磁控濺射原理與應(yīng)用課件

磁控濺射原理與應(yīng)用

光學(xué)中式：程雙林磁控濺射原理與應(yīng)用1秀強磁控濺射鍍膜設(shè)備的分類秀強磁控濺射鍍膜設(shè)備的分類2摘要磁控濺射是物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多材料，且具有設(shè)備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優(yōu)點，而上世紀70年代發(fā)展起來的磁控濺射法更是實現(xiàn)了高速、低溫、低損傷。因為是在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。摘要磁控濺射是物理氣相沉積（PhysicalVaporD3原理磁控濺射鍍膜是指將涂層材料做為靶陰極，利用氬離子轟擊靶材，產(chǎn)生陰極濺射，把靶材原子濺射到工件上形成沉積層的一種鍍膜技術(shù)。原理磁控濺射鍍膜是指將涂層材料做為靶陰極，利用氬離子轟擊靶材4原理示意圖原理示意圖5濺射技術(shù)------直流濺射法

直流濺射法直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極，從而該方法只能濺射導(dǎo)體材料，不適于絕緣材料，因為轟擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和，這將導(dǎo)致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離的機會將變小，甚至不能電離，導(dǎo)致不能連續(xù)放電甚至放電停止，濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁?，須用射頻濺射法（RF濺射技術(shù)------直流濺射法

直流濺射法6濺射技術(shù)----濺射鍍膜

濺射鍍膜濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術(shù)。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)生入射離子。陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入0.1-10Pa的氬氣或其它惰性氣體，在陰極（靶）1-3KV直流負高壓或13.56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應(yīng)濺射等。濺射技術(shù)----濺射鍍膜

濺射鍍膜7磁控濺射設(shè)備的主要用途

（1）各種功能性薄膜：如具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用的薄膜。例如，低溫沉積氮化硅減反射膜，以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。（2）裝飾領(lǐng)域的應(yīng)用，如各種全反射膜及半透明膜等，如手機外殼，鼠標等。磁控濺射設(shè)備的主要用途

（1）各種功能性薄膜：如具有吸收、透8技術(shù)分類

技術(shù)分類?磁控濺射在技術(shù)上可以分為直流（DC）磁控濺射、中頻（MF）磁控濺射、射頻（RF）磁控濺射技術(shù)分類技術(shù)分類?磁控濺射在技術(shù)上可以分為直流（DC）9直流濺射法直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極，從而該方法只能濺射導(dǎo)體材料，不適于絕緣材料，因為轟擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和，這將導(dǎo)致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離的機會將變小，甚至不能電離，導(dǎo)致不能連續(xù)放電甚至放電停止，濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁?，須用射頻濺射法（RF）直流濺射法直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電10中頻濺射鍍中頻濺射鍍膜，電源輸進電極（靶）接受的是很高頻率的交流電，由于高頻交流電的集膚效應(yīng)，使電極表面電流密度大大增加，加上高頻震蕩對電離氣體產(chǎn)生正離子非常有利，只有更多的正離子參加碰撞濺射速率才會增高，這對于進步產(chǎn)量降低本錢是大有好處的，中頻濺射可以使用金屬、非金屬靶材，對于鍍制大尺寸的氧化膜有明顯的上風(fēng)。中頻濺射鍍中頻濺射鍍膜，電源輸進電極（靶）接受的是很高頻率的11射頻磁控濺射射頻磁控濺射制備薄膜是一種很成熟的技術(shù)，起源于上世紀70年代。通俗的講就是在真空的狀態(tài)下，將要濺射的元件等離子化，然后把這種等離子的類氣體涂在薄膜上。也可以把堅硬的物資涂到柔性物體上去。射頻磁控濺射射頻磁控濺射制備薄膜是一種很成熟的技術(shù)，起源于上12三種對比圖三種對比圖13磁控濺射工藝研究在氣體可以電離的壓強范圍內(nèi)如果改變施加的電壓，電路中等離子體的阻抗會隨之改變，引起氣體中的電流發(fā)生變化。改變氣體中的電流可以產(chǎn)生更多或更少的離子，這些離子碰撞靶體就可以控制濺射速率磁控濺射工藝研究在氣體可以電離的壓強范圍內(nèi)如果改變施加的電壓14濺射速率一般來說：提高電壓可以提高離化率。這樣電流會增加，所以會引起阻抗的下降。提高電壓時，阻抗的降低會大幅度地提高電流，即大幅度提高了功率。如果氣體壓強不變，濺射源下的基片的移動速度也是恒定的，那么沉積到基片上的材料的量則決定于施加在電路上的功率。在VONARDENNE鍍膜產(chǎn)品中所采用的范圍內(nèi)，功率的提高與濺射速率的提高是一種線性的關(guān)系。濺射速率一般來說：提高電壓可以提高離化率。這樣電流會增加，所15工藝氣體在氣體可以電離的壓強范圍內(nèi)如果改變施加的電壓，電路中等離子體的阻抗會隨之改變，引起氣體中的電流發(fā)生變化。改變氣體中的電流可以產(chǎn)生更多或更少的離子，這些離子碰撞靶體就可以控制濺射速率工藝氣體在氣體可以電離的壓強范圍內(nèi)如果改變施加的電壓，電路中16氣體環(huán)境氣體環(huán)境真空系統(tǒng)和工藝氣體系統(tǒng)共同控制著氣體環(huán)境。首先，真空泵將室體抽到一個高真空大約為106torr)。然后，由工藝氣體系統(tǒng)(包括壓強和流量控制調(diào)節(jié)器)充入工藝氣體，將氣體壓強降低到大約2×103torr。為了確保得到適當(dāng)質(zhì)量的同一膜層，工藝氣體必須使用純度為99995%的高純氣體。在反應(yīng)濺射中，在反應(yīng)氣體中混合少量的惰性氣體(如氬)可以提高濺射速率氣體環(huán)境氣體環(huán)境真空系統(tǒng)和工藝氣體系統(tǒng)共同控制著氣體環(huán)境。首17氣體壓強

