磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计
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Keywords：Clindrical Rotating Target；Magnetron Sputtering；Magnetic Field Simulation；Cooling and Heat Transfer；Structure Design
致谢
三年的学习和科研工作，不仅使我的知识结构和研究能力上了一个新台阶，更重 要的是，综合素质得到了提高。而这一切，都要归功于陈长琦教授的深切教诲与热情 鼓励。陈老师知识渊博，待人和蔼，诲人不倦。值此论文顺利完成之际，首先向我的 导师陈老师表达深深的敬意和无以言表的谢意。
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究 与结构设计
Key Technology and Structure Design of Cylindrical Rotating Cathode Target for Magnetron Sputtering
作者姓名 学位类型 学 科、专 业 研究方向 导师及职称
作者：穆怀普 2012 年 4 月 29 日
目录
第一章 绪论 .......................................................................................................................... 1
衷心地感谢真空教研室其他老师对我的教诲与帮助。 还要感谢 611 真空实验室的兄弟姐妹，是你们必言多，深深地感谢您们的养育之恩，多年来含辛茹苦，一直鼓励我 学有所成。感谢我的岳父、岳母平日里对我无微不至的照顾。特别感谢我的妻子，是 你始终如一默默的体贴、信任和鼓励我，让我有一个温馨的家庭，用一种舒适的心情 去面对困难。还有我的其他亲人们，感谢你们对我的关心。 最后，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意！
On the basis of cylindrical rotating magnetron sputtering cathode operating principle, according to the magnetic field analysis and optimization results, and heat exchange parameters through the analysis and calculation, designed a new structure. With ANSYS finite element method to analyze the deformation calculation, and the result shows that the magnetic field structure deformation by gravity does not affect the magnetic field distribution. In addition to the key
1.1 引言 ........................................................................................................... 1 1.2 旋转靶的发展概况..................................................................................... 1 1.3 本课题的来源、目的及研究意义 .............................................................. 4
Firstly, the 2D magnetic field distribution law on the target surface of magnetic field component Bx, which perpendiculars to the direction of the electric field was simulated and calculated by ANSYS finite element method. The magnetic field strength was improved, and the target materials was covered with the sputtering surface area was expanded, by changing the wide and height of the magnet, the angle between the magnets, and setting up mobile magnetism baffle plates. It provides theory basis for the following magnetic field structure design .
structures have been analyed and design calculated,including the configuration of driving motor, synchronous belt transmission, bearings, support end, vacuum static sealing and magnetic fluid sealing. Finally complete with the design of cylindrical rotating target for industrial production, for the further development and the large area film production on magnetron sputtering reliable operation provide technical support.
关键词：旋转靶；磁控溅射；磁场模拟；冷却换热；结构设计
Key Technology and Structure Design of Cylindrical Rotating Cathode Target for Magnetron Sputtering
ABSTRACT
Cylindrical rotating cathode target for magnetron sputtering (cylindrical rotating target) since the invention to now, has been widely used in industrial area functional film production preparation. Although after decades of development and innovation, there are still some problems in industrial production. For example, the magnetic field distribution on the target surface which vertical electric field was uneven, causing the target materials was sputtered etching don't even, making the target material utilization ratio decreased.The design of the cooling water circulation system is not reasonable, makes the cooling heat transfer is not enough, causing its working poor stability, finally affects the coating quality. The key technologies of the system has been research based on the glow discharge, magnetron sputtering, plasma, electromagnetic field and heat transfer theory. Realized industrialized scale production of a new type of magnetic field structure with the design of cylindrical rotating target of the research objective.
穆怀普 工程硕士 机械工程 流体传动与控制 陈长琦 教授
2012 年 4 月
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计
摘要
磁控溅射旋转圆柱阴极靶（简称旋转靶）自发明至今，已经被广泛的应用 于工业化制备大面积功能薄膜的生产中。虽然经历了几十年的发展和创新，旋 转靶在工业生产中仍然存在着如下问题：在靶材表面上垂直于电场的磁场分布 不均匀，造成靶材被溅射刻蚀不均匀，使靶材利用率降低；阴极冷却换热参数 设 置 不 合 理 ，使 得 靶 不 能 充 分 冷 却 ，造 成 其 工 作 稳 定 性 差 ，最 终 影 响 镀 膜 质 量 。 论文基于辉光放电、磁控溅射、等离子体、电磁场和传热学的基本理论，对旋 转靶的关键技术进行了系统的研究。实现了工业化规模生产用的一种新型磁场 结构的旋转靶设计的研究目标。
Secondly,the generation on cathode target has been calculated,and the steady-state work of heat transfer process has been analyed ,including conduction, convection and radiation three ways, through the calculation of steady work to get heat parameters. It provides the basis for the following structure design .
