磁控溅射法制备复杂曲面涂层工艺及设备【机械设计毕业论文】.pdf

1、- 1 -本 科 毕 业 论 文（ 20 届 ）磁控溅射法制备复杂曲面涂层工艺及设备所在学院专业班级机 械 设 计 制 造 及 自 动 化学生姓名学号指导教师完成日期年月毕业设计任务书设计题目： 磁控溅射法制备复杂曲面涂层工艺及设备系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化1课题意义及目标通过本次毕业设计，了解磁控溅射设备构成及工作原理；了解复杂曲面涂层制备工艺特点；分析各种工艺参数对涂层性能的影响规律；从而为复杂曲面涂层制备提供合理的工艺参数。2主要任务（1）绘制磁控溅射设备构造及工作原理图。（2）应用数学方法描述复杂曲面结构特点。（3）分析磁控溅射各工艺参数对涂层性能的影响。（4）撰写毕

2、业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1杨武保.磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测J.石油机械.2005(06)2刘翔宇，赵来，许生，范垂祯，查良镇.磁控溅射镀膜设备中靶的优化设计J. 真空.2003(04)3程建平，杨晓东.真空磁控溅射镀膜设备及工艺技术研究J.电子工业专用设备.2009(11)4进度安排 设计各阶段名称 起 止 日 期1 广泛阅读相关文献，制定研究方案 3月3日3月23日2 绘制设备结构及工作原理图 3月24日4月13日3 完成复杂曲面描述及工艺参数分析 4月14日5月4日4 研究结果分析 5月5日6月1日5 完成

3、毕业论文及答辩工作 6月2日6月22日审核人： 赵跃文 2015 年 1 月 3 日I磁控溅射法制备复杂曲面涂层工艺及设备摘 要：磁控溅射技术在当今的工业镀膜领域已经广泛应用，在普通的薄膜制备中优点显著，但随着高新技术的发展，复杂曲面的应用也普遍起来，进而对磁控溅射设备系统的结构及工艺参数的要求也越来越高。本次论文详细的研究内容包含以下几项：磁控溅射技术的国内外研究背景及其发展趋势，应用领域及其优越性；磁控溅射设备的工作原理和系统组成；复杂曲面的发展介绍，采用数学建模的方式来描述复杂曲面的结构特点，如何对复杂曲面完成镀膜；根据系统组成而制定的生产工艺流程介绍，及相关工艺参数在设备工作过程的影响

4、；最后得出本次论文的研究结果。关键词：磁控溅射，镀膜，复杂曲面，数学建模，设备结构，工艺流程，工艺参数ResearchoftheVacuumMagnetronSputteringDepositionequipmentanditsprocessforcomplexcurvedsurfacesAbstract：The technology of Vacuum Magnetron Sputtering Deposition is popular in thefield of thin film manufacture , the advantages of manufacture normal th

5、in film issignificant , but as the development of high technology , the complex curved surfaces isused on kinds of field , so the significant of Vacuum Magnetron Sputtering Depositionequipment structure and process parameters become more and more higher . The details ofthe research content includes

6、the following :The research background of Magnetronsputtering technology at home and abroad as well as its development trend, applicationfield and its superiority ;Magnetron sputtering equipments working principle and systemcomposition ;Introducing the development of complex curved surface , with th

7、e method ofmathematical modeling to describe the structure characteristics of the complicated surface ,and How to finish coating for complex curved surface ;According to the systemcomposition , introduce the production process , and the influence of relevant processparameters when the equipment is w

8、orking ; Finally get the results of research .Keywords: the Vacuum Magnetron Sputtering Deposition , thin film manufacture ,complexcurved surfaces , the method of mathematical modeling , equipment structure , productionprocess , process parameters .II目 录1 前言.11.1 国内外磁控溅射的应用及发展前景.12 磁控溅射设备.32.1 工作原理.

