高能离子溅射镀膜机中辅助阳极性能研究

论文摘要

溅射镀膜已经在工业生产中大规模的运用,等离子体的分布在磁控溅射镀膜过程中起着至关重要的作用,其中正离子的能量,离子的浓度等特性对成膜质量、靶表面刻蚀区的均匀程度以及靶材的利用率均有影响,好多学者都在研究等离子体增强技术,以此来改善镀膜工艺,本论文所研究的磁控溅射镀膜机中的辅助阳极就是一种新型等离子体增强技术。因此本文课题具有较重要的学术和研究价值。本文以Cemecon公司的磁控溅射镀膜机为研究原型,设计了真空室内靶,基片架,阳极的安装结构,在四个矩形磁控溅射靶形成的非平衡磁场中,辅助阳极安装在两靶之间的位置,其电压高于基片的电压。论文采用OOPIC (Object Oriented Particle in cell)电磁粒子模拟程序来模拟整个真空室的电子和正离子的运动情况,通过有无辅助阳极作用的模拟结果对比,得出结论：辅助阳极确实有扩大等离子体区域,增加正离子的动能,增加等离子体浓度的作用,但是其电压必须控制在一个合适的范围内,电压太小,则不能起到扩大等离子体区域的作用；反之,电压过大,离子会呈爆炸式增长,大量轰击基片,这对镀膜工艺反而不利。通过模拟FJL560CII型超高真空磁控溅射与离子束联合溅射系统真空室中氩离子的平均能量和氩离子密度分布,所得数据和实验结果基本匹配,验证了所建数学模型是正确的。通过改变辅助阳极的位置和电压求得对于本次设计结构最优化的辅助阳极位置和电压,以最大程度上扩大等离子体区域为优化目标,在本文镀膜室内结构设计中,当辅助阳极距离基片20cm为最佳位置,并且此时最优电压为100V,并分析了辅助阳极的工作原理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 磁控溅射技术
• 1.2 等离子体
• 1.2.1 等离子体定义以及相关重要概念
• 1.2.2 等离子体成膜
• 1.2.3 等离子体模拟研究进展
• 1.3 等离子体增强技术
• 1.3.1 非平衡磁控溅射系统
• 1.3.2 离子辅助溅射
• 1.3.3 等离子增强磁控溅射沉积技术（PMD）
• 1.4 课题研究内容
• 1.4.1 辅助阳极研究的目的和意义
• 1.4.2 论文研究的关键技术和难点
• 第2章 等离子体粒子模拟模型及数值求解
• 2.1 等离子体的粒子模拟方法
• 2.2 等离子体粒子模拟的基本思路
• 2.3 等离子体模拟方法的计算流程和常用算法
• 2.3.1 等离子体模拟方法的基本流程及蛙跳算法
• 2.3.2 计算粒子形状的插值方法和线性加权方法
• 2.3.3 Newton-Lorentz运动方程的求解
• 2.3.4 静电模型以及边界条件
• 2.3.5 电势的计算
• 2.3.6 电磁模型中Maxwell方程的求解
• 2.3.7 电磁模型中的电流参量
• 第3章 真空室等离子体区域模拟
• 3.1 简介
• 3.2 磁控溅射等离子体产生的模拟方法
• 3.3 等离子体产生过程的模拟结果
• 3.3.1 外加磁场的模拟
• 3.3.2 辅助阳极的OOPIC模拟
• 3.3.3 真空室的等离子体模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 辅助阳极的电压位置优化设计
• 4.1 辅助阳极电压的优化
• 4.2 辅助阳极位置的优化
• 4.3 辅助阳极位置和电压的双优化
• 4.4 磁场排列的优化
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