首先，利用 ANSYS 有限元方法模拟计算，得到了旋转靶磁控阴极垂直于 电场方向的磁场分量 Bx 在靶材表面上的二维磁场分布规律。并通过改变磁铁 的宽和高、磁铁间夹角等关键参数，以及在两边磁铁与靶材间设置可移动磁性 挡板等方法来提高 Bx 的磁场强度和扩大靶材被溅射所覆盖的表面积。
其 次 ，计 算 了 阴 极 靶 产 生 的 热 量 ，分 析 了 稳 态 工 作 时 的 换 热 过 程 包 括 传 导 、 对流、辐射三种方式，通过计算得到旋转靶稳态工作时的换热参数，为旋转靶 的设计提供了依据。
1.3.1 课题的来源 .......................................................................................... 4 1.3.2 课题的目的 .......................................................................................... 4 1.3.3 课题的研究意义 .................................................................................. 4 1.4 论文的主要研究内容 ................................................................................. 4 1.4.1 论文的主要工作 .................................................................................. 4 1.4.2 论文的基本结构 .................................................................................. 4
基于旋转靶磁控溅射的工作原理和磁场分析与优化结果，以及确定的换热 参数设计了磁场结构，并用 ANSYS 有限元方法分析计算了其受力变形，结果 表明磁场结构受重力变形不影响磁场分布。此外还对驱动电机的配置、同步带 传动、轴承、支撑端、真空静密封和磁流体密封等关键结构进行了相应的分析 和设计计算。最终完成工业化生产用旋转靶的设计，为磁控溅射旋转圆阴极靶 的进一步开发和磁控溅射大面积薄膜生产运行可靠提供了技术支撑。
致谢
三年的学习和科研工作，不仅使我的知识结构和研究能力上了一个新台阶，更重 要的是，综合素质得到了提高。而这一切，都要归功于陈长琦教授的深切教诲与热情 鼓励。陈老师知识渊博，待人和蔼，诲人不倦。值此论文顺利完成之际，首先向我的 导师陈老师表达深深的敬意和无以言表的谢意。
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究 与结构设计
Key Technology and Structure Design of Cylindrical Rotating Cathode Target for Magnetron Sputtering
作者姓名 学位类型 学 科、专 业 研究方向 导师及职称
作者：穆怀普 2012 年 4 月 29 日
目录
第一章 绪论 .......................................................................................................................... 1
衷心地感谢真空教研室其他老师对我的教诲与帮助。 还要感谢 611 真空实验室的兄弟姐妹，是你们必言多，深深地感谢您们的养育之恩，多年来含辛茹苦，一直鼓励我 学有所成。感谢我的岳父、岳母平日里对我无微不至的照顾。特别感谢我的妻子，是 你始终如一默默的体贴、信任和鼓励我，让我有一个温馨的家庭，用一种舒适的心情 去面对困难。还有我的其他亲人们，感谢你们对我的关心。 最后，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意！
On the basis of cylindrical rotating magnetron sputtering cathode operating principle, according to the magnetic field analysis and optimization results, and heat exchange parameters through the analysis and calculation, designed a new structure. With ANSYS finite element method to analyze the deformation calculation, and the result shows that the magnetic field structure deformation by gravity does not affect the magnetic field distribution. In addition to the key
1.1 引言 ........................................................................................................... 1 1.2 旋转靶的发展概况..................................................................................... 1 1.3 本课题的来源、目的及研究意义 .............................................................. 4
Firstly, the 2D magnetic field distribution law on the target surface of magnetic field component Bx, which perpendiculars to the direction of the electric field was simulated and calculated by ANSYS finite element method. The magnetic field strength was improved, and the target materials was covered with the sputtering surface area was expanded, by changing the wide and height of the magnet, the angle between the magnets, and setting up mobile magnetism baffle plates. It provides theory basis for the following magnetic field structure design .
structures have been analyed and design calculated,including the configuration of driving motor, synchronous belt transmission, bearings, support end, vacuum static sealing and magnetic fluid sealing. Finally complete with the design of cylindrical rotating target for industrial production, for the further development and the large area film production on magnetron sputtering reliable operation provide technical support.
