等离子体束溅射镀膜机研制及工作机理研究

论文摘要

物理气相沉积技术目前主要有热蒸发、溅射、离子镀等方式。溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段,从二极溅射、三极溅射、磁控溅射以及各种新型的溅射方法。相比较而言,二极溅射的结构简单、易于控制,但是由于放电形式决定了其等离子体密度较低,相应的沉积速率也较低。磁控溅射与二极溅射相比,则具有“高速”与“低温”的特性,沉积速率较高,且基片升温也较低,但由于磁控溅射磁场的分布不均匀,而磁场是其关键的因素,控制真空室中的等离子体的生成,因此由不均匀磁场所带来了等离子体不稳定、靶材利用率低等缺点。本文采用新型磁控溅射设计,取消了“磁控”靶,并应用在远位安装高密度等离子体源的设计,研制出了等离子体束溅射镀膜机。试验结果及国外的结果表明,这种新型的溅射镀膜方法解决了磁控溅射中的靶材利用率低及等离子体不稳定的缺点,并能够有效地控制成膜晶粒的大小。等离子体束溅射镀膜机中等离子体束在磁场与电场的共同作用下,形成了从等离子体源到真空室中的被引出、输运、溅射等的一系列过程。在成功研制出等离子体束溅射镀膜机后,对真空室内的电场与磁场应用COMSOL Multiphysics电磁模块进行了有限元分析,得出了在这种与已有方案都不同的结构中电场与磁场的分布。真空室中的电场通过溅射靶源接通负偏压后产生,而磁场则由发射线圈与汇聚线圈共同产生,电场与磁场相互独立,并共同对等离子体束产生影响。通过对等离子体束溅射镀膜机具体结构的分解,并应用单粒子轨道模型对镀膜机内部等离子体束的引出束流做出了分析,发射线圈从高密度等离子体源中引出等离子体束,其中包括电子与离子。等离子体束在磁场与偏压电场的共同作用下轰击靶面,使靶材产生溅射。通过对等离子体在磁场与电场中的运动进行定性分析,对等离子体束溅射镀膜中的原理进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 薄膜的制备方法
• 1.2 等离子体束溅射镀膜简介
• 1.3 等离子体束溅射镀膜的研究现状
• 1.4 研究的目的、意义和内容
• 1.4.1 研究的目的和意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 论文结果
• 第2章 等离子体束溅射镀膜机的研制
• 2.1 溅射技术
• 2.1.1 溅射镀膜发展的历程
• 2.1.2 溅射技术的分类
• 2.2 二极溅射与磁控溅射
• 2.2.1 二极溅射
• 2.2.2 磁控溅射
• 2.3 等离子体束溅射镀膜机的研制
• 2.3.1 磁控溅射的改进措施
• 2.3.2 等离子体束溅射镀膜机的结构
• 2.3.3 等离子体束溅射镀膜机的主要技术指标
• 2.3.4 试验结果
• 2.4 小结
• 第3章 真空室内电磁场的分布
• 3.1 电场与磁场的产生
• 3.1.1 电场的产生
• 3.1.2 磁场的产生
• 3.2 模拟方法
• 3.2.1 建立坐标系
• 3.2.2 模拟步骤
• 3.3 结果及分析
• 3.3.1 电场的分布
• 3.3.2 磁场的分布
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 小结
• 第4章 等离子体束在真空室内的运动
• 4.1 等离子体概述
• 4.1.1 等离子体
• 4.1.2 等离子体的产生
• 4.1.3 等离子体的描述方法
• 4.2 高密度等离子体源
• 4.2.1 等离子体源概述
• 4.2.2 高密度等离子体源结构
• 4.2.3 等离子体源引出束流的分析
• 4.3 等离子体束的运动分析
• 4.3.1 在仅有磁场时的运动
• 4.3.2 等离子体在加负偏压场时的运动
• 4.3.3 基片接通负偏压时等离子体的运动
• 4.4 结果分析
• 4.5 小结
• 第5章 结论
• 5.1 分析与结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