9、32.2 系统组成.42.2.1 真空室.42.2.2 真空系统.42.2.3 磁控溅射靶.42.2.4 加热及温控系统.42.2.5 进气系统.42.2.6 膜厚测量系统.52.2.7 工件转架及遮挡屏.52.2.8 水冷系统.52.2.9 控制系统.52.2.10 残余气体分析系统.63 复杂曲面.93.1 复杂曲面的定义.93.2 复杂曲面的数学模型建立.93.2.1 复杂曲线模型.93.2.2 复杂曲面模型.103.2.3 复杂曲面镀膜对磁控溅射设备的要求.134 工艺流程及工艺参数.154.1 基本工艺流程.154.2 基本工艺参数.155 分析总结.22参考文献.23致 谢.241

10、1 前言1.1 国内外磁控溅射的应用及发展前景随着高新技术的发展，在工业镀膜领域，新生的磁控溅射镀膜工艺取代了传统的蒸发工艺，用于制造多种金属膜，其具有工艺过程简单，薄膜的性能、质量高等显著的优点。从1852年，阴极溅射现象的问世，工业上对溅射技术的应用便逐步看重起来，尤其从1980年以后至今，逐步在工件表面镀膜方面上应用很多，该技术可制备具有各种特殊功能的薄膜，是一种高效率的物理气相沉积方法。磁控溅射技术相对于传统的蒸发镀膜技术有以下几个优点：（1）溅射速率较高；（2）薄膜层紧密，粘着力强；（3）致密性及均匀性好；（4）可选取的靶材材料范围较宽；（5）薄膜层质量较好；所以磁控溅射技术已成为现

11、今大规模以及超大规模镀膜的首选技术。我国真空磁控溅射法镀膜是从20世纪80年代开始研究的，在1980年开始我国某机器厂设计出来了回旋直流射频多功能磁控溅射设备和双室平面靶直流磁控溅射设备。与此同时其他仪器厂也推出了单室平面靶直流磁控溅射设备。之后，该机器厂还产生了带有分子泵的无油真空系统双室磁控溅射设备。国外在研究磁控溅射设备方面相对中国要先进许多，也有很多著名的生产厂家，比如Varian公司，这是一家美国的公司，其生产的真空磁控溅射设备在占有很大的份额，受到很多生产商的好评，其设备先进、精确度高、生产的镀膜质量好。如今的磁控溅射镀膜技术已经相当成熟，以沈阳奇汇真空技术有限公司为例，它在以自己

12、的技术为基础上融合了台湾的真空技术，仅磁控溅射系列就有单室矩形靶磁控溅射设备、双室磁控溅射设备、多靶磁控溅射设备等；其中涉及的原理基本相同，但是为满足各式各样的工件表面镀膜的需求，在溅射靶的结构改进上可分为平衡与非平衡两种，非平衡磁控溅射弥补了很多平衡磁控溅射的不足，相对来说应用也越来越多。随着人们的审美观的提高，大家越来越青睐具有复杂表面外形的工艺品，这样无形中就促进了溅射镀膜技术的发展，进而促进了相对更先进的磁控溅射镀膜法纷纷被学者以及具有研发能力的生产厂家开发出来，比如自溅射、高速溅射已有成为未来磁2控溅射镀膜领域的领军者的趋势，不过我认为科技是不断进步的，而如何进一步改善其工艺特性使之

13、更好的应用于工业生产，仍需要我们的不断创新与努力。磁控溅射技术的发展是十分快速的，从了解的情况可知，近年来使用的设备已经由很多有名的研究半导体的设备公司研制出来，为了让我国的磁控溅射设备赶上国外的研究水平，国内的生产研究厂家应当积极与工厂通力合作，尤其是工艺厂，这样就能保证生产研制的设备从精密度上达到要求。另外还要与国外研究该设备的公司进行学术交流，以求达到互赢。32 磁控溅射设备2.1 工作原理溅射技术的工作原理是一束电子在电场E的作用下（受电场力的作用），在加速运动到基片的过程中与通入的Ar原子发生碰撞，碰撞使Ar原子电离产生出Ar+和新的电子；新产生的电子在电场力的作用下向基片运动，Ar

