マグネトロンスパッタリングコーティングの厚さ均一性のための設計法

- Mar 01, 2019-

マグネトロンスパッタリングコーティングの厚さ均一性のための設計法

 

マグネトロンスパッタリングコーティングは現代の産業において不可欠な技術の一つです。 マグネトロンスパッタリングコーティング技術は、透明導電性フィルム、光学フィルム、超硬質フィルム、腐食防止フィルム、磁性フィルム、反射防止フィルム、反射防止フィルムおよび様々な装飾フィルムにおいて広く使用されている。 それは国家防衛および国家経済生産においてますます強力な役割を果たしています。 コーティングプロセスにおける膜厚均一性、堆積速度およびターゲット材料利用率の問題は、実際の製造において非常に重要である。 これらの問題を解決する方法は、スパッタリング堆積のプロセスに含まれるすべての要因の全体的な設計を最適化し、スパッタリングコーティングのための包括的な設計システムを確立することです。 膜厚均一性は、スパッタリング堆積のプロセスにおいて最も重要なパラメータの1つであるので、膜厚均一性の包括的な設計を研究することは大きな理論的および実用的価値がある。

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マグネトロンスパッタリング技術の開発中、様々な技術におけるブレークスルーは一般にプラズマの発生およびプラズマの制御に焦点を合わせている。 電磁場、温度場および空間における異なる種類の粒子の分布パラメータを制御することによって、フィルムの品質および特性は様々な産業の要求を満たすことができる。

 

膜厚の均一性は、ターゲットのエッチング状態やターゲットの電磁界設定など、マグネトロンスパッタリングターゲットの動作状態と密接に関係している。したがって、膜厚の均一性を確実にするために、異物膜準備会社またはコーティング装置製造会社は、コーティング装置のための独自の完全な設計スキームセットを持っています(コアコンポーネント「ターゲット」を含む)。 同時に、機器の最適化設計に対する顧客の要求に応じて、ターゲット分析、設計および製造、そして関連するアプリケーション設計ソフトウェアの開発を専門とする多くの会社があります。 塗装機器の分析と設計には、国内と国際の先進レベルの間にまだ大きなギャップがあります。

 

したがって、スパッタリングコーティングのための包括的な設計システムを確立することが不可欠です。 システムの確立は、デザインの一部に対する全体的な包括的デザインに従って、そして次に全体的な包括的デザインに徐々にデザインの一部によって、すなわち「全体に向けて、そして次に全体に向けて」実行することができる。全体 "この動的な設計コンセプトは、常に設計システムを改善します。 スパッタコーティングは、関連する重要な要素をリストアップし、それらの間の内部リンクを見つけ、それからスパッタリングコーティング、膜厚均一性の研究に基づいた包括的な設計システムを確立し、設計システムソフトウェアの最近の段階で先取りを行い、準備を実行する。薄膜均一性良好なフィルム大面積の、生産のための強力な保証を提供します。

 

1.システム特性の設計

 

スパッタリング膜厚均一性は、コーティングプロセスのすべての側面を含む、コーティングプロセスの間接測定の最終基準の1つです。 そのため、膜厚均一性に優れた高品質な膜を作成し、スパッタ膜のあらゆる側面を分類・要約・要約して、それらの内部関係を知るためには、スパッタ膜厚均一性の総合設計システムを構築する必要がある。 一般的に言って、デザインシステムの確立はその基本的な組織的枠組みを決定するために一定の原則を持つべきです。 その性質は、次の4つの側面から説明されています このプロジェクトのために、システムは工業用フラット基板上のスパッタリングフィルムの基本的プロセス要求、すなわちスパッタリングフィルムプロセスの共通問題を満たすことができる。 (2)特殊性:最良の適用性を達成するための特定の研究目的のためのシステム。 大面積のフラット基板スパッタリングフィルムの場合、スパッタリングフィルムのサイズ効果が、フィルムの均一性、基板の加熱の均一性、材料の線膨張および変形、ターゲット表面の電流分布、ガス分布などのシステムの重要な部分になることを意味します。電磁界分布 この一連の問題は、サイズ効果によって際立っています。 そのため、サイズ効果はシステムのパーソナリティ問題になります。 (3)開放性:システムの各部分は有機的な組み合わせと継続的な開発です。 技術の進歩に伴い、システムの全体的な性能を向上させるために、機能の各部分はさらに開発されるでしょう。 自動制御技術の開発はシステムを強力にする:スパッタリングプロセスにおけるプラズマスペクトルの監視技術と電磁場の制御能力はシステムが全体のスパッタリングプロセスのパラメータを最大限に制御し、微細設計を実現することを可能にする。 システムの開放性は水平展開に属します。 (4)継承:システムはある程度発達し、それは質的変化の過程への量的変化によって起こります。 baowangの本来の機能に基づいて、システムは絶えず改良され改良されています。 薄膜作製技術は理論の発展とともに発展するでしょう。 非平衡マグネトロンスパッタリングおよびプラズマに関する理論的研究は、スパッタリング技術のさらなる発展を促進した。 それからシステムは新しい機能を達成するために改善される。 継承はシステムの垂直的発展です。