將氣體壓強降低到某一點可以提高離子的平均自由程、進而使更多的離子具有足夠的能量去撞擊陰極以便將粒子轟擊出來，也就是提高濺射速率。超過該點之后，由于參與碰撞的分子過少則會導(dǎo)致離化量減少，使得濺射速率發(fā)生下降。如果氣壓過低，等離子體就會熄滅同時濺射停止。提高氣體壓強可提高離化率，但是也就降低了濺射原子的平均自由程，這也可以降低濺射速率。能夠得到最大沉積速率的氣體壓強范圍非常狹窄。如果進行的是反應(yīng)濺射，由于它會不斷消耗，所以為了維持均勻的沉積速率，必須按照適當(dāng)?shù)乃俣妊a充新的反應(yīng)氣體。氣體壓強將氣體壓強降低到某一點可以提高離子的平均自由程18傳動速度玻璃基片在陰極下的移動是通過傳動來進行的。低傳動速度使玻璃在陰極范圍內(nèi)經(jīng)過的時間更長，這樣就可以沉積出更厚的膜層。不過為了保證膜層的均勻性，傳動速度必須保持恒定。鍍膜區(qū)內(nèi)一般的傳動速度范圍為每分鐘0600英寸(大約為0~1524米)之間。根據(jù)鍍膜材料、功率、陰極的數(shù)量以及膜層的種類的不同傳動速度也不同大約在0.5~~~2米左右傳動速度玻璃基片在陰極下的移動是通過傳動來進行的。低傳動速度19距離與速度及附著力為了得到最大的沉積速率并提高膜層的附著力，在保證不會破壞輝光放電自身的前提下基片應(yīng)當(dāng)盡可能放置在離陰極最近的地方。濺射粒子和氣體分子(及離子)的平均自由程也會在其中發(fā)揮作用。當(dāng)增加基片與陰極之間的距離，碰撞的幾率也會增加，這樣濺射粒子到達基片時所具有的能力就會減少。所以，為了得到最大的沉積速率和最好的附著力，基片必須盡可能地放置在靠近陰極的位置上距離與速度及附著力為了得到最大的沉積速率并提高膜層的附著力，20系統(tǒng)參數(shù)工藝會受到很多參數(shù)的影響。其中些是可以在工藝運行期間改變和控制的；而另外一些則雖然是固定的，但是一般在工藝運行前可以在一定范圍內(nèi)進行控制。兩個重要的固定參數(shù)是：靶結(jié)構(gòu)和磁場。系統(tǒng)參數(shù)工藝會受到很多參數(shù)的影響。其中些是可以在工藝運行期間21靶結(jié)構(gòu)每個單獨的靶都具有其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒方向。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，兩個看起來完全相同的靶材可能會出現(xiàn)迥然不同的濺射速率。在鍍膜操作中，如果采用了新的或不同的靶，應(yīng)當(dāng)特別注意這一點。如果所有的靶材塊在加工期間具有相似的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)電源，根據(jù)需要提高或降低功率可以對它進行補償。在一套靶中，由于顆粒結(jié)構(gòu)不同，也會產(chǎn)生不同的濺射速率。加工過程會造成靶材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，所以即使是相同合金成分的靶材也會存在濺射速率的差異因靶結(jié)構(gòu)每個單獨的靶都具有其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒方向。由于內(nèi)部22磁場用來捕獲二次電子的磁場必須在整個靶面上保持一致，而且磁場強度應(yīng)當(dāng)合適。磁場不均勻就會產(chǎn)生不均勻的膜層。磁場強度如果不適當(dāng)(比如過低)，那么即使磁場強度一致也會導(dǎo)致膜層沉積速率低下，而且可能在螺栓頭處發(fā)生濺射。這就會使膜層受到污染。如果磁場強度過高，可能在開始的時候沉積速率會非常高，但是由于刻蝕區(qū)的關(guān)系，這個速率會迅速下降到一個非常低的水平。同樣，這個刻蝕區(qū)也會造成靶的利用率比較低。磁場用來捕獲二次電子的磁場必須在整個靶面上保持一致，而且磁場23可變參數(shù)濺射過程中，通過改變改變這些參數(shù)可以進行工藝的動態(tài)控制。這些可變參數(shù)包括：功率、速度在、氣體的種類和壓強?？