ITO真空濺射鍍膜

1、第四章 真空濺射鍍膜 Vacuum Sputtering Coating 教學(xué)重點(diǎn)：濺射鍍膜原理；磁控濺射靶；靶的磁場(chǎng)分布計(jì)算；典型鍍膜機(jī) 4.1 濺射技術(shù) Sputtering Technique 1）定義： 濺射用荷能粒子（氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象及過(guò)程。被轟擊物體處于負(fù)電位，故稱為“陰極濺射”。 濺射鍍膜中，被轟擊物體稱為“靶”。2) 理論蒸發(fā)論動(dòng)能論，溫度論； 濺射論動(dòng)量論； 混合論。3）參數(shù) 濺射率 = 濺射出的靶材原子數(shù) / 入射正離子數(shù)影響因素：靶材成分原子序數(shù)大，大；入射正離子種類惰性氣體大，常用氬氣Ar；正離子入射角度7080時(shí)有最大值；P

2、92 Fig 4-4靶材溫度低溫時(shí)不變，高溫時(shí)劇增；P92 Fig 4-54）特點(diǎn)： 可控性好，重復(fù)性好；膜的附著強(qiáng)度高：濺射粒子能量高幾十幾eV，對(duì)比 蒸發(fā)粒子0.幾eV； 可形成偽擴(kuò)散層； 等離子體的清洗和激活基體表面作用； 附著不牢的粒子被清除掉。膜材成分廣泛：靶材種類塊體、顆粒、粉體；單質(zhì)、化合物、混合物； 膜材成分單質(zhì)膜、化合物膜、混合物膜、多層膜、反應(yīng)膜；組分基本不變，偏析小，不受熔點(diǎn)限制；成膜速率比蒸發(fā)鍍膜低，基片溫升高，受雜質(zhì)氣體影響嚴(yán)重。5）方式：（普通）直流濺射二級(jí)濺射、三級(jí)或四級(jí)濺射（直流）磁控濺射高頻濺射射頻濺射反應(yīng)濺射 要點(diǎn)：彈粒子入射成分 惰性氣體Ar+ 來(lái)源 氣體

3、放電 要求 處于濺射能量閾 低壓氣體環(huán)境（輸運(yùn)過(guò)程的要求）4.2 直流濺射鍍膜 D.C. Sputtering Technique 1）二極濺射 原理：異常輝光放電產(chǎn)生正離子結(jié)構(gòu)：鍍膜室 基片架及基片濺射靶 加熱裝置（促進(jìn)發(fā)射電子） 充氣系統(tǒng)工作氣體Ar氣，反應(yīng)氣體抽氣系統(tǒng)本底真空 10-3Pa，工作真空 110Pa電氣系統(tǒng)放電電源缺點(diǎn)：參數(shù)不能單獨(dú)控制，靶材必須為良導(dǎo)體，且易于發(fā)射電子沉積速率低 基片溫升高（電子轟擊）2）三極（四極）濺射 結(jié)構(gòu) 陰極、陽(yáng)極間形成放電，產(chǎn)生等離子體，其中的正離子轟擊低電位的靶（第三極），將其濺射沉積在對(duì)面的基片上（無(wú)電位）。加穩(wěn)定性電極（第四極）改進(jìn)：放電不依

4、賴陰極的二次電子發(fā)射， 正離子、濺射速率由熱陰極的發(fā)射電流來(lái)控制 可控性和重復(fù)性好4.3 （直流）磁控濺射鍍膜 Magnetron Sputtering Technique 利用磁場(chǎng)控制電子的運(yùn)動(dòng) 1）磁控原理：電子在靜止電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電子速度：V/ 平行于B的速度分量，產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)；V垂直于B的速度分量，產(chǎn)生回旋運(yùn)動(dòng)；合成螺旋運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑回轉(zhuǎn)周期無(wú)平行電場(chǎng)時(shí)的節(jié)距： BvqBvmRBqBmT22BvTvh/2有平行電場(chǎng)時(shí)的節(jié)距： B/E，且B、E均勻 B、E反向 電子被加速 電子回旋的螺距增大B、E同向 電子被減速 電子回旋的螺距減小 有正交電場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng) BE 且B、E均勻 擺線軌跡（直線運(yùn)

