磁控濺射鍍膜是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的技術(shù)之一，磁控濺射鍍膜技術(shù)正廣泛應(yīng)用于透明導(dǎo)電膜、光學(xué)膜、超硬膜、抗腐蝕膜、磁性膜、增透膜、減反膜以及各種裝飾膜，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的作用和地位日益強(qiáng)大。鍍膜工藝中的薄膜厚度均勻性，沉積速率，靶材利用率等方面的問題是實(shí)際生產(chǎn)中十分關(guān)注的。解決這些實(shí)際問題的方法是對涉及濺射沉積過程的全部因素進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立一個(gè)濺射鍍膜的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)。薄膜厚度均勻性是檢驗(yàn)濺射沉積過程的重要參數(shù)之一，因此對膜厚均勻性綜合設(shè)計(jì)的研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

  磁控濺射技術(shù)發(fā)展過程中各項(xiàng)技術(shù)的突破一般集中在等離子體的產(chǎn)生以及對等離子體進(jìn)行的控制等方面。通過對電磁場、溫度場和空間不同種類粒子分布參數(shù)的控制，使膜層質(zhì)量和屬性滿足各行業(yè)的要求。

  膜厚均勻性與磁控濺射靶的工作狀態(tài)息息相關(guān)，如靶的刻蝕狀態(tài)，靶的電磁場設(shè)汁等，因此，為保證膜厚均勻性，國外的薄膜制備公司或鍍膜設(shè)備制造公司都有各自的關(guān)于鍍膜設(shè)備(包括主要部件“靶”)的整套設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，還有很多專門從事靶的分析、設(shè)計(jì)和制造的公司，并開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)客戶的要求對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國內(nèi)在鍍膜設(shè)備的分析及設(shè)計(jì)方面與國際先進(jìn)水平之間還存在較大差距。

  因此，建立濺射鍍膜綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)是勢在必行的。系統(tǒng)的建立可按照由整體綜合設(shè)計(jì)展開到部分設(shè)計(jì)，然后，再由部分設(shè)計(jì)逐步深入到整體綜合設(shè)計(jì)，即“整體到部分，再到整體”這一動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念，不斷完善設(shè)計(jì)系統(tǒng)。將濺射鍍膜所涉及的重要因素列舉出來，找出它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而建立濺射鍍膜綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行膜厚均勻性研究，并為后期轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件做鋪墊，來實(shí)現(xiàn)制備薄膜均勻性好的大面積薄膜，為生產(chǎn)提供有力的保障。

  1、設(shè)計(jì)系統(tǒng)屬性

  濺射鍍膜膜厚均勻性是間接衡量鍍膜工藝的標(biāo)準(zhǔn)之一，它涉及鍍膜過程的各個(gè)方面。因此，制備膜厚均勻性好的薄膜需要建立一個(gè)濺射鍍膜膜厚均勻性綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對濺射鍍膜的各個(gè)方面進(jìn)行分類、歸納和總結(jié)，找出其內(nèi)在聯(lián)系。一般來說，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立應(yīng)該具備一定的原則，以確定其基本的組織框架。以下從四個(gè)方面敘述其性質(zhì)：①一般性：要求系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)是適用或者普遍存在的。對于本課題來說，系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)上平板基片濺射鍍膜的基本工藝要求，即濺射鍍膜工藝過程的共性問題。②特殊性：系統(tǒng)對特定研究對象達(dá)到比較佳的適用性。針對大面積平板基片濺射鍍膜來說，就是濺射鍍膜中的尺寸效應(yīng)成為系統(tǒng)重要部分，如薄膜均勻性，基片加熱的均勻性，材料的線性膨脹和變形，靶面的電流分布，氣體分布和電磁場分布等。這一系列問題被尺寸效應(yīng)突顯出來。因此尺寸效應(yīng)成為系統(tǒng)的個(gè)性問題。③開放性：系統(tǒng)各部分是有機(jī)結(jié)合并不斷發(fā)展的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各部分功能必然會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，從而使系統(tǒng)的綜合性能得到提高。自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展使系統(tǒng)的功能變得強(qiáng)大：濺射過程中對等離子體光譜的監(jiān)控技術(shù)，以及對電磁場的操縱能力使得系統(tǒng)對整個(gè)濺射過程的參數(shù)控制程度達(dá)到較大限度，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的開放性屬于橫向發(fā)展。④繼承性：系統(tǒng)發(fā)展到一定程度，就會(huì)發(fā)生由量變到質(zhì)變的過程。系統(tǒng)在保汪原有功能基礎(chǔ)上不斷完善和提高。薄膜制備技術(shù)會(huì)隨著理論的發(fā)展而逐步深入。對非平衡磁控濺射和等離子體理論研究，促進(jìn)了濺射技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨之而來的是對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，以實(shí)現(xiàn)新的功能。繼承性是系統(tǒng)的縱向發(fā)展。

