旋转圆柱靶溅射沉积产额分布

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)皇明太阳能股份有限公司镀膜研究所 作者:孟秀清

  采用数值计算模型,计算了旋转圆柱靶溅射产额分布。数值计算中假设从靶溅射出来的粒子服从余弦函数定律。计算得到的单靶溅射产额分布和Al 靶在Ar 气压0.4Pa 测量得到的实验值基本相同。同时计算了孪生旋转圆柱靶的溅射产额分别与靶基距、靶间距,以及靶旋转角度的相关性。

  旋转圆柱靶自从在80 年代发明以来,获得了广泛的应用,同时旋转圆柱靶不断改进完善。孪生旋转圆柱靶已广泛用于沉积低辐射膜、阳光控制膜的平板玻璃镀膜线上。全玻璃真空太阳集热管的镀膜机也采用旋转圆柱靶。与平面靶比较,旋转圆柱靶有如下多项优点:靶材利用率高;靶表面没有刻蚀槽,这是由于圆柱靶在溅射运行过程中,靶芯中的磁铁固定不动,靶管旋转;在反应溅射镀膜过程中弧光放电(通常称为‘打火’)次数少。

  旋转圆柱靶溅射产额分布引起了广泛的重视。溅射粒子发射的方向与轰击粒子的能量,靶材成分,溅射气压有关。本文依照Brodied提出的理论,从靶表面溅射出的粒子服从余弦定律,进行了溅射产额分布与靶的几何参数相关性计算分析, 并与实验数据进行了比较。由于镀膜室的溅射压强一般足够低, 计算中溅射出来的粒子与气体碰撞对溅射分布影响忽略不计。

1、溅射分布数值模型

  镀膜线的圆柱靶和镀膜平面衬底横截面相对位置示意图如图1 所示。以衬底横截面线为X 轴,以靶中心与衬底的垂直线,称为靶-衬底垂线,为Y 轴,构成直角坐标系XOY,交点O 为原点。磁控溅射圆柱靶由极靴、永磁体及圆柱靶材组成。极靴沿圆周装有三排永磁体,靶运行时,永磁体固定不运动,靶管旋转。在溅射过程中,在相邻两磁体之间的靶管表面产生刻蚀。图1 中的溅射刻蚀区中点与靶中心连线定义为刻蚀点径向线。

圆柱靶和平面衬底相对几何位置示意图

图1 圆柱靶和平面衬底相对几何位置示意图

4、结论

  本文依照Brodied 提出的理论,忽略溅射粒子和其它分子碰撞,计算了旋转圆柱靶溅射产额分布,同时计算得到的产额分布与实验测量得到的进行了比较。我们通过本工作得到如下结果:

  (1) 在靶以及靶与衬底基片距离相同的几何尺寸下,计算得到的单靶溅射产额分布和Al靶在Ar 气压0.4 Pa 测量得到的实验值基本相同,这表明从靶溅射出来的Al 粒子与溅射气体的碰撞对溅射到达玻璃衬底的分布的影响可忽略不计。

  (2)孪生靶产额分布与靶基距、靶间距强烈相关。靶基距从大逐步减小,溅射产额从单峰形分布,过渡到峰顶出现平台,再出现双峰,最后双峰峰值位置对应孪生靶的两个靶中心位置。由单峰向双峰转换过程中,随着靶基距减小,整个峰形变窄。而靶间距从小逐步增加,溅射产额曲线变化过程与上面靶基距从大逐步减小类似,从单峰到双峰转换。由单峰向双峰转换过程中,随着靶间距增加,整个峰形变宽。

  (3) 孪生靶向内旋转,溅射分布宽度变窄,向外旋转,溅射分布宽度变宽。利用数值模型计算得到的溅射产额分布可以用来指导镀膜线的设计。如集热管的镀膜线设计中,可采用数值模型计算优化选择孪生靶的靶间距、靶与玻璃管衬底距离,指导镀膜室的设计,保证镀膜玻璃管外表面上太阳吸收复合膜的径向均匀性,提高玻璃管上沉积效率。

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