14、+在电场E的作用下加速运动到阴极靶（溅射靶），之后以很高的能量撞击溅射靶表面，使靶材发生溅射。获得能量的靶原子和分子落于基片表面并沉积下来形成镀膜，但由于发生了多次的能量传递，导致电子无法轰击电离的靶材，而是在电场的作用下落于基片之上。磁控溅射就是在原有电场的基础上再加入磁场作用，这样电子在受到电场力作用的同时又受到洛伦磁力（即磁场力）的作用，使得其运动轨迹由原来的直线运动变成了摆线运动，进而增加了高速电子与氩气分子的碰撞几率，能大大提高氩气分子的电离程度，因此溅射室的工作气压便可降低，而Ar+在高压电场加速作用下，撞击靶材表面，使更多的靶材原子和分子分离出来运动到基片，堆积在基片上形成薄膜层

15、，也体现了磁控溅射技术镀膜速度快，溅射效率高的特点。见图2.12.1磁控溅射工作原理图42.2 系统组成2.2.1 真空室真空室，是磁控溅射发生的工作环境，一般采用圆柱立式。见图2.2.2、图2.2.32.2.2 真空系统真空系统由旋片式机械泵、分子泵以及插板阀组成，因为溅射的工作环境是在高真空状态下，所以应将溅射室达到基本真空环境，一般控制气压为3x10-5Pa。见图2.2.1、图2.2.2、图2.2.32.2.3 磁控溅射靶磁控溅射靶配置由靶材、靶套及磁场组成。现今电源为射频和直流兼容，都可沿轴向移动距离范围（相对于衬底），采用金属密封结构，靶安装有电动挡板。靶面一般采用铜材质，冷却效果好

16、。在真空室内部分，可以手动调整摆头，摆头角度为015度。磁控靶之间有隔板隔开，可以防止交叉污染。见图2.2.12.2.4 加热及温控系统采用红外加热和灯加热方式，温控系统主要采用热电偶，由PLC实现调控。见图2.2.12.2.5 进气系统在设备工作前期，用真空泵将工作室内气体全部抽出达到真空状态，之后需要进气系统向其中充入氩气，使工作室内气压达到动态平衡。然而工作室内气压是不断变化的，为了满足工艺的稳定性，需要控制进气量，因此需要气流流量控制仪，由PLC实现监控。见图2.2.1（气体流量计）52.2.6 膜厚测量系统薄膜厚度是影响薄膜质量、性能的重要指标，需要时刻对其进行检测，这就需要设备具备

17、这种反馈装置。例如采用线式石英晶体膜测量仪检测薄膜厚度，在设备溅射探头上装有薄膜厚度检测传感器，精度高、构造简单、体积小巧，可用于检测多种薄膜的厚度，具体测量由PLC结合高精密测量仪检测（比如计算机辅助）。2.2.7 工件转架及遮挡屏工件转架是用来安装待加工的工件的，一般有好几个工位，由电动机驱使其转动，可以通过调节工件转架的转速调节靶材粒子的入射角，调节良好的膜层均匀性及附着力。遮挡屏用于预溅射时遮挡在阴极靶前，防止基片被污染。溅射时打开，使靶材材料到达基片。2.2.8 水冷系统真空泵、溅射靶等部位在工作过程中会产生热量，温度过高会损坏溅射设备，因此采用水冷的方式对各个发热部件进行冷却。见图2.2.12.2.9 控制系统控制模块的核心部分为PLC，通过PLC实现工艺的控制，例如控制溅射靶的升降，挡板及样品运动等，同时可以与计算机连接实现数据交换，这样可以通过计算机中辅助建模软件做出实体模型，并作出相关程序后导入设备的控制模块中实现工件镀膜的轨迹控制。62.2.10 残余气体分析系统高真空状态下采用质谱仪实现对真空室（溅射室）内气体成分进行分析，来分析真空室中残余气体的成分，进而监控镀膜环境，确保膜层质量。图2.2.1磁控溅射设备系统组成原理图