  2、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立

  一般情況下，系統(tǒng)一個(gè)部分功能的增強(qiáng)會(huì)帶來整體功能的增強(qiáng)，同時(shí)降低系統(tǒng)對某些部分的依賴，或者可以理解為：系統(tǒng)兩個(gè)必要因素有機(jī)結(jié)合為一個(gè)部分。建立綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)有助于研究系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分內(nèi)在的邏輯關(guān)系。

  大面積濺射鍍膜綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)可分為三大部分：鍍膜設(shè)備的T程設(shè)計(jì)、鍍膜工藝的設(shè)計(jì)及各個(gè)過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真設(shè)計(jì)，參照圖l。每一部分又分為若千方面，且部分之間相互影響。因?yàn)橄到y(tǒng)比較復(fù)雜，所以系統(tǒng)初級階段的建立應(yīng)該盡量簡化設(shè)計(jì)參數(shù)以提高其實(shí)用性。



  2.1 鍍膜設(shè)備工程設(shè)計(jì)

  對于濺射鍍膜來說，可以從真空系統(tǒng)，電磁場，氣體分布，熱系統(tǒng)等幾個(gè)方面進(jìn)行沒計(jì)，機(jī)械制造和控制貫穿整個(gè)工程設(shè)計(jì)過程，參照圖2。


  2.1.1 真空系統(tǒng)

  真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)相對成熟的設(shè)計(jì)部分，主要包括下面四個(gè)部分：

  (1)室體結(jié)構(gòu)——由系統(tǒng)工作方式設(shè)定其設(shè)計(jì)形式。真空室可設(shè)計(jì)為單室，多室和生產(chǎn)線等形式，并可以選擇諸如連續(xù)、半連續(xù)等生產(chǎn)方式。對于生產(chǎn)平板基片的室體來說，應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮加工工藝的可行性和簡易性。

  (2)材料選擇——按照真空工藝要求，選擇滿足飽和蒸氣壓低，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，易除氣，透氣率小等要求的材料21。例如，奧氏體不銹鋼，鋁合金，無氧銅等。對于大尺寸設(shè)備，為降低設(shè)備整體或移動(dòng)部件的重量，可以優(yōu)先選取鋁合金等輕質(zhì)金屬材料。

  (3)真空元件的設(shè)計(jì)——真空密封，電極引入，管路和閥門等。不同的工藝條件所選用的真空元件不同。

  (4)真空泵和真空計(jì)的選擇——一般可按照常見的工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。精確的設(shè)計(jì)需要定量的計(jì)算真空室內(nèi)的工藝氣體密度分布。不同種類的氣體和不同的真空室清潔程度的要求需要選用不同的真空泵和真空計(jì)。真空泵的返油會(huì)對基片造成污染，氧氣等反應(yīng)氣體會(huì)氧化泵油，因此，常選用干式無油真空泵作為真空抽氣系統(tǒng)。

  2.1.2 電磁場

  相對準(zhǔn)確的電磁場設(shè)計(jì)是對濺射過程中的電磁場進(jìn)行模擬，而不是只對未工作時(shí)的磁控濺射設(shè)備進(jìn)行電磁場模擬。

  電源的選擇：“電源”的選擇應(yīng)根據(jù)不同的工藝過程確定，常見的有直流電源、中頻電源、射頻電源及能夠?qū)崿F(xiàn)多種供電模式的混合型電源等。

  材料的選擇：對于射頻電源來說，功率的載人和匹配是非常重要的問題。大功率射頻電源的電極載入材料要求面電導(dǎo)率高且化學(xué)穩(wěn)定性好，工業(yè)上常選用無氧銅作為電極材料。磁控靶內(nèi)的材料可按磁導(dǎo)率的高低劃分，磁靴為高磁導(dǎo)率材料，一般為工業(yè)純鐵。

  陽極與屏蔽：陽極設(shè)計(jì)要考慮空間的位置，電位關(guān)系，尺寸和面積以及陽極的材料性能，保證濺射過程穩(wěn)定進(jìn)行。屏蔽的設(shè)計(jì)，首先要考慮電場的設(shè)計(jì)和電位關(guān)系，防止非靶材材料被濺射，污染薄膜。其次考慮屏蔽材料的性能，一般選用飽和蒸氣壓低，濺射閾值高且符合真空工藝要求的材料。

  2.1.3 氣體分布

  氣體的分布狀況對于平板基片鍍膜來說是極其重要的，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使氣體密度的變化率在濺射沉積區(qū)域內(nèi)的盡量小，而在區(qū)域外，使系統(tǒng)的流導(dǎo)盡量的大，以提高氣體的利用率和抽氣系統(tǒng)的效率?？刂茪怏w分布的機(jī)械部件或結(jié)構(gòu)包括布?xì)庀到y(tǒng)、真空室的結(jié)構(gòu)、抽氣系統(tǒng)等三個(gè)部分。

  2.1.4 加熱系統(tǒng)