 

設計システムの確立

 

一般に、システムの一部の強化は全体的な機能の強化につながりますが、いくつかの部分へのシステムの依存は減少します。あるいは、システムの2つの重要な要素の有機的な組み合わせ1部。 統合設計システムの確立はシステムの各部分の内部論理関係の研究に役立つ。

 

大面積スパッタリングコーティングの包括的な設計システムは、3つの部分に分けることができます。図1を参照して、コーティング装置のTプロセス設計、コーティングプロセスの設計、および各プロセスのコンピュータ数値シミュレーション設計。 各部分は何千もの側面に分割されており、それらの部分は相互に作用します。 システムの複雑さのために、システムの第一段階は、その実用性を改善するために設計パラメータを単純化するために確立されるべきである。

 

2.1コーティング装置の工学設計

 

スパッタリングコーティングについては、真空システム、電磁場、ガス分布、熱システムおよび他の局面から計算することができる。 図2に示すように、機械製造と制御はエンジニアリング設計プロセス全体を通して実行されます。

 

2.1.1真空システム

 

真空システム設計は比較的成熟した設計部分であり、主に次の4つの部分から構成されています。

(1)チャンバー構造 - その設計形式はシステムの動作モードによって設定されます。 真空室は単一の部屋、複数の部屋および生産ラインとして設計することができます。 平坦な基板を製造するチャンバについては、処理技術の実現可能性および単純さを考慮しながら、強度、剛性、安定性および他の最適化設計が行われるべきである。

(2)材料の選択 - 真空プロセスの要件に従って、低飽和蒸気圧、良好な熱的および化学的安定性、容易な脱ガスおよび低通気性の要件を満たす材料を選択してください。 例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム合金、嫌気性銅など。 大型装置の場合、装置または可動部品の全重量を軽減するために、アルミニウム合金および他の軽金属材料の選択を優先することができる。

(3)真空部品の設計 - 真空シール、電極導入、パイプラインおよびバルブなど。さまざまなプロセス条件で使用される真空エレメントは異なります。

(4)真空ポンプと真空ゲージの選択 - 一般的な技術要件に従って設計することができます。 正確な設計は、真空チャンバ内のプロセスガス密度分布の定量的計算を必要とする。 異なる種類のガスおよび異なる真空チャンバ洗浄要件は、異なる真空ポンプおよび真空計を選択する必要がある。 真空ポンプの戻り油は基板を汚染し、酸素のような反応ガスはポンプ油を酸化する。 したがって、ドライオイルフリーの真空ポンプがしばしば真空ポンプシステムとして選択されます。

 

2.1.2電磁界

 

比較的正確な電磁場設計は、マグネトロンスパッタリング装置が機能していないときの電磁場を単にシミュレートするのではなく、スパッタリングの過程で電磁場をシミュレートすることである。

 

電源の選択:「電源」の選択は、電源、RF電源の場合、異なるプロセス、一般的なDC電源に従って決定する必要があり、ハイブリッド電源のさまざまな電源モードを実現することができます。

 

材料の選択:rf電源については、有人電力とマッチングは非常に重要な問題です。 高出力高周波電源の電極装填材料は、高い表面導電性および良好な化学的安定性を必要とする。 磁気制御ターゲット内の材料は、透磁率のレベルに従って分割することができる。 磁気ブーツは高透磁率材料であり、一般に純粋な工業用鉄です。

 

アノードとシールド:安定したスパッタリングプロセスを確実にするために、アノードの設計において、スペースの位置、電位関係、サイズと面積、そしてアノードの材料特性を考慮する必要があります。 シールドの設計では、ターゲット以外の材料がスパッタされて膜が汚染されるのを防ぐために、電界設計と電位関係を最初に考慮する必要があります。 第二に、遮蔽材料の性能を考慮して、低い飽和蒸気圧、高いスパッタリングしきい値を有し、真空プロセスの要求に適合する材料が一般に選択される。

 

2.1.3ガス分配

 

ガスの分配は版支持体被覆にとって極めて重要である。 機械的構造設計を通して、ガス密度の変化率はスパッタリング堆積領域内で最小化され、領域外では、システムのフローガイドは最大化されてガスの利用率および抽出システムの効率を改善する。 ガス分配を制御する機械部品または構造は、空気分配システム、真空チャンバの構造およびポンピングシステムを含む。

