濺射鍍膜原理及其應(yīng)用

1、 磁控濺射鍍膜及其應(yīng)用 曹達(dá)華 2009.06.11 QQ:36496431 MSN:濺射原理濺射原理1. 先讓惰性氣體（通常為Ar氣）產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生帶電的離子；2. 帶電離子經(jīng)電場加速后撞擊靶材表面，使靶材原子被轟擊而飛出來，同時產(chǎn)生二次電子，再撞擊氣體原子從而形成更多的帶電離子； 3. 靶材原子攜帶著足夠的動能到達(dá)被鍍物(基材)的表面進沉積。濺射原理 濺射沉積示意圖濺射沉積示意圖 濺射原理示意圖濺射原理示意圖濺射原理 直流輝光放電的電壓電流密度關(guān)系圖直流輝光放電的電壓電流密度關(guān)系圖 濺射示意圖濺射示意圖濺射原理巴邢曲線 擊穿電壓UB：形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓UB。UB主要

2、取決于二次電子的平均自由程和陰陽極之間的距離。為了引起最初的“雪崩”，每個二次電子必須產(chǎn)生出約1020個離子。若氣壓太低或者極間距離太小，二次電子撞到陽極之前，無法達(dá)到所需的電離碰撞次數(shù)。若氣壓太高或極間距離太大，氣體中形成離子將因非彈性碰撞而減速，以至于當(dāng)轟擊陰極時，已無足夠的能量產(chǎn)生二次電子。 巴邢曲線濺射原理輝光電位分布示意圖輝光電位分布示意圖濺射原理磁控濺射原理原理: 為了提高離化率,增加濺射沉積的速率,在靶背面增加磁場是個有效的方法-電場與磁場的交互作用,使得二次電子在靶面做螺旋式運動,大大延長了二次電子的運動行程，從而大大增加了它同氣體分子碰撞的機會，從而大大地提高了離化率，增加了

3、濺射速率。 二次電子在正交電磁場的運動二次電子在正交電磁場的運動 二次電子在靶面的運動示意圖二次電子在靶面的運動示意圖磁控濺射原理 磁控濺射具有以下兩大優(yōu)點：提高等離子密度，從而提高濺射速度；減少轟擊零件的電子數(shù)目，因而降低了基材因電子轟擊的溫升。因此，該技術(shù)在薄膜技術(shù)中占有主導(dǎo)地位。 磁控濺射陰極的最大缺點是：使用平面靶材是，靶材在跑道區(qū)形成濺射溝道，這溝道一旦貫穿靶材，則整塊靶材即報廢，因而靶材的利用率只有20-30%。不過，目前為了避免這個缺點，很多靶材采用圓柱靶材形式，靶材利用率得以大幅度提高。 矩形平面靶安裝結(jié)構(gòu)示意圖磁控濺射原理平衡磁場磁控濺射平衡磁場磁控濺射非平衡磁場磁控濺射非平

4、衡磁場磁控濺射磁控濺射原理孿生靶磁場分布示意圖孿生靶磁場分布示意圖磁控濺射原理封閉非平衡磁場示意圖封閉非平衡磁場示意圖濺射靶材濺射靶材按形狀分類：矩形平面靶才、圓形平面靶才、圓柱靶材； 濺射靶材按成分分類：單質(zhì)金屬靶材、合金靶材、陶瓷靶材；濺射靶材濺射靶材濺射靶材平面靶材利用率比較低，只有30%左右，沿著環(huán)形跑道刻蝕。靶材冷卻與靶背板靶功率密度與靶材冷卻 靶功率越大，濺射速率越大； 靶允許的功率與靶材的性質(zhì)及冷卻有關(guān)； 靶材采用直接水冷，允許的靶功率高。靶背板 使用場合： ITO、SiO2、陶瓷等脆性靶材及燒結(jié)靶材 Sn、In等軟金屬靶； 靶材太薄、靶材太貴。 材質(zhì)要求： 導(dǎo)熱性好常用無氧銅，

