圆平面磁控溅射靶的优化研究

论文摘要

磁场分布在整个磁控溅射过程中起着至关重要的作用,磁场强度的大小、分布决定了等离子体的特性,从而对成膜质量、靶材刻蚀的均匀程度以及靶材的利用率均有很大的影响。此外磁控靶的温度直接关系着溅射功率和溅射效率,冷却效果的好坏也会对溅射过程产生影响。以往人们通过实验的方法进行研究,成本高、周期长,因此对相关课题应用计算机模拟优化然后实验论证具有重要的学术和应用价值。首先,根据需要为JPG800型磁控溅射镀膜机设计一个（?）150mm的圆平面磁控靶。为了使靶面水平方向的磁场分布尽可能均匀,利用ANSYS有限元软件对靶面的磁场进行模拟优化。本文共提出三种优化模型：磁钢外径（?）180mm、削角且在外侧加装导磁片模型,磁钢外径（?）150mm削角模型,磁钢外径（?）150mm双套磁钢模型。通过改变内磁柱半径、外磁环厚度以及二者的高度、矫顽力、相对磁导率、削角大小等参数分别实现了靶面磁场均匀分布区域为距离靶心20--69mm,占靶材面积的77.5%；18--58mm,占靶材面积的54%；18--57mm,占靶材面积的52%。最终对双磁钢模型进行加工生产。其次,对加工出来的双磁钢圆平面磁控靶实验。通过“米”字同心圆法对其磁场进行测量,其测量值与模拟优化值相比具有较大的误差。磁感应强度只有优化设计的60%,磁场分布均匀的区域也只是优化模拟的66%。应用该磁控溅射靶对（?）150mm×5mm的铝靶材进行刻蚀实验,其靶材利用率只有17.76%。通过和当前同尺寸的普通圆平面磁控溅射靶对比刻蚀实验,发现其靶材利用率比普通靶的提高了4.73%。在加工制造精度只有优化模拟要求的百分之六十多的情况下靶材利用率还能提高,这充分说明该双磁钢结构靶的可行性与优越性。最后,应用FLUENT软件对SD-500型磁控溅射镀膜机的圆平面靶的水冷系统进行模拟优化。通过进行冷却水对流换热模拟,发现冷却水进出口温差,靶面温度分布,靶内冷却水流态等的模拟结果与理论计算及实际测量值相符。然后对冷却水进出水管深入靶腔的长度、位置、削角尺寸等参数进行优化设计。发现进水管的参数对靶材的冷却效果影响不明显,出水管的参数对冷却效果有一定的影响,其中最明显的就是出水管深入靶腔的长度。当出水管深入靶腔长度为12mm时,高温区的平均温度降低了30℃,这是因为出水管进水端距靶面的空间变小,水流聚集该处致使温度降低。通过研究同时也证实了FLUENT软件可以被应用于磁控靶水冷系统的模拟分析与优化设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题研究的背景与现状
• 1.3 课题研究的内容
• 第2章 实验设备及原理
• 2.1 磁控溅射镀膜的基本原理
• 2.2 设备的组成与功能
• 2.2.1 真空抽气系统
• 2.2.2 溅射镀膜室
• 2.2.3 镀膜机的工作过程
• 第3章 磁控靶磁场的模拟优化
• 3.1 磁场强度设计原则
• 3.2 ANSYS软件求解磁场
• 3.3 ANSYS参数化设计语言
• 3.3.1 ANSYS的优化方法及相关概念
• 3.3.2 ANSYS优化的基本原理
• 3.4 圆平面磁控溅射靶的一次优化设计
• 3.4.1 圆平面磁控靶的设计
• 3.4.2 物理模型的建立
• 3.4.3 靶磁场的模拟
• 3.4.4 磁场优化
• 3.4.5 加导磁片的优化设计
• 3.5 圆形磁控溅射靶的二次优化设计
• 3.5.1 靶模型的建立与优化设计
• 3.5.2 优化结果及分析
• 3.6 圆形磁控溅射靶的最终优化设计
• 3.6.1 圆平面磁控靶的设计及建模
• 3.6.2 靶磁场的模拟及优化
• 3.6.3 优化结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 靶的测试与刻蚀
• 4.1 靶空间磁场的测量
• 4.1.1 实验仪器及方法
• 4.1.2 实验结论及分析
• 4.2 靶材的刻蚀
• 4.2.1 刻蚀过程及测量
• 4.2.2 靶材利用率的计算及分析
• 4.2.3 靶材刻蚀的对比实验
• 4.3 本章小结
• 第5章 靶冷却系统的模拟优化
• 5.1 FLUENT软件
• 5.1.1 Fluent软件的应用概况及发展
• 5.1.2 Fluent主要结构及求解问题的步骤和方法
• 5.2 圆平面磁控靶冷却系统的模拟分析
• 5.2.1 靶模型的建立
• 5.2.2 冷却模拟
• 5.2.3 理论计算与实验测试
• 5.3 水冷系统的优化设计
• 5.3.1 进水管参数对冷却效果的影响
• 5.3.2 出水管参数对冷却效果的影响
• 5.4 结论与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文