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研究生:郭金柱
研究生(外文):Jin-Jhu Guo
論文名稱:利用有限元素法探討真空濺鍍陰極磁控靶之磁場
論文名稱(外文):The study of magnetic field for vacuum magnetron sputtering by finite element method
指導教授:鄭博仁鄭博仁引用關係
指導教授(外文):Po-Jen Cheng
口試委員:鄭進興、王良原、鄭博仁
口試日期:2010-06-05
學位類別:碩士
校院名稱:南榮技術學院
系所名稱:工程科技研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:磁控濺鍍
外文關鍵詞:magnetron sputtering
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磁控濺鍍系統是現代最重要的鍍膜方法之一,具有濺鍍速率高、沉積速率高、基板溫度低和鍍膜的品質好等特點,然而也有靶材利用率偏低的缺點,因此如何提高靶材的利用率是當前重要的課題。本文首先探討影響磁控濺鍍靶的磁場參數,包含磁鐵形狀、高度,內外磁鐵高度與寬度差,內外磁座的高低差,添加異性與同性輔助磁鐵,這些參數做為後續改良矩形平面磁控濺鍍靶為依據,並針對現有矩形平面磁控濺鍍靶進行改良,由實驗的結果證實,經過改良後,靶材直線跑道兩側深度差異已有縮小,靶材利用率提升3.78%;另外針對改良後矩形平面磁控濺鍍靶提出一種端部的磁場改良設計,將矩形平面磁控濺鍍靶外側端部磁鐵寬度增加、內切外擴,可明顯看出外側磁場強度與內側磁場強度接近;最後提出兩種整體改良後最佳化的磁場設計,使磁場的波峰與波峰接近,且最大波峰與波谷差距在25%左右,這樣可使濺鍍過程中電漿能夠均勻轟擊靶材,靶材利用率可大幅提升,降低生產成本和增加競爭力。

關鍵字:磁控濺鍍,磁場模擬

Magnetron sputtering system is a modern one of the most important coating methods, with the high sputtering rate, high deposition rate, low substrate temperature, coating quality and good features, but the low target utilization is the disadvantage. Therefore how to improve the utilization rate target is currently important issue. This article investigates the impact of the magnetic field magnetron sputtering target parameters, including magnet shape, height and width difference between inside and outside of the magnet, magnetic seat height difference between inside and outside, add the opposite polarity and same-polarity magnet. These parameters will be used as the basis to improve a follow-up rectangular plane sputtering target. The experimental results showed that the depth of differences on both sides of the runway target line has been reduced and the target utilization rate has been 3.78% increased. To improve rectangular plane magnetron sputtering targets, a modified design of the magnetic field of the ends is proposed. The width of magnets of the lateral ends is increased, such that the magnetic field strength between inside and outside is almost the same. The process of plasma sputtering can uniformly bombard on both sides. The target utilization rate increases substantially, production cost is lower and the competitiveness is increased.