5、動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)的合成） 電子在第三軸方向行走，在E方向僅有限高度擺線軌跡（旋輪線半徑） m式中e 電子電荷量C；m電子質(zhì)量kg；B磁感應(yīng)強(qiáng)度T；E電場(chǎng)強(qiáng)度V/m。 2eBmEre應(yīng)用實(shí)例：平面電極均勻正交電磁場(chǎng) 平面磁控靶 同軸圓柱電極徑向電場(chǎng)軸向磁場(chǎng) 同軸圓柱靶 磁控的目的：利用磁場(chǎng)的束縛效應(yīng)，使電子軌跡加長(zhǎng)，使放電可以在較低的電壓和氣壓條件下維持。磁控濺射的特點(diǎn)： 電子利用率高，低氣壓、低電壓下能產(chǎn)生較多正離子濺射速率高； 電子到達(dá)基片時(shí)是低能狀態(tài)，升溫作用小基片溫度低； 放電集中于靶面； 沉積速率大。1）磁控靶設(shè)計(jì)要點(diǎn)：產(chǎn)生均勻正交電磁場(chǎng)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)。關(guān)心水平磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布。磁場(chǎng)形成封閉

6、回路，電子在其中循環(huán)飛行。防止非靶材成分的濺射，加屏蔽罩。屏蔽間隙2re結(jié)構(gòu)形式:107 Fig4-15圓平面靶 矩形平面靶 同軸圓柱靶 S槍（圓錐靶） 旋轉(zhuǎn)圓柱靶（柱形平面靶） 特殊結(jié)構(gòu)靶 3）工作特性及參數(shù) 電流電壓特性： 低壓等離子體放電 電壓，電流；氣壓p，放電電壓U，電流I； 與靶的結(jié)構(gòu)有關(guān)。沉積速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間成膜厚度 q r nm / min相對(duì)沉積速率與氣壓的關(guān)系 P110 Fig4-19 沉積速率與靶電流的關(guān)系 P110 Fig4-21 沉積速率與靶基距的關(guān)系 P110 Fig4-20 nUpKj)(功率效率=沉積速率（nm / min ）/靶功率密度（W/cm2）最大功率密度

7、 功率過(guò)大會(huì)引起靶開(kāi)裂、升華、熔化。是限制沉積速率的重要因素；水冷系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)依據(jù) 4.4 射頻濺射鍍膜 R.F.(Radio Frequency) Sputtering Coating 1）原理： 解決絕緣材料的濺射A+入射轟擊，維持10-7s電位抵消，反轉(zhuǎn)電極e入射中和，維持10-9s，電荷中和射頻電源：頻率13.56MHz 正負(fù)半周各在10-7s左右 特點(diǎn)：氣體極易被擊穿，所以擊穿（破裂）電壓和放電電壓僅為直流濺射1012）裝置 射頻二極濺射 射頻磁控濺射二者區(qū)別：濺射靶有無(wú)磁場(chǎng) P119，F(xiàn)ig4-32 3）電源 射頻源13.56MHz 電阻電容耦合 關(guān)鍵解決屏蔽問(wèn)題：電源問(wèn)題 同軸

8、傳輸導(dǎo)線；靶； 室體用導(dǎo)體 觀察窗金屬網(wǎng)或旋轉(zhuǎn)擋板4）脈沖濺射 4.5反應(yīng)濺射鍍膜 Reaction Sputtering Coating 1）定義：濺射鍍膜時(shí)，有目的地充入反應(yīng)性氣體，從而在基體上得不同于靶材的薄膜成分2）原理機(jī)制 由于反應(yīng)性氣體的分壓較低，所以氣相反應(yīng)很少，固相反應(yīng)為多數(shù)其中：靶面反應(yīng) 反應(yīng)條件是反應(yīng)氣體氣壓較高時(shí)，基體表面反應(yīng) 反應(yīng)氣體氣壓較低時(shí)3）參數(shù)：改變反應(yīng)氣體與工作氣體的比例，可以改變膜層成分 如由金屬導(dǎo)電膜半導(dǎo)體膜絕緣膜反應(yīng)氣體壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致靶中毒，在靶面形成氧化物，使沉積速率大大下降。 4）中頻濺射孿生中頻靶解決采用反應(yīng)濺射制備化合物類介質(zhì)膜存在的問(wèn)題：金屬

9、氧化物沉積過(guò)程中，有靶中毒、陽(yáng)極消失、靶面和電極打火問(wèn)題。 4.6磁場(chǎng)計(jì)算Calculation of Magnetic Field Distribution 磁控靶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響靶材利用率和總體發(fā)射特性膜厚分布均勻性1）磁荷法 永磁體端面有分離磁荷2）等效電流法 永磁體側(cè)面有等效電流 4.7典型磁控濺射鍍膜機(jī) Typical Coating Equipment by Magnetron Sputtering 1）間歇式（周期式），單室鍍膜機(jī) P113 Fig4-23 室門(mén)的結(jié)構(gòu)：鐘罩式，前開(kāi)門(mén)式，上開(kāi)蓋（盒）式 靶的布置： 中心圓柱靶，兩側(cè)矩形靶，下面圓平面靶，S-靶 工件架結(jié)構(gòu)： 旋

10、轉(zhuǎn)行星架，自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)，避免周期相同2）半連續(xù)式 多室鍍膜機(jī)，有進(jìn)出料室，P114，F(xiàn)ig4-24批式裝料出料，進(jìn)料、預(yù)熱、鍍膜、冷卻、出料，閘閥過(guò)渡枚葉式 柔性加工系統(tǒng) 3）連續(xù)式：鍍膜玻璃生產(chǎn)線， 5，7，9，11室， P115，F(xiàn)ig4-25 第五章 真空離子鍍和離子束沉積 Ion Plating & Ion-beam Deposition 5.1 真空離子鍍 Ion Plating 1）定義沉積于基體上的膜材粒子中，有部分粒子是以離子形式入射沉積的。特征：基片處于相對(duì)負(fù)電位，基片及膜層在鍍膜過(guò)程中始終受到高能離子（膜材離子、氣體離子）的轟擊2）原理、結(jié)構(gòu) 蒸發(fā)+放電工作程序：抽本

11、底真空 10-3Pa充氣，工作真空 10-11Pa基片加負(fù)電壓，放電，離子轟擊、清洗大量蒸發(fā)，少量離化，沉積成膜指標(biāo)：膜材粒子的離化率3）離子轟擊的作用：適合于強(qiáng)度膜清洗 基片及膜層表面去除氣體和污物激活表面和膜層，提高結(jié)合能力提高膜層質(zhì)量 促進(jìn)表面遷移；消除“陰影效應(yīng)”；使膜層均勻；細(xì)化晶核；形成偽擴(kuò)散層；釘扎效應(yīng)。繞射現(xiàn)象，基片的背面、孔洞中，都可以成膜，用于復(fù)雜形狀元件的鍍膜剝離作用，去掉膜層中吸附不牢的粒子（也降低了沉積速率）成膜條件 沉積剝離 4）離子鍍裝置不同的蒸發(fā)源+不同的離化源（放電等離子體）蒸發(fā)源電阻加熱，電子束加熱，感應(yīng)加熱放 電源靶二極直流放電，陰陽(yáng)極放電，基片第三極負(fù)偏

12、壓例如：HCD槍 5）工藝參數(shù) 有了更多的可調(diào)節(jié)參數(shù)蒸發(fā)速率放電參數(shù)U偏壓，P氣壓（等離子體的強(qiáng)度），源基距d涉及碰撞幾率和電離幾率基片的偏壓離子轟擊程度基片的溫度成膜條件沉積速率可通過(guò)改變蒸發(fā)率和濺射剝離率的配比進(jìn)行調(diào)節(jié)5.2真空電弧離子鍍（多弧鍍） Arc Ion Plating 也稱多弧離子鍍Multi-Arc Ion Plating，利用真空條件下的弧光放電進(jìn)行鍍膜 1)弧光放電 特征低電壓20V；大電流10100A；負(fù)特性IV；成膜快機(jī)制大量正離子轟擊陰極局部，使其局部加熱到高溫，形成熱電子發(fā)射和金屬熱蒸發(fā)，金屬蒸汽大量電離后形成離子鞘層，大大降低陰極位降，提高放電電流。 發(fā)射電子和金屬蒸汽的地方，溫度最高，電場(chǎng)最強(qiáng)，逸出功最小。 現(xiàn)象：小弧豆，灼坑，邊緣尖端放電，導(dǎo)致輝點(diǎn)轉(zhuǎn)移，滾動(dòng)可達(dá)150m/s，后部弧光散開(kāi)。 2）裝置電弧靶，基體間放電電壓20V左右，電流10100A。引弧裝置，放電電壓150200V陰極輝點(diǎn)處電流密度可達(dá)106107A/cm2，所以電弧靶要水冷、磁控。對(duì)磁場(chǎng)的要求：水平場(chǎng)壓弧；垂直場(chǎng)束弧3）特點(diǎn)不是真正的離子鍍（因?yàn)闊o(wú)基片負(fù)偏壓），但是，是有大量正離子存在的蒸發(fā)鍍。沉積速率大，用于鍍厚膜。強(qiáng)度也較高，用于鍍硬膜。有液滴噴射現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。靶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以