关键词：旋转靶；磁控溅射；磁场模拟；冷却换热；结构设计
Key Technology and Structure Design of Cylindrical Rotating Cathode Target for Magnetron Sputtering
ABSTRACT
Cylindrical rotating cathode target for magnetron sputtering (cylindrical rotating target) since the invention to now, has been widely used in industrial area functional film production preparation. Although after decades of development and innovation, there are still some problems in industrial production. For example, the magnetic field distribution on the target surface which vertical electric field was uneven, causing the target materials was sputtered etching don't even, making the target material utilization ratio decreased.The design of the cooling water circulation system is not reasonable, makes the cooling heat transfer is not enough, causing its working poor stability, finally affects the coating quality. The key technologies of the system has been research based on the glow discharge, magnetron sputtering, plasma, electromagnetic field and heat transfer theory. Realized industrialized scale production of a new type of magnetic field structure with the design of cylindrical rotating target of the research objective.
穆怀普 工程硕士 机械工程 流体传动与控制 陈长琦 教授
2012 年 4 月
磁控溅射旋转圆柱阴极靶关键技术的研究与结构设计
摘要
磁控溅射旋转圆柱阴极靶（简称旋转靶）自发明至今，已经被广泛的应用 于工业化制备大面积功能薄膜的生产中。虽然经历了几十年的发展和创新，旋 转靶在工业生产中仍然存在着如下问题：在靶材表面上垂直于电场的磁场分布 不均匀，造成靶材被溅射刻蚀不均匀，使靶材利用率降低；阴极冷却换热参数 设 置 不 合 理 ，使 得 靶 不 能 充 分 冷 却 ，造 成 其 工 作 稳 定 性 差 ，最 终 影 响 镀 膜 质 量 。 论文基于辉光放电、磁控溅射、等离子体、电磁场和传热学的基本理论，对旋 转靶的关键技术进行了系统的研究。实现了工业化规模生产用的一种新型磁场 结构的旋转靶设计的研究目标。
Secondly,the generation on cathode target has been calculated,and the steady-state work of heat transfer process has been analyed ,including conduction, convection and radiation three ways, through the calculation of steady work to get heat parameters. It provides the basis for the following structure design .
首先，利用 ANSYS 有限元方法模拟计算，得到了旋转靶磁控阴极垂直于 电场方向的磁场分量 Bx 在靶材表面上的二维磁场分布规律。并通过改变磁铁 的宽和高、磁铁间夹角等关键参数，以及在两边磁铁与靶材间设置可移动磁性 挡板等方法来提高 Bx 的磁场强度和扩大靶材被溅射所覆盖的表面积。
其 次 ，计 算 了 阴 极 靶 产 生 的 热 量 ，分 析 了 稳 态 工 作 时 的 换 热 过 程 包 括 传 导 、 对流、辐射三种方式，通过计算得到旋转靶稳态工作时的换热参数，为旋转靶 的设计提供了依据。
1.3.1 课题的来源 .......................................................................................... 4 1.3.2 课题的目的 .......................................................................................... 4 1.3.3 课题的研究意义 .................................................................................. 4 1.4 论文的主要研究内容 ................................................................................. 4 1.4.1 论文的主要工作 .................................................................................. 4 1.4.2 论文的基本结构 .................................................................................. 4
基于旋转靶磁控溅射的工作原理和磁场分析与优化结果，以及确定的换热 参数设计了磁场结构，并用 ANSYS 有限元方法分析计算了其受力变形，结果 表明磁场结构受重力变形不影响磁场分布。此外还对驱动电机的配置、同步带 传动、轴承、支撑端、真空静密封和磁流体密封等关键结构进行了相应的分析 和设计计算。最终完成工业化生产用旋转靶的设计，为磁控溅射旋转圆阴极靶 的进一步开发和磁控溅射大面积薄膜生产运行可靠提供了技术支撑。