5、無氧銅的導(dǎo)熱性比紫銅好； 強度足夠太薄，容易變形，不易真空密封。 結(jié)構(gòu)：空心或者實心結(jié)構(gòu)磁鋼不泡或泡在冷水中； 厚度適當(dāng)太厚，消耗部分磁強；太薄，容易變形。 靶材與背板的連接靶材與背板的連接: 壓接：采用壓條，一般為了提高接觸的良好性，會增加石墨紙、Pb或者In皮; 釬焊：一般使用軟釬料的情況下，要求濺射功率小于20w/cm2; 釬料常用In,In-Sn,Sn; 導(dǎo)電膠：采用導(dǎo)電膠，導(dǎo)電膠需要耐高溫，一般厚度0.020.05um連接的要求： 導(dǎo)熱性好允許的濺射功率提高，從而濺射速率提高； 導(dǎo)電性好； 機械性能連接牢固； 化學(xué)穩(wěn)定性好靶處于負(fù)高壓，在水中容易產(chǎn)生電解反應(yīng)，從而使得靶或背板受到腐蝕

6、。磁控靶常用的永磁材料鐵氧體 常用的鐵氧體BaO.6Fe2O3和鍶鐵氧體SrO.6Fe2O3,一般以Fe2O3、BaCO3或SrCO3粉料經(jīng)混合、預(yù)燒、壓制成型和高溫?zé)Y(jié)而成。 合理磁體形狀為扁平狀，短軸為磁化方向。 鐵氧體的特點：高矯頑力HC（KA/m），低剩磁Br(T),鍍膜常用Y30（Br 0.380.42T, HC160216KA/m) 使用溫度范圍：-40 85釹鐵硼合金（稀土永磁材料） 典型成分：Nd2Fe14B 制備：燒結(jié)或者粘結(jié)，常用燒結(jié)的Br1.181.48T,HC8002400KA/m 使用溫度：可達(dá)240 ，一般不超過150 ； 為避免在大氣中氧化，表面常鍍鎳。靶材制備工

7、藝制備工藝真空熔煉鑄造成型（鍛、軋、拉伸）靶材雜質(zhì)含量低、密度高，能做大型靶，對對于熔點和密度相差較大的兩種（或以上）的金屬，難以獲得成分均勻的合金靶材；粉末冶金熱壓、熱等靜壓、真空熱壓，用于制備高熔點或化合物靶材，靶材成分均勻，但雜質(zhì)含量高，密度不易做高。熱噴涂靶材質(zhì)量對鍍膜的影響純度 取決于薄膜特性的要求 合金與化合物靶要求成分均勻化 致密度 1.濺射成膜過程中，靶材內(nèi)部孔隙存在的氣體突然釋放造成微粒飛濺，使膜不致密，表面粗糙，缺陷增加；2.密度較低的靶材易脆裂；3.晶粒尺寸：靶材通常為多晶結(jié)構(gòu)，晶粒大?。簎mmm量級；晶粒小的濺射速率大；晶粒尺寸相差不大的，沉積膜的均勻性較好；4.結(jié)晶結(jié)

8、構(gòu)5.使用過程中靶材狀況的變化 隨著靶材使用時間的延長，除出現(xiàn)“跑道”外，還會出現(xiàn)：表面晶粒變粗，靶面出現(xiàn)“瘤”的多少與大小取決于靶材的原始質(zhì)量和濺射工藝參數(shù)。離子源離子源磁控濺射常見技術(shù)直流磁控濺射 直流磁控濺射是在直流二極濺射的基礎(chǔ)上，在靶材后面安放磁鋼?？梢杂脕頌R射沉積導(dǎo)電膜，而且沉積速度快；但靶材若為絕緣體的話，將會迅速造成靶材表面電荷積累，從而導(dǎo)致濺射無法進行。所以對于純金屬靶材的濺射，均采用直流磁控濺射，如濺射SUS、Ag、Cr、Cu等。磁控濺射常見技術(shù)中頻磁控濺射 常用來進行反應(yīng)濺射，如金屬氧化物、氮化物及碳化物等，將少許反應(yīng)性氣體N2, O2, C2H2等同惰性氣體Ar2一起輸

9、入到真空腔中，使反應(yīng)氣體與靶材原子一起于基材上沉積。對于一些不易找到塊材料制成靶材的鍍膜或陶瓷靶材在濺鍍后，薄膜成分易偏離原靶材成分，也可通過反應(yīng)沉積來獲得改善。美國著名公司AE（Advanced Energy)開發(fā)出中頻孿生靶濺射電源，現(xiàn)在，這項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于市場。 例如：將反應(yīng)氣體N2加入到Ar2中濺射Cr，便可獲得CrN鍍層。反應(yīng)濺射原理如右圖所示。磁控濺射常見技術(shù) 射頻磁控濺射用來進行介質(zhì)膜的濺射，如在玻璃上鍍ITO膜之前需鍍上一層SiO2擴散隔離層,該SiO2膜就是采用射頻濺射。 通常在濺鍍過程中輝光放電中的離子撞擊到陰極時，會與陰極的電子中和，使得濺射現(xiàn)象可以繼續(xù)進行。但若靶材本

