磁控溅射法制备复杂曲面涂层工艺及设备

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日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学号：学生：指导教师（含职称）：（教授）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；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：ThetechnologyofVacuumMagnetronSputteringDepositionispopularinthefieldofthinfilmmanufacture,theadvantagesofmanufacturenormalthinfilmissignificant,butasthedevelopmentofhightechnology,thecomplexcurvedsurfacesisusedonkindsoffield,sothesignificantofVacuumMagnetronSputteringDepositionequipmentstructureandprocessparametersbecomemoreandmorehigher.Thedetailsoftheresearchcontentincludesthefollowing:TheresearchbackgroundofMagnetronsputteringtechnologyathomeandabroadaswellasitsdevelopmenttrend,applicationfieldanditssuperiority;Magnetronsputteringequipmentsworkingprincipleandsystemcomposition;Introducingthedevelopmentofcomplexcurvedsurface,withthemethodofmathematicalmodelingtodescribethestructurecharacteristicsofthecomplicatedsurface,andHowtofinishcoatingforcomplexcurvedsurface;Accordingtothesystemcomposition,introducetheproductionprocess,andtheinfluenceofrelevantprocessparameterswhentheequipmentisworking;Finallygettheresultsofresearch.Keywords:theVacuumMagnetronSputteringDeposition,thinfilmmanufacture,complexcurvedsurfaces,themethodofmathematicalmodeling,equipmentstructure,productionprocess,processparameters.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.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.2411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+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，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.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。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.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.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.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7图2.2.2JCP-U500B矩形靶圆室磁控溅射设备图2.2.3ZNO四靶高真空磁控溅射设备8以图2.2.2为例该设备用于纳米级单层及多层功能膜，硬质膜，金属膜，半导体膜，介质膜等新型薄膜材料的制备。设备整体由卧式磁控溅射室，工作台，电控柜，真空获得，真空测量系统组成。采用全金属密封，除门和靶处其余密封口为刀口密封，所有电极采用陶封技术。设备整体用质量很好的不锈钢制造，设备运动灵活，整体系统精确度高，工作时定位精准。设备型号JCP-U500BJCP-U600D真空室圆柱立式500450mm圆柱立式600450mm极限真空310-5Pa310-5Pa恢复真空40分钟710-4Pa40分钟710-4Pa磁控靶位两靶位四靶位矩形靶尺寸320120mm2只320120mm4只样品尺寸260260mm260260mm中心样品加热运动常温350可调，温度最大不均匀度2，加热方式；灯加热方式，中心旋转样品架，转速010转/分。反应气路质量流量计+VCR气路2路。充气阀1路。靶间距50100mm，连续可调。真空系统配置复合分子泵，机械泵，插板阀。控制系统PLC+触摸屏控制，控制靶升降，挡板，样品运动。93复杂曲面3.1复杂曲面的定义产品零件都可以看作由各种类型的曲面构造而成的，这些曲面大致可以划分为两类：第一类是可以用初等解析方程来描述的曲面，如平面、圆锥面、球面等，称为解析曲面；第二类是不能由解析方程表示的复杂曲面，如流线型的飞机表面、汽车表面、以及一些日常的工艺品表面等，也称为自由曲面、雕塑曲面或复杂曲面。3.2复杂曲面的数学模型建立3.2.1复杂曲线模型三维空间XYZO中的一条以u为参数的曲线的矢量表达式为)()()()()()()(uzuyuxkuzjuyiuxuCbau,（3.1）通常将式(3.1)中的a取为0，将b取为1，即参数范围为10，。i、j、k分别为X、Y、Z轴单位矢量，其中001i，010j，100k。)(uC表示参数值为u处对应的曲线上一点的矢量。空间一条NURBS曲线方程通常也是由参数形式进行描述的，其定义由式（3.2）给出niipinoiiipiwuNpwuNuC0,)()()(（3.2）10式中，p为NURBS曲线的次数，1p为其阶数；ip为第i个三维控制顶点，形成控制多边形，共1n个；iw为第i个控制顶点ip对应的权重，并且对所有i恒有iw0；)(,uNpi为第i个p次B样条基函数。)(,uNpi可由如下deBoorCox递推公式进行定义000)()()(01)(111111,10规定其他，uNuuuuuNuuuuuNuuuuNpiipipipiipiipiiii（3.3）式中，)1210(pniui，称为节点值。所有节点值形成一个单调非减的实数数列，该数列称为节点矢量U。11001111个个，pprppuuU（3.4）式（3.4）中1pnr，节点个数为1r。与均匀B样条类似，将首末各节点取为1p重的目的是要使得到的NURBS曲线通过首末控制点。3.2.2复杂曲面模型如图3.2.2所示，三维空间中一张自由曲面对应于参数平面）（uv内一个边长为1的正方形，其一般矢量及矩阵表达式为),(),(),(),(),(),(),(vuzvuyvuxkvuzjvuyivuxvuS（3.5）一张qp次NURBS曲面可表示为如下有理B样条张量积的形式11图3.2.2笛卡尔空间与参数平面的映射关系nimjjiqjpinimjjijiqjpiwvNuNPwvNuNvuS00,00,)()()()(),(（3.6）式中，jiP,为三维控制顶点；jiw,为jiP,对应权重；)1(n和)1(m分别为u向和v向控制点数目，所有控制点形成一张空间四边形网格；)(,uNpi和)(,vNqj分别为沿u向的第i个p次和沿v向的第j个q次B样条基函数；p和q分别是u和v的最高次幂。同样根据deBoorCox递推公式，可以对u向和v向的B样条基函数作如下统一的定义12)()()(0,1)(1,11111,10,wNwwwwwNwwwwwNwwwwN其他（3.7）式（3.7）中，同样规定0/0=0，w表示参数，表示基函数的序号，表示次数，piuw，或qjvw，下同。NURBS曲面定义在u向节点矢量1,1,0,01111个个pprpPuuU和v向节点矢量1,1,0,01111个个qprpqvvV上，其中1pnr，1qms。记nkmllkqlpkjiqjpiqjpiwvNuNwvNuNvuR00,;,)()()()(),(（3.8）则式（3.6）还可写成nimjjiqjpiPvuRvuS00,;,),(),(（3.9）式（3.9）中如果分别给定0vv和0uu，可以得到),(vuS上u向和v向等参数曲线，也即),(0vuS和),(0vuS。这两条参数曲线的交点即为与参数值),(00vu对应的曲面上一点),(00vuS，如图3.2.2所示。133.2.3复杂曲面镀膜对磁控溅射设备的要求由研究分析知单一的磁控溅射靶在制备复杂工件表面镀膜时存在靶材消耗不均匀从而使靶材上形成凹状侵蚀环，薄膜的致密度也得不到保证进而影响薄膜质量等诸多问题为了解决这些问题，学者对磁控溅射镀膜机做了结构上的改进。在磁控溅射镀膜机不同位置上安装多靶多材，同时采用旋转式柱状磁控溅射靶，让溅射靶能够自由旋转来保证定向镀膜的需要；对非平衡磁控溅射阴极靶的结构进行改进，比如安装多个溅射靶的同时设置辅助磁场构成封闭磁场，形成相互的交联作用，通过提高真空室内等离子气体密度，来提高溅射工件偏流达到沉积镀膜；由于平面阴极溅射靶磁场分布的不均匀性造成溅射靶产生凹状侵蚀环，可以通过改变磁场分布来解决这一问题，如磁铁在阴极内部移动或者设置遮挡磁场的屏蔽罩，从而使复杂工件在基片上溅射中能够产生各向同性的内应力，并且结合致密连续以及均匀的薄膜。改进结构示意图如图3.3所示：1.非平衡磁控溅射靶2.辅助磁场3.工件转架图3.3四靶闭合磁场非平衡磁控溅射靶装置结构示意图14研究结果表明，通过改善之后，这种方式实现了非同一平面内具有复杂外形的工件上镀膜厚度均匀，致密连续等要求，且薄膜的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗高温性以及膜厚达到微米级都相应提高。154工艺流程及工艺参数4.1基本工艺流程在镀膜的过程中，工艺的选取对薄膜的质量具有重要的影响，由磁控溅射的工作原理，结合设备结构，由参考文献总结出相关工艺流程如下：基片清洗装片抽本底真空加热氩气分压预溅射抽本底真空溅射（或多次溅射）退火冷却卸片表面检验性能测试包装、入库1基片清洗：清洗的主要目的是去除表面污物和化学污染。2抽本底真空：溅射是在真空环境中进行的，因此尽量减少真空室内的残余气体，同时也可以保证薄膜的质量。3加热：除去基片表面的水气，提高基片和薄膜的结合力；降低薄膜应力，提高薄膜的沉积率。4氩气分压：因为溅射通常是利用低压惰性气体辉光放电来产生入射粒子，所以真空室通入氩气的压强范围一般为0.01-1Pa。5预溅射：对于易氧化的靶材，先通入射粒子轰击易氧化的靶材，去除靶材上的氧化膜，飞溅出来的粒子沉积在遮挡屏上，之后清理出真空室。6溅射：溅射是建立在等离子体的条件下，电离出的Ar+轰击靶材，使靶材粒子飞溅出来，沉积在基片上形成薄膜。7退火：因为靶材材料与基片材料会存在热膨胀系数的差异，会影响薄膜与基片的结合力，所以采用合适的退火工艺，能够有效的提高结合力。8冷却：应为入射粒子轰击靶材会产生一部分热量，若无冷却或冷却不足，这种热量会使靶源溶化，损坏设备。4.2基本工艺参数在基底、靶材材料一定的情况下，工艺参数的选取对成膜速率、薄膜质量有很大的影响，由此结合文献和理论研究，分析出影响薄膜质量的主要工艺参数包括溅射功率、靶片间距、溅射气压、工件转速、烘烤温度。16溅射功率的影响1)溅射功率对成膜速率的影响由参考文献得出，在通入气体压力一定的条件下，不断改变溅射功率，并观察薄膜的沉积速率，由相关曲线图可见：从曲线图中可总结出，薄膜的沉积速率随着溅射功率的增大而增大，但当溅射功率达到一定值之后，速率变化趋势变缓。这可能与当前靶材材料所承受的功率是有限的，阴极靶与屏蔽罩的绝缘性能随着功率的增大而下降，导致电压下降、电流上升，引起拉弧现象。因此功率应当控制在合适范围内。2)溅射功率对薄膜性能的影响随着溅射功率的增大，溅射出来的靶材粒子的能量增大，部分高能量的靶材粒子会破环基片表层，成为薄膜新相的成核中心，随着薄膜的形成，自由能下降，在薄膜与基片之间形成一层靶材粒子与基片原子相互融合的伪扩散层这样提高了薄膜与基片的结合力。同时高能量的靶材粒子沉积在基片上产生较高的热能，也会增强薄膜与基片的附着力。另外功率的改变也会影响薄膜的生长方式，改善薄膜组织，进而对薄膜的塑性、强度等性能指标造成影响但是过高的功率又对靶材及冷却系统要求很高。相关实验曲线图可见：17靶片间距的影响1)靶片间距对成膜速率的影响经分析随着靶片间距的增大，被溅射出来的靶材粒子射向基片时与气体分子碰撞的次数增多，同时等离子体密度也减弱，动能降低，从而沉积速率变慢。由已有实验可见：182)靶片间距对成膜性能的影响由理论可知，工作开始时，靶材位于阴极，基片位于阳极，在两极之间形成辉光放电，若两极距离增大，辉光放电将集中在阴极和阳极的中间，使阴极溅射比较强烈；若距离太大，在入射气体中产生的离子会由于碰撞被慢化，动能减少，以至于当离子轰击到阴极时将不能产生二次电子；另若距离较小造成放电较分散，阴极边缘溅射较强烈；因此，靶材与基片之间必须保持合适的距离，较大或较小镀膜的抗拉强度和可焊接性都较差。由曲线图可知19溅射气压的影响1)溅射气压对成膜速率的影响在磁控溅射过程中，溅射气压（工作气压）是一个很重要的参数，它对溅射速率，沉积速率，薄膜的质量都有相当大的影响。由已知曲线图可见：由图可见在一定范围内随着溅射气压的增大，镀膜的沉积速率也随着增大，但到达一定值后，成膜速率开始下降，所以溅射气压应该控制在合适的范围内。2)溅射气压对薄膜性能的影响溅射气压的不同对薄膜的结构和性质也有一定的影响。压强过低时，靶材粒子动20能比较大，随着溅射室气压升高，靶材粒子在飞向基片的过程中受到的散射增加，等到达基底时动能减少，移动能力下降，薄膜的结晶状况也随着改变。由相关曲线图可知：可以看出，开始随着溅射气压的增加，薄膜抗拉强度和可焊性都有提高，但当溅射气压到达一定之后相关性能都有所下降。工件转速对薄膜性能的影响溅射正常工作时，工件转架必须处于匀速旋转状态，这样可确保基片上溅射金属膜的均匀性和致密性，这就需要保证传动系统的润滑状态良好。另外，在溅射时间相同情况下，工作台转速不同，工件转架上各个面的连续溅射的时间不同，转速越慢，21连续溅射时间越长；转速越快，连续溅射时间越短；这样，工件在溅射过程中的发热情况也不同，薄膜的金相组织结构就有差别。所以，只要工件转架能维持匀速旋转，薄膜的均匀性以及薄膜与基片间的附着力就好。加热温度对薄膜性能的影响加热温度过低，基片吸附的一些活性杂质，例如微量油分子及水汽，就会造成基片与薄膜之间的附着力下降，溅射室中残存的活性杂质就不能释放出去；加热温度过高，对于那些易氧化的工件，易造成新的氧化层，所以，加热温度应控制在合适的范围内。225分析总结经过以上研究资料文献分析，首先应结合复杂曲面的结构模型，开发出相应编程系统来控制复杂曲面喷涂时的喷枪轨迹，这款系统可以和现今的三维建模的工具软件衔接，例如UG、PROE、CAXA、SOILDWORKS等；在面对具有复杂表面的工件时，可以先采用这些软件建立实体模型并作出轨迹仿真生成相关程序，之后下载到设备的控制模块实现复杂曲面的喷涂加工。其次还应考虑加工时的工艺参数设置。分析表明，影响涂层性能的指标主要包括溅射功率、靶片间距、溅射气压、工件转速、加热温度，由以上相关理论及曲线图分析，控制这些工艺参数在合适的范围内，薄膜的质量就可以得到控制。23参考文献1徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(上)J.现代仪器.2005(05)2徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(下)J.现代仪器.2005(06)3杨武保.磁控溅射镀膜技术最新进展及