勺儏?shù)濺射過程中，通過改變改變這些參數(shù)可以進行工藝的動態(tài)控24功率每一個陰極都具有自己的電源。根據(jù)陰極的尺寸和系統(tǒng)設(shè)計，功率可以在0~150KW(標稱值)之間變化。電源是一個恒流源。在功率控制模式下，功率固定同時監(jiān)控電壓，通過改變輸出電流來維持恒定的功率。在電流控制模式下，固定并監(jiān)控輸出電流，這時可以調(diào)節(jié)電壓。施加的功率越高，沉積速率就越大功率每一個陰極都具有自己的電源。根據(jù)陰極的尺寸和系統(tǒng)設(shè)計，功25速度另一個變量是速度。對于單端鍍膜機，鍍膜區(qū)的傳動速度可以在每分鐘0~6米之間選擇。對于雙端鍍膜機，鍍膜區(qū)的傳動速度可以在每分鐘大約為0~2米之間選擇在給定的濺射速率下，傳動速度越低則表示沉積的膜層越厚速度另一個變量是速度。對于單端鍍膜機，鍍膜區(qū)的傳動速度可以在26氣體最后一個變量是氣體。可以在三種氣體中選擇兩種作為主氣體和輔氣體來進行使用。它們之間，任何兩種的比率也可以進行調(diào)節(jié)。氣體壓強可以在1~5×103torr之間進行控制氣體最后一個變量是氣體?？梢栽谌N氣體中選擇兩種作為主氣體和27陰極/基片之間的關(guān)系在曲面玻璃鍍膜機中，還有一個可以調(diào)節(jié)的參數(shù)就是陰極與基片之間的距離。平板玻璃鍍膜機中沒有可以調(diào)節(jié)的陰極。陰極/基片之間的關(guān)系在曲面玻璃鍍膜機中，還有一個可以調(diào)節(jié)的參28試驗試驗?zāi)康蘑偈煜ふ婵斟兡さ牟僮鬟^程和方法②了解磁控濺射鍍膜的原理及方法。③學(xué)會使用磁控濺射鍍膜技術(shù)。④研究不同工作氣壓對鍍膜影響試驗試驗?zāi)康蘑偈煜ふ婵斟兡さ牟僮鬟^程和方法②了解磁控濺射鍍膜29試驗設(shè)備SAJ-500超高真空磁控濺射鍍膜機(配有純銅靶材)；氬氣瓶；陶瓷基片；無塵布。試驗設(shè)備SAJ-500超高真空磁控濺射鍍膜機(配有純銅靶材)30試驗原理磁控濺射沉積鍍膜機理磁控濺射系統(tǒng)是在基本的二極濺射系統(tǒng)發(fā)展而來，解決二極濺射鍍膜速度比蒸鍍慢很多、等離子體的離化率低和基片的熱效應(yīng)明顯的問題。磁控濺射系統(tǒng)在陰極靶材的背后放置強力磁鐵，真空室充入0.1~10Pa壓力的惰性氣體(Ar)，作為氣體放電的載體試驗原理磁控濺射沉積鍍膜機理磁控濺射系統(tǒng)是在基本的二極濺射系31高壓在作用下A原子電離成為A+離子和電子，產(chǎn)生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過程中，受到垂直于電場的磁場影響使電子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，電子以擺線的方式沿著靶表面前進，在運動過程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar離子，與沒有磁控管的結(jié)構(gòu)的濺射相比，離化率迅速增加10~100倍，因此該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高高壓在作用下A原子電離成為A+離子和電子，產(chǎn)生等離子輝光放電32經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，最終落在基片、真空室內(nèi)壁及靶源陽極上。而Ar+離子在高壓電場加速作用下，與靶材的撞擊并釋放出能量，導(dǎo)致靶材表面的原子吸收Ar+離子的動能而脫離原晶格束縛，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片，并在基片上沉積形成薄膜。經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，最終落在33對比圖對比圖34結(jié)果結(jié)果35工作氣壓當(dāng)工作氣壓增大時，沉積速率會減小，原因又兩點：1由于氣體分子平均自由程減小，濺射原子的的被反射和受氣體分子散射的幾率增大