10、身不導(dǎo)電的話，離子撞擊到靶材上沒有電子中和，正電荷一直累積，便與后來的離子排斥，這會造成取代直流電源，便可解決此離子撞擊現(xiàn)象的停頓。高周波電源問題。磁控濺射常見技術(shù)偏壓濺射磁控 在基片上加100300V的負(fù)電壓，使得Ar2轟擊靶材的同時也轟擊基片的膜層，使用偏壓具有以下作用： 1. 改善附著力：1）將沉積過程中附著力不好的晶粒打掉；2）促進膜層與基片的擴散，增加擴散層的厚度。 2. 提高耐磨性能：偏壓的使用使得膜層更致密。 3. 改善膜層結(jié)構(gòu)：偏壓使得膜層由柱狀晶變?yōu)楦玫那驙罹Я！?但偏壓也有缺點： 1. 偏壓的使用會降低沉積速率。 2. 過大的偏壓使用會增加膜層的內(nèi)應(yīng)力。High targ

11、et utilization sputtering (HiTUS) technologySputtering is generally the preferred option for coating technologies. Both conventionalmagnetron and ion beam sputtering have limitations regarding the deposition rate control.Magnetron sputtering in particular is also inefficient in terms of target utili

12、zation and does not allowsputtering from thick ferromagnetic targets. The sputtering technology described in this paperprovides control of grain size, high uniform target utilization ( 90%) and the ability to sputterferromagnetic materials efficiently with close control of deposition rates 12 (see a

13、lsowww.plasmaquest.co.uk). The system is based on a remotely generated high intensity plasma asshown in Fig. 1 and consists of a side arm launch tube as a plasma source linked to the maindeposition chamber. The plasma is generated in the side arm by an RF electric field (max. 2.5 kW).Energy is trans

14、ferred to the plasma by electrons via the mechanism of Landau damping. The plasmais then launched into the chamber via the interaction of the RF field with the launch electromagnetand then steered onto the target by a second electromagnet.磁控濺射常見問題陽極消失“打火”“靶中毒”內(nèi)應(yīng)力靶材成分偏離砂孔濺射鍍膜的步驟濺射鍍膜一般有以下幾步： 1. 放置膜料及裝

15、入產(chǎn)品 2. 抽真空：包括粗抽和精抽，一般真空度達(dá)到6.0-3以上； 3. 輝光清洗：通入惰性氣體（一般為Ar),真空度1Pa左右，打開輝光清洗電源，清洗偏壓及時間由素材表面狀況及附著力要求決定。 4. 鍍膜 5. 破真空，取產(chǎn)品：鍍膜完成后，（待工藝要求，有時候會充入氬氣冷卻）對真空室充入大氣，待達(dá)到大氣壓，打開真空室門取出產(chǎn)品。磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 磁控濺射在PVD行業(yè)是應(yīng)用及研究最廣泛的，在裝飾、工模具鍍膜、太陽能、幕墻玻璃、半導(dǎo)體、顯示屏等許多行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。在此對以上某幾個方面的應(yīng)用做簡單介紹。 1. 裝飾鍍 1.1 裝飾鍍材料（基材） 金屬：SUS、鋼基合金、鋅基合金等； 玻璃、陶

16、瓷； 塑料：ABS、PVC、PC、尼龍等； 柔性材料：布，泡沫塑料、鋼帶等。 1.2 裝飾膜種類 金屬基材裝飾鍍膜層：TiN、ZrN、TiC、CrNx、TiCN、CrCN、TiOx等 玻璃、陶瓷裝飾鍍膜層：Au、Cr、TiN、ZrN等 塑料基材裝飾鍍膜層：Al、Cu、SUS、ITO、TiO2等 柔性材料裝飾鍍膜層： Al、ITO、TiO2等磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 1.3 部分金屬基材裝飾膜顏色 金屬基材裝飾膜的種類及色調(diào)很多，下表列舉了部分金屬基材裝飾膜的種類及顏色。膜層種類色調(diào)TiNx淺黃、金黃、棕黃、黑色TiC淺灰色、深灰色、黑色TiCxNy赤金黃色、玫瑰金色、棕色、紫色TiN+Au金色ZrN金