Keywords: magnetron sputtering, magnetic field simulation


目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
第一節 前言 1
第二節 研究動機 3
第三節 文獻回顧 4
第四節 論文架構 10
第二章 理論介紹 11
第一節 濺鍍理論 11
壹、直流濺鍍 12
貳、射頻濺鍍 13
參、磁控式濺鍍 13
第二節 磁場理論 15
壹、靜磁理論簡介 15
貳、磁場、磁通密度、磁場強度和相對導磁係數 15
參、永久磁鐵 16
第三節 有限元素法簡介 18
壹、基本概念 18
貳、有限元素法的分析過程 19
第三章 磁控濺鍍靶磁場模擬 21
第一節 模擬程序 21
壹、選擇分析類型 21
貳、建立幾何模型 21
參、指定材料參數 21
肆、元素選用 23
伍、設定邊界條件 24
陸、設定網格參數 25
柒、後處理 27
第二節 影響磁控濺鍍靶的磁場參數探討 28
壹、磁鐵形狀改變對磁場分佈的探討 31
貳、磁鐵高度改變對磁場分佈的探討 33
參、磁鐵內外高低差對磁場分佈的探討 34
肆、磁鐵內外寬度差對磁場分佈的探討 35
伍、磁座內外高低差對磁場分佈的探討 36
陸、添加異極性輔助磁鐵對磁場分佈的探討 37
柒、添加同極性輔助磁鐵對磁場分佈的探討 38
捌、異極性輔助磁鐵兩側添加導磁塊對磁場分佈的探討 39
第三節 矩形磁控濺鍍靶磁場模擬分析 40
壹、2D矩形平面磁控濺鍍靶磁場模擬 42
貳、3D矩形平面磁控濺鍍靶磁場模擬 44
參、直線跑道改良後的矩形平面磁控濺鍍靶之磁場模擬 50
肆、端部改良後的矩形平面磁控濺鍍靶之磁場模擬 54
伍、整合直線及端部的矩形平面磁控濺鍍靶之磁場模擬最佳化 57
第四章 實驗結果 61
第一節 磁場的量測 61
壹、磁場量測儀器的介紹 61
貳、磁控濺鍍靶的磁場量測 62
第二節 矩形磁控濺鍍靶實驗測試 67
壹、實驗機台介紹 67
貳、改良前矩形平面磁控濺鍍靶的測試 68
參、改良後矩形平面磁控濺鍍靶的測試 70
第五章 結論與未來展望 73
第一節 結論 73
第二節 未來展望 75
表目錄
表3-1 銣鐵硼系磁鐵材質特性表(註1) 22
表3-2 釤鈷系磁鐵材質特性表(註1) 22
表3-3 網格參數 27
表3-4 模擬矩形平面磁控濺鍍靶材料參數 42
表4-1 矩形磁控濺鍍靶面磁場整體量測數據 63