 

2.1.4暖房システム

 

ベーキングおよびフィルム成長の真空システムを満たすための加熱システムは温度条件を必要とした。

上記の4つの側面、および説明されていないその他の側面はすべて、機械的製造と制御の2つの側面を含んでいるため、被削性や応答時間などの要素を考慮する必要があります。

 

2.2コーティング工程設計

 

異なる膜材料間では、異なる堆積プロセス、異なるスパッタリング技術の実施(dc、中間周波数、無線周波数、パルス、反応スパッタリング、およびそれらの間の組み合わせおよび技術の開発、あるいは新しい技術の適用)が必要と考えられるべきである。 、など)、異なるプロセスパラメータ(電力、気圧、堆積方法など)の同じ技術調整、前処理(洗浄、予熱など)、再処理、熱処理など)。

 

コーティングの全プロセスは、図3を参照して、4つの比較的独立したプロセスに分けられる。一般的に言えば、プラズマ、ターゲット表面および基板状態変化を含むパラメータは、プロセスにおいて制御される必要があるパラメータである。

 

ガス放電:グロー放電はプラズマを発生させ、作動ガスを解離させ、陽イオンを発生させ、そして二次電子放出および他の現象を伴って電界の作用下で陰極を衝撃させる。 グロー放電プラズマの研究は、スパッタリング堆積プロセスを研究する唯一の方法です。

 

スパッタリング衝突:一般に、スパッタリング衝突は、荷電イオンとターゲットの表面粒子との間の相互作用、およびターゲット原子および原子クラスタの生成過程を研究することである。 最も広く使用されている理論はカスケード衝突理論です。 SRIMおよび他の成熟したシミュレーションソフトウェアは、スパッタリングシミュレーションのプロセスにおいて広く使用されてきた。

 

輸送過程:エネルギーと運動量の変化を伴う一定の初速度での基板や他の表面へのターゲット原子の移動、そして最終的には正味の方向輸送量(粒子数)。 外場(質量、運動量、エネルギー)の作用下では、輸送過程はより複雑になります。 MCおよび他の方法(PIC、CIC、CFDなど)が、基板上に堆積した粒子の数を得るために一般的に使用されている。 単純化された粒子輸送計算方法は、堆積粒子を速い粒子(衝突なし、基板表面への直接)と遅い粒子(衝突、基板表面への拡散移動)に分割する。 ガス加熱、薄化およびスパッタ風(高エネルギー中性粒子)の影響は、衝突によるガスと高エネルギー粒子との間の運動量およびエネルギー交換の結果である。

 

膜成長:基板上の標的原子の拡散、移動および凝集は、最終的には膜の成長をもたらす。 薄膜の特性は、基板の温度、格子定数、表面状態および電磁場と密接に関係しています。 フィルムの特性は、アニーリングのような後の段階でのフィルムの処理によって深刻な影響を受ける。 MCおよび他の方法は一般に薄膜の成長をシミュレートするために使用される。 同時に、いくつかの会社はプロのソフトウェア膜システム設計を達成することができます。

 

2.3数値シミュレーション設計

 

図4に示すように、スパッタリング堆積のプロセスをコンピュータシミュレーションによって再現し、設計結果を表示および分析してエンジニアリングおよびプロセス設計を最適化しました。

 

エンジニアリング設計はパラメトリック設計を達成することができます:既存の商用ソフトウェアの使用:Pro / E、UG、Ansysおよび他の二次開発。 プロセス設計は、プロセスを分析および最適化し、プロセスに対する機械的構造の影響を分析するために既存のソフトウェアを設計または使用することによってスパッタリングプロセスをシミュレートすることです。

 

設計プロセスは、機械的構造の3Dモデリングおよび機械的総合性能解析(エンジニアリング設計の一部)、プロセスのリアルタイムシミュレーションおよび電磁場、熱場および粒子空間分布の解析を実現するための一般設計ソフトウェアに開発されます。プロセスと機械構造の最適化のためのシミュレーションプロセスの可視化。 他のソフトウェアとデータを交換することができます。

 

さらなる発展は、人的要因を最大限排除するために、全体設計プロセスを部分設計から全体設計に移すことです。 エキスパートシステム、パラメトリック設計、自動制御および遠隔操作を備えたインテリジェントソフトウェアシステムを開発します。

 

コーティング装置の工学設計、コーティングプロセスの設計、および両者のコンピュータ数値シミュレーションは互いに補完的である。コーティング装置はコーティングプロセスの実現を決定し、コーティングプロセスはコーティング装置のグレードアップを促進する。そして高性能コンピュータシミュレーション設計は、2つの設計を強力にサポートします。