17、黃色ZrCxNy金色、銀色TiO2紫青藍(lán)、綠、黃、橙紅色CrNx銀白色TixAlNx金黃色、棕色、黑色TiZrAlNx金黃色磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 各種顏色在色度學(xué)中可以用色空間值L、a、b值來表示。 L明亮度：L越大，表示較白，L越小，表示較黑； a 紅與綠：a越大，表示較紅，a越小，表示較綠； b 黃與藍(lán)：b越大，表示較黃，b越小，表示較藍(lán)。 例如，TiN仿金色的L, a, b值在6570、1.53、2530之間。 TiC黑膜的L, a, b值在3040、-1.02.0、-1.02.0之間。磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 1. 磁控濺射離子鍍技術(shù)為黃銅電鍍亮鉻的衛(wèi)生潔具鍍制ZrN膜介紹 采用基材為鋯的非平衡磁

18、控濺射靶和中頻電源，以及脈沖偏壓電源。 1. 1 抽真空 本底真空為6.0 x 10-35.0 x 10-3, 加熱溫度為150度左右。 1.2 轟擊清洗 真空度：通入氬氣真空度保持在23Pa。 轟擊偏壓 ：8001200V，脈沖占空比2075。 轟擊時間：1015min。 1.3 鍍膜 1)沉積鋯底層 真空度：通入氬氣，真空度保持在5.0 x 10-1Pa。 靶電壓：400550V，靶功率1530W/CM2。 脈沖偏壓：300400V，占空比20。 鍍膜時間：510min。磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 2) 鍍ZrN膜 真空度：通入氮氣，真空度保持在（35）x 10-1Pa。 靶電壓：400550V，靶

19、功率2030W/CM2。 脈沖偏壓：150200V，占空比80。 鍍膜時間：2030min。 由于磁控濺射技術(shù)中金屬離化率較低，不容易進行反應(yīng)沉積，獲得化合物膜層的工藝范圍較窄。可采用氣體離子源將反應(yīng)氣體離化，擴大反應(yīng)沉積的工藝范圍。也可以采用柱狀弧源產(chǎn)生的等離子體作為離化源，柱狀弧源還是輔助鍍膜源。 1.4 冷卻 鍍膜結(jié)束后，首先關(guān)閉靶電源、偏壓電源，然后關(guān)閉氣源、停轉(zhuǎn)架。工件在鍍膜室中冷卻到100度以下，向鍍膜室充入大氣，取出工件。磁控濺射工業(yè)應(yīng)用2. 工模具鍍膜 本節(jié)簡單介紹高速鋼刀具增壽膜PVD鍍膜工藝。 基材為高速鋼刀具 采用直流磁控濺射和中頻磁控濺射的多個平面非平衡磁控濺射靶。 2

20、.1 真空度 本底真空度為(5.06.0) x 10-3Pa，加熱溫度為200300度。 2.2 輝光及Ti離子轟擊清洗 鍍膜室充入氬氣，真空度保持在2Pa，偏壓800V，占空比30。直流濺射鈦靶電流20A，電壓400480V，轟擊時間為2030min。 2.3 鍍鈦底層 偏壓：250300V，占空比：30。 通氬氣，真空度為5 x 10-1Pa。 直流濺射鈦靶：電壓400480V，電流20A；時間：30min。磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 2.4 沉積TiAlN 通入氮氣，真空室鍍膜真空度為5 x 10-1Pa。 偏壓：150250V，占空比80。 兩臺中頻濺射鈦鋁靶電源：電壓450V，電流20A。 鍍

21、制時間：240350min,膜層厚度34min。 2.5 冷卻 鍍膜結(jié)束后，首先關(guān)閉靶電源、偏壓電源，然后關(guān)閉氣源、停轉(zhuǎn)架。工件在鍍膜室中冷卻到100度以下，向鍍膜室充入大氣，取出工件。 磁控濺射工業(yè)應(yīng)用 3. 太陽能光熱轉(zhuǎn)換能效薄膜的鍍制工藝 采用磁控濺射技術(shù)在玻璃管上鍍制AlN-Al膜的鍍制工藝。 3.1 安裝玻璃管。玻璃管經(jīng)清洗、烘干后，及時安裝在工件轉(zhuǎn)架上。 3.2 抽真空 本底真空度為(5.06.0) x 10-3Pa。 3.3 鍍膜 鍍鋁膜 真空度：通入氮氣，真空室鍍膜真空度為5 x 10-1Pa。 鍍AlN膜：采用中頻磁控進行反應(yīng)濺射獲得AlN膜。 用計算機控制氬氣和氮氣的流量，可以獲得多層的AlN-Al膜，一般鍍15