  加熱系統(tǒng)用以滿足真空系統(tǒng)的烘烤和薄膜生長所需的溫度條件。

  上述四個(gè)方面及其它未說明的方面都涉及機(jī)械制造和控制這兩方面內(nèi)容，因此應(yīng)該考慮諸如可加工性，響應(yīng)時(shí)間等要素。

  2.2 鍍膜工藝設(shè)計(jì)

  應(yīng)著重考慮不同薄膜材料之間需要不同的沉積工藝，不同濺射技術(shù)的實(shí)施(直流、中頻、射頻、脈沖、反應(yīng)濺射，以及它們之間的結(jié)合而發(fā)展的技術(shù)，或者新技術(shù)的應(yīng)用等)，同種技術(shù)不同工藝參數(shù)的調(diào)整(功率，氣壓，沉積方式等)，前處理(清洗、預(yù)熱等)，后處理(熱處理等)。

  把鍍膜的整個(gè)過程劃分成4個(gè)相對的過程，參照圖3。一般來說，涉及等離子體，靶材表面及基片狀態(tài)改變較大的參數(shù)都是工藝上需要控制的參數(shù)。


  氣體放電：輝光放電產(chǎn)生等離子體，使工作氣體離化，產(chǎn)生陽離子，在電場作用下轟擊陰極，并伴有二次電子發(fā)射等現(xiàn)象出現(xiàn)。對輝光放電等離子體的研究是研究濺射沉積過程的必由之路。

  濺射碰撞：濺射碰撞一般是研究帶電荷能離子與靶材表層粒子相互作用，并伴隨靶材原子及原子團(tuán)簇的產(chǎn)生的過程。應(yīng)用較多的理論是級聯(lián)碰撞理論。SRIM等較成熟的模擬軟件已經(jīng)在模擬濺射過程中得到了廣泛應(yīng)用。

  輸運(yùn)過程：靶材原子以一定的初始速度向基片和其它表面的運(yùn)動(dòng)，伴隨能量和動(dòng)量的改變，并獲得凈的定向輸運(yùn)量(粒子數(shù))。在外加場(質(zhì)量，動(dòng)量，能量)作用下，輸運(yùn)過程更加復(fù)雜。常用MC方法和其它方法(PIC，CIC，CFD等方法)的混合應(yīng)用來獲得基片上沉積粒子的數(shù)量。簡化的粒子輸運(yùn)計(jì)算方法是將沉積粒子劃分為快速運(yùn)動(dòng)(不發(fā)生碰撞，直接到達(dá)基片表面)和慢速運(yùn)動(dòng)(發(fā)生碰撞，通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到基片表面)兩類粒子。氣體加熱、稀薄化及濺射風(fēng)(高能中性粒子)等效應(yīng)均是氣體與帶有能量的粒子通過碰撞發(fā)生動(dòng)量和能量交換的結(jié)果。

  薄膜生長：基片上靶材原子發(fā)生擴(kuò)散、遷移和聚集等運(yùn)動(dòng)，生長成膜。薄膜的屬性和基片的溫度、晶格常數(shù)、表面狀態(tài)和電磁場等有著密切關(guān)系。鍍膜后期的處理，如退火等工藝，都會(huì)嚴(yán)重影響薄膜的屬性。一般采用MC等方法模擬薄膜生長。同時(shí)，一些公司的專業(yè)軟件可以實(shí)現(xiàn)膜系的設(shè)計(jì)。

  2.3 數(shù)值仿真設(shè)計(jì)

  將工程和工藝設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬，再現(xiàn)濺射沉積過程，并將設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行顯示和分析以優(yōu)化工程和工藝設(shè)計(jì)，見圖4。


  工程設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)：利用已有的商業(yè)軟件：Pro／E，UG，Ansys等進(jìn)行二次開發(fā)。工藝設(shè)計(jì)是在自行設(shè)計(jì)或利用已有的軟件上模擬濺射過程以進(jìn)行工藝分析和優(yōu)化，并分析機(jī)械結(jié)構(gòu)對工藝的影響。

  將設(shè)計(jì)過程開發(fā)成通用的設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)(工程設(shè)計(jì)的一部分)三維建模及機(jī)械綜合性能分析，工藝過程的實(shí)時(shí)模擬及電磁場、熱場、粒子空間分布等分析，以及將仿真模擬過程的可視化，供優(yōu)化工藝和機(jī)械結(jié)構(gòu)使用。能夠與其它軟件之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

  進(jìn)一步的發(fā)展就是將整個(gè)設(shè)計(jì)過程從部分設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到整體設(shè)計(jì)，較大限度的排除人為因素。開發(fā)帶有參數(shù)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制檢測及遠(yuǎn)程操作等功能的智能軟件系統(tǒng)。

  鍍膜設(shè)備的工程設(shè)計(jì)、鍍膜工藝的設(shè)計(jì)及二者的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真這三者之間是相輔相成的：鍍膜設(shè)備決定鍍膜工藝過程的實(shí)現(xiàn)，鍍膜工藝促進(jìn)鍍膜設(shè)備的升級，而高性能的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)給兩者的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。
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