现本节主要介绍自转系和防污板的绝缘自转系中需要将自转工件轴与轴承座以及自转小齿轮之间绝缘但自转工件轴因需要经常拆装以及传动需要而无法使用普通绝缘垫圈因此考虑在传动轴上进行结构优化 如图 所示将传动轴分为三段中间一段采用陶瓷材料制成两端面开方形盲孔并分别与拨盘传动轴和小齿轮传动轴套接再将金属轴承改换为陶瓷轴承即可实现自转工件轴与轴承座和自转小齿轮之间绝缘图 自转系剖视图防污板通过支撑柱安装在公转大齿轮上各连接处均为静连接若采用常规的绝缘环和绝缘套在沉积过程中会被镀上一层连续的薄膜如果薄膜是导电材料则会导致绝缘失效 将防污板绝缘套设计为如图 所示的伞状结构其上再加装一个防污板绝缘盖既防止了绝缘套被沉积一层连续薄膜又便于绝缘盖的清洗和更换图 防污板绝缘结构剖视图 真空气路系统.真空气路组成真空气路系统主要包括真空镀膜室、真空泵组、抽气管路、充气管路以及各处阀门和真空规等 无油真空系统可避免油蒸汽对真空氛围造成污染因此选用分子泵作为主泵旋片式机械泵作为前级泵分子泵和旋片式机械泵的抽速随压力变化示意曲线如图 所示当真空室气压在某个范围时分子泵和旋片式机械泵都处于较低的抽速而罗茨泵在该区间的抽速正处于较高范围因此在旋片式机械泵前串接一个罗茨泵组成机械泵组能够较大地提高真空系统的抽气速率 真空气路系统原理图如图 所示14图 不同泵的抽速曲线示意图图 真空气路系统原理图.真空系统设计 要求真空镀膜室极限真空度能够达到.真空泵与真空镀膜室之间的抽气管路很短时可忽略流导对抽气的影响此时真空系统的抽气方程为公式():()其中 为真空室的体积为真空泵组的有效抽速/为抽气时某一时刻真空室中的压力为抽气时间无限长后真空室的放气流量/为漏气、渗透、蒸发的气体流量总和/为第种材料暴露在真空系统中的表面积为第 种材料的表面相对粗糙系数为第 种材料在抽气 后的放气率/()为抽气时间为第 种材料的放气时间指数当忽略真空镀膜室中空间气体负荷对抽气的影响时真空泵组的抽气与真空室的漏放气处于动态平衡于是高真空抽气时间可用公式()近似计算:()预期抽高真空时间 经计算得 ./取主泵与真空室之间的抽速损失系数 为(一般为.)则分子泵的理论抽速为 ./选取两台抽速为 /的 型分子泵作为主泵 前级泵的抽速一般取主泵的 则可选用 型罗茨泵(抽速 /)和 型旋片泵(抽速/)作为前级泵组.抽气时间计算低真空抽气时间用公式()计算:()其中 为低真空抽气时间为修正系数 取 为机械泵组的理论抽速/为初始压力为最终压力经计算得.高真空抽气时间可利用公式()计算:综上真空系统将真空镀膜室从大气压抽到极限真空(.)大约需要.(下转第 页).():.高海亮梁盈王红等.时效工艺对 不锈钢性能及组织的影响.热处理():.邓德伟陈蕊田鑫等.热处理对 马氏体不锈钢显微组织及性能的影响.金属热处理():./.:.路媛媛肖鱼赖境等.激光固溶对 不锈钢力学性能的影响.金属热处理():.:.王建斌赵占勇白培康等.热处理对 高强钢组织性能影响研究现状.铸造技术():.王嬿舒.镍、铬、硅元素含量对 不锈钢力学性能的影响.热加工工艺():.():.赵义郭亚欢侯凯.热处理工艺对 不锈钢力学性能的影响.机械工程材料():.基金项目:贵州省科技支撑计划()作者简介:王佳旭()男硕士助理工程师研究方向:材料结构与性能通讯作者:冀宣名()男硕士高级实验师研究方向:材料结构与性能、材料腐蚀与防护收稿日期:(上接第 页)结语本文针对常规磁控溅射平台离化率低、功能单一、工艺范围较小的问题研究并设计了一种多功能复合磁控溅射平台主要包括真空镀膜室、多工位行星工件转架和真空气路系统 区别于传统溅射平台该多功能复合磁控溅射平台加入矩形离子源提高了溅射离化率并可采用矩形平面溅射阴极、圆柱溅射阴极和不同溅射技术的组合满足大面积平板工件和复杂形状工件的镀膜工作 另外对真空镀膜室的水冷系统和工件转架关键部位的绝缘进行了改进提高了冷却水路的表面覆盖率减少了低流速区域的产生避免了工件转架在带偏压时发生电弧打火现象 工件转架引入偏压的方式和对应机械结构是该多功能复合溅射平台今后的研究方向参考文献 李芬朱颖李刘合等.磁控溅射技术及其发展.真空电子技术():.李学龙徐兴文徐斌骁.磁控溅射的发展和工艺参数的探讨.新型工业化():.马景灵任风章孙浩亮.磁控溅射镀膜技术的发展及应用.中国科教创新导刊():.金 广 福.闭 合 磁 场 非 平 衡 磁 控 溅 射 镀 膜 设 备:.:.:.陆峰.真空镀膜技术与应用.北京:化学工业出版社.贾昆鹏徐锋赵延超等.基体偏压对/薄膜结构及力学性能的影响.机械制造与自动化():.张以忱.真空系统设计.北京:冶金工业出版社.佘鹏程陈庆广胡凡等.多靶磁控溅射镀膜设备及其特性.电子工业专用设备():.作者简介:范志鹏()男汉族沈阳理工大学硕士研究生在读研究方向:机械系统检测与精密仪器通讯作者:韩辉()男汉族工学博士硕士生导师研究方向:机械系统振动检测与故障分析、动平衡测试、超声波探伤收稿日期: