关于高真空多靶磁控溅射镀膜设备的研制

关于高真空多靶磁控溅射镀膜设备的研制

刘贵

东莞市华升真空镀膜科技有限公司 广东东莞 523000

[摘要]高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，其主要应用于磁性金属各种合金薄膜制备当中，以基底部位旋转溅射及共聚焦等方式为主，将150*150mm各类合金薄膜有效制备出来。为充分把握该设备具体研制情况，便于今后更好地推广及使用该设备，本文主要探讨高真空多靶的磁控溅射镀膜设备研制，期望可以为后续更多技术工作者和研究学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

[关键词]镀膜设备；多靶；高真空；磁控溅射；研制；

前言：

伴随现代科学技术持续的进步发展，对各类设施设备也提出更高要求。高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，属于电子及通信技术整个领域当中所需用到工艺试验专业仪器。那么，为更进一步地了解该设备，对高真空多靶的磁控溅射镀膜设备研制开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、关于磁控溅射镀膜设备基础原理的概述

磁控溅射，即离子和物质表面部位原子碰撞整个过程当中，能量及动量发生转移，靶材原子被激发出来后，逐渐溅射至阳极上面。阴极靶材下方位置放好100~10000Gauss强力磁铁，将0.1~10Pa压力氩气直接充入至腔室内部，以此为气体放电载体[1]。受高压作用，氩原子则电离成为Ar+及电子，而电子加速飞向于基体整个过程当中，受垂直于整个电场上面磁场所影响，致使电子偏转，被束缚于临近靶表面部位等离子体整个区域范围，运动过程当中，持续碰撞氩原子，大量Ar+被电离出来，再经过重复碰撞之后，电子能量下降，拜托磁力线所产生的束缚，落至基片部位、真空室的内壁和靶源阳极等部位。Ar+受高压电场的加速作用之下，撞击到靶材，大量能量被释放出来，以至于靶材表面部位原子充分吸收Ar+动能后，逐渐从原有品格束缚当中脱离出来，中性靶原子则从靶材表面部位逸出，而后，飞向于基片位置，基片上面因沉积而有涂层形成。溅射整个工艺中，会对涂层性能产生影响的参数以基体表面部位清洁度、靶基距、溅射气体的压力及其功率密度、后期处理等为主。

2、研制分析

2.1总体架构及优势特点

此次所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，其系统内部除设备的主腔体外，还包含着阳极电源、真空、控制、冷热水的循环等系统。该设备的正极接地是阳极，而冷阴极则是负极。设备呈阵列形式平铺至两片筛网所构成夹具中间位置。12片夹具，则装卡至12边形圆形转鼓位置。圆形转鼓的内外侧位置，各设冷阴极靶3个，转鼓内外整个表面涂覆即可完成。以PLC控制系统模块、泄漏量的流量计、低温泵、节流阀、薄膜规等共同作用为基础，确保动态平衡之下，实现对氩气分压精准化控制，气氛实际控制精度为±0.001Pa；绝缘电阻＜100mhn，真空度在作业期间恢复时间＜16min，极限的真空度＞1*10-5Pa。选定PROFBUS-DP所构成的控制网络，便于现场层能够实现数据信息的高速传输。此次所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备所具备的优势特点详细如下：一是，该高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，主要以悬空转鼓及筛网夹持为主要形式，以行星轮及恒星轮为基础原理，促使批量化生产作业得以实现目的，生产能力可达到2000p/hours[2]；二是，借助低温泵，确保所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备可以满足核燃料的元件制造总体清洁度层面要求；通过低温泵及质量的流量计合理设置，确保真空腔室整个工艺气体动平衡问题得以解决；四是，以选定6个冷阴极为分路供气这种方式，促使工艺气体总体分布的均匀性层面问题得到妥善解决；五是，通过刀口的法兰连接有效运用，确保该镀膜设备整个真空腔室可满足于高真空度层面要求；六是，冷阴极部分以波纹管为连接方式，促使阴极密封层面得以解决；七是，辅助系统内部冷热水整个系统，设独立的两个水箱，可充分满足于快速切换循环水的实际需求；循环水整个系统实行多回路的供水及回水设计，可防止产生热量累积情况；八是，阴极支架，则设为可升降的调节模式，则靶基距相关调整问题可得到妥善解决。

2.2各系统模块

2.2.1在真空系统层面

此次所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，其内部真空系统可实现高真空、快速抽气、稳定运转，且不会产生污染情况。真空总体设计能力的计算及所选用泵体基本特点，即粗真空为10Pa，抽气时间＜20min。运行期间真空度为Pg=8×10-4Pa条件之下，抽气时间则＜20min。

2.2.2在控制系统层面

该高真空多靶的磁控溅射镀膜设备内部，设西门子的S7-300型号可编程类型控制装置，对氩气实现分压控制，且可有效调节其真空度，严格把控冷热水整个系统。依托于智能化的控制，确保能够达到系统参数的最优化目的，为镀膜总体的生产质量及其效率提供基础保障。借助PROFIBUS-DP总线，各传感装置、执行装置，其和PLC之间可实现通讯，系统总体可靠性、快速性、实时性、准确性均可得到，有效降低总体成本。该PLC的控制程序，主要实行SIEMENS STEP7micro/win的外围扩展相应编程软件，经编制完成的子程序达100多个，数据块为300多个，程序量则共计为20多万步。总计编辑的人机界面为50个以上

[3]。

2.2.3在阴极层面

在一定程度上，阴极往往会对溅射效率及其均匀性、总体成膜质量产生直接影响，那么，为确保阴极总体工作效率可得到有效提升，则靶基距可设为可调节这一方式，对阴极和核燃料相互间最佳距离、阴极实际输出功率等实施深入研究，合理确定下来，将氩气离子实际密度、氩气离子实际入射数量等增加，促使沉积速率得到提升，促使均匀镀膜得以实现，为镀膜满足实际厚度要求提供基础保障；把6个阴极排布调整好，确保靶极的辉光放电维持良好稳定性，实现均匀刻蚀，将靶材总体利用率有效提高。选定磁控AE专用电源，通过其抑制异常放电、软启动、恒流运作、超温、过压、过流等系统功能的充分发挥，为溅射作业总体安全及稳定性提供可靠性保障。阴极选定波纹管和法兰密封这种方式，可充分满足于阴极维护及高真空度实际要求。

2.3效果分析

经过对此次所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备实施全面测试后，可确定的是其各项指标均可满足于实际的技术要求及标准。经功能测试及带料试验等，该设备各项功能、运行稳定及可靠性均得到验证。该设备极限的真空度能够优于1*10-5Pa，运行期间真空度实际恢复时间不会超过16min；泄漏率＞1×10-4Pa-L/s，密封表面部位粗糙度＜1.4，且气氛分配总体精度可达到±0.001 Pa。借助PROFIBUS-DP所构成的控制网络，可确保现场层能够实现信息数据高速有效地传输。该设备工艺所有逻辑设计及其参数设置均符合实际要求，各项功能均可充分满足于设计要求，研发效果显著。

3、结语

综上所述，此次所研制高真空多靶的磁控溅射镀膜设备，其内设真空及控制系统、阴极等，经全面测试证实该设备各项功能均可充分满足实际的设计要求，值得持续推广及应用下去。

参考文献：

[1]范江华,罗超,佘鹏程,等.多靶共焦磁控溅射设备及工艺应用研究[J].中国集成电路,2022，031(005)：119-120.

[2]丁磊,李晓哲.防气体混杂的多靶位磁控溅射镀膜机改进结构:,CN210176941U[P].2020，33（010）：298-299.

[3]莫南云,王晓静,詹兴刚.钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备改进研发[J].内燃机与配件,2021,41（038）：206-207.