磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计.pdf

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1、磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计KeyTechnologyandStructureDesignofCylindricalRotatingCathodeTargetforMagnetronSputtering作者姓名穆怀普学位类型工程硕士学科、专业机械工程研究方向流体传动与控制导师及职称陈长琦教授2012年4月磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计摘要磁控溅射旋转圆柱阴极靶（简称旋转靶）自发明至今，已经被广泛的应用于工业化制备大面积功能薄膜的生产中。虽然经历了几十年的发展和创新，旋转靶在工业生产中仍然存在着如下问题：在靶材表面上垂直于电场的磁场分布不均匀，造成

2、靶材被溅射刻蚀不均匀，使靶材利用率降低；阴极冷却换热参数设置不合理，使得靶不能充分冷却，造成其工作稳定性差，最终影响镀膜质量。论文基于辉光放电、磁控溅射、等离子体、电磁场和传热学的基本理论，对旋转靶的关键技术进行了系统的研究。实现了工业化规模生产用的一种新型磁场结构的旋转靶设计的研究目标。首先，利用ANSYS有限元方法模拟计算，得到了旋转靶磁控阴极垂直于电场方向的磁场分量Bx在靶材表面上的二维磁场分布规律。并通过改变磁铁的宽和高、磁铁间夹角等关键参数，以及在两边磁铁与靶材间设置可移动磁性挡板等方法来提高Bx的磁场强度和扩大靶材被溅射所覆盖的表面积。其次，计算了阴极靶产生的热量，分

3、析了稳态工作时的换热过程包括传导、对流、辐射三种方式，通过计算得到旋转靶稳态工作时的换热参数，为旋转靶的设计提供了依据。基于旋转靶磁控溅射的工作原理和磁场分析与优化结果，以及确定的换热参数设计了磁场结构，并用ANSYS有限元方法分析计算了其受力变形，结果表明磁场结构受重力变形不影响磁场分布。此外还对驱动电机的配置、同步带传动、轴承、支撑端、真空静密封和磁流体密封等关键结构进行了相应的分析和设计计算。最终完成工业化生产用旋转靶的设计，为磁控溅射旋转圆阴极靶的进一步开发和磁控溅射大面积薄膜生产运行可靠提供了技术支撑。关键词：旋转靶；磁控溅射；磁场模拟；冷却换热；结构设计KeyTech

4、nologyandStructureDesignofCylindricalRotatingCathodeTargetforMagnetronSputteringABSTRACTCylindricalrotatingcathodetargetformagnetronsputtering(cylindricalrotatingtarget)sincetheinventiontonow,hasbeenwidelyusedinindustrialareafunctionalfilmproductionpreparation.Althoughafterdecadesofdevelopmen

5、tandinnovation,therearestillsomeproblemsinindustrialproduction.Forexample,themagneticfielddistributiononthetargetsurfacewhichverticalelectricfieldwasuneven,causingthetargetmaterialswassputteredetchingdon'teven,makingthetargetmaterialutilizationratiodecreased.Thedesignofthecoolingwatercirculat

6、ionsystemisnotreasonable,makesthecoolingheattransferisnotenough,causingitsworkingpoorstability,finallyaffectsthecoatingquality.Thekeytechnologiesofthesystemhasbeenresearchbasedontheglowdischarge,magnetronsputtering,plasma,electromagneticfieldandheattransfertheory.Realizedindustrializedscalepr

7、oductionofanewtypeofmagneticfieldstructurewiththedesignofcylindricalrotatingtargetoftheresearchobjective.Firstly,the2DmagneticfielddistributionlawonthetargetsurfaceofmagneticfieldcomponentBx,whichperpendicularstothedirectionoftheelectricfield