圆平面磁控溅射装置的电磁场仿真及设计

作     者：李梦飞 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶伟;李军

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：溅射靶 等离子体 磁场 溅射过程 

摘      要：磁控溅射镀膜技术以基板沉积温度低、溅射速率高、薄膜质量好等优点被广泛应用。但溅射靶源作为镀膜设备的核心,一直存在靶材表面水平磁场分布不均,冷却系统换热效率低以及膜厚均匀性差等问题。针对这些问题,本文在现有研究的基础上,设计出一种靶材利用率较高的圆平面靶源。研究工作如下: （1）理论方法分析及初始模型建立。结合圆平面磁控溅射靶的工作特点,首先,对气体直流辉光放电反应的原理以及内部微观机理进行阐述,建立辉光放电模型;其次,依据磁控溅射磁场的作用,建立数学模型;最后,对溅射过程和冷却系统等相关理论进行深入分析,建立初始模型,为后续研究提供理论依据。 （2）施放电过程仿真。本文运用COMSOL 6.0软件对直流辉光放电模型进行仿真,分析不同靶基距、工作压力及工作功率的电子密度分布,研究结果表明:靶基距为80mm、反应腔内工作压力为6Pa、功率为100W时等离子体分布理想;进一步对该条件下的氩离子、氩稳态粒子、电子温度、电场及电势纵、横方向的分布进行分析。 （3）磁场设计仿真。为提高靶面水平磁场分布均匀度,提高靶材利用率,本文运用COMSOL 6.0软件对靶源的磁铁、导磁片、极靴、磁轭等进行设计分析,得到高均匀度的靶面水平磁场分布。研究结果表明:当内外磁环高度为0mm、内外磁铁直径比为4.0倍;磁铁与靶材间距为13mm;极靴形状为三角形厚度为7mm;导磁片以外磁铁内边缘为起始点,向内延伸15mm、厚1mm时,在42.9m T到45.9m T范围内的水平磁场分布可占整个靶面的54%左右。进一步研究表明:取3m T作为计算标准,在最佳溅射磁场范围的区域占比高达70%左右,较原结构提升近5倍。 （4）溅射过程及冷却系统仿真。为提高溅射过程的稳定性,及稳定的工作温度,本文运用SRIM和Fluent软件对溅射过程及冷却系统进行模拟研究。对厚度为50?的单质Al靶,以不同离子入射能,不同入射角进行溅射。研究结果表明:声子能损为70%,估算出Al靶在极限功率密度25W/cm时的发热壁面热流密度为180k W/m。进一步研究表明:当入口水速为1.5m/s时,靶材表面大约80%的区域温度控制在310K以内,最低温度可达到305K以下。