圖目錄
圖1-1 未添加分流和添加分流兩種設計的比較 4
圖1-2 磁控濺鍍陰極結構示意圖 5
圖1-3 靶材表面水平磁場強度 (a)未添加強磁性鐵鎳合金 (b)添加強磁性鐵鎳合金 5
圖1-4 傾斜式結構 6
圖1-5 添加外加磁場結構示意圖 6
圖1-6 添加外加磁場靶材侵蝕示意圖 7
圖1-7 旋轉磁鐵的結構 (a)傾斜 (b)中心磁鐵偏移 (c)傾斜加中心磁鐵偏移 7
圖1-8 添加數個磁鐵的磁場分佈 8
圖1-9 新型的矩形平面磁控濺鍍陰極靶 8
圖2-1 直流氣體放電示意圖 11
圖2-2 氣體放電的電壓、電流特性圖 12
圖2-3 磁控濺鍍原理示意圖 14
圖2-4 永久磁鐵磁滯曲線圖 17
圖2-5 有限元素軟體程式執行流程圖 19
圖3-1 材料參數設定 22
圖3-2 磁鐵材料B-H曲線圖 23
圖3-3 Plane13元素示意圖 23
圖3-4 Solid98元素示意圖 24
圖3-5 未添加與添加遠場單元的結構圖 25
圖3-6 未添加與添加遠場單元的磁場大小 25
圖3-7 網格大小不同靶面的磁場分佈 26
圖3-8 網格劃分分佈圖 27
圖3-9 磁鐵排列和磁力線分佈圖 29
圖3-10 靶材侵蝕侵蝕輪廓圖 29
圖3-11 理想的磁力線與磁場分佈 30
圖3-12 磁鐵斜面示意圖 31
圖3-13 未添加絕對值的磁鐵斜面角度改變之水平磁場分佈 32
圖3-14 添加絕對值的磁鐵斜面角度改變之水平磁場分佈 32
圖3-15 磁鐵高度改變示意圖 33
圖3-16 磁鐵高度改變對靶材表面水平磁場的影響 33
圖3-17 磁鐵內外高低差改變示意圖 (a)內高外低 (b)內低外高 34
圖3-18 磁鐵內外高低差改變對靶材表面水平磁場的影響 34
圖3-19 磁鐵內外寬度改變示意圖 (a)內窄外寬 (b)內寬外窄 35
圖3-20 磁鐵內外寬度差改變對靶材表面水平磁場的影響 35
圖3-21 磁座內外高低差改變示意圖 (a)內低外高 (b)內高外低 36
圖3-22 磁座內外高低差改變對靶材表面水平磁場的影響 36
圖3-23 添加異性輔助磁鐵示意圖 37
圖3-24 異極性輔助磁鐵長度改變對靶材表面水平磁場的影響 37
圖3-25 添加同極性輔助磁鐵示意圖 38
圖3-26 同極性輔助磁鐵長度改變對靶材表面水平磁場的影響 38
圖3-27 異極性輔助磁鐵兩側添加導磁塊示意圖 39
圖3-28 異極性輔助磁鐵兩側添加導磁塊長度改變對靶材表面水平磁場的影響 39
圖3-29 傳統矩形平面磁控濺鍍靶的磁鐵分佈結構 40
圖3-30 現有矩形平面磁控濺鍍靶剖面圖 41
圖3-31 現有矩形平面磁控濺鍍靶的磁鐵分佈立體圖 41
圖3-32 矩形平面磁控濺鍍靶2D模擬示意圖 43
圖3-33 矩形平面磁控濺鍍靶2D水平磁場分佈 43
圖3-34 內側磁場強度增大示意圖 44
圖3-35 矩形平面磁控濺鍍靶3D模擬示意圖 45
圖3-36 改良前矩形平面磁控濺鍍靶磁場分量圖 (a) 水平分量 (b) 縱向分量 (c) 垂直分量 47
圖3-37 現有矩形平面磁控濺鍍靶2D與3D模型靶面水平磁場分佈 47
圖3-38 上層導磁塊向量分佈圖 (a)2D上層導磁塊的向量分佈 (b)3D上層導磁塊的向 量分佈 48
圖3-39 未添加上層磁組矩形平面磁控濺鍍靶2D與3D結構圖 49
圖3-40 未添加上層磁組矩形平面磁控濺鍍靶2D與3D的水平磁場分佈 49
圖3-41 矩形平面磁控濺鍍靶3D端部磁場分佈 50
圖3-42 改善兩段直線的模擬結構設計 (a)原始結構 (b)上層磁組對稱結構 (c)磁座寬度修改 (d)磁鐵高度修改 51
圖3-43 改善後靶材表面直線跑道的磁場分佈圖 52
圖3-44 直線跑道改良後的矩形平面磁控濺鍍靶磁場分量圖 (a)水平分量 (b)縱向分量 (c)垂直分量 53
圖3-45 改良後矩形平面磁控濺鍍靶端部的模擬結構設計 (a)原始端部結構 (b)外側端部磁鐵寬度增加,內切外擴 (c)外側端部磁鐵寬度增加,外切內擴 (d)外側端部磁鐵和磁座寬度增加,內切外擴 (e)外側端部磁鐵和磁座寬度增加,外切內擴 (f)內側端部磁鐵寬度增加,內切外擴 55
圖3-46 改良後矩形平面磁控濺鍍靶端部的磁場分佈 55
圖3-47 端部改良後矩形平面磁控濺鍍靶磁場分量圖 (a)水平分量 (b)縱向分量 (c)垂直分量 57
圖3-48 最佳化設計截面圖 (a)第一種設計 (b)第二種設計 58
圖3-49 最佳化設計立體圖 (a)第一種設計 (b)第二種設計 59
圖3-50 最佳化靶材表面直線跑道的磁場分佈圖 60
圖3-51 最佳化靶材表面端部的磁場分佈圖 60
圖4-1 高斯計 61
圖4-2 矩形磁控濺鍍靶整體量測位置 62
圖4-3 矩形磁控濺鍍靶實驗與模擬的磁場分佈 (a) A段量測區域 (b) B段量測區域(c)D段量測區域 (d) E段量測區域 (e) C段量測區域 (f) F段量測區域 66
圖4-4 矩形磁控濺鍍靶單一磁鐵量測數據 66
圖4-5 連續式濺鍍系統架構 67
圖4-6 改良前靶材測試過程中靶材侵蝕深度變化 (a)511.8KW×hr (b)1194.5KW×hr 68
圖4-7 改良前靶材直線跑道侵蝕圖 69
圖4-8 改良前靶材使用後剩餘的重量 69
圖4-9 改良後靶材測試過程中靶材侵蝕深度變化 (a)551.2KW×hr (b)1211.6KW×hr 71
圖4-10 改良後靶材直線跑道侵蝕圖 71
圖4-11 改良後靶材使用後剩餘的重量 72


參考文獻
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