磁控溅射镀膜原理及工艺.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,磁控溅射镀膜原理及工艺,2010,级化学工程与工艺班,1,摘要,真空镀膜技术作为一种产生特定膜层,的技术，在现实生产生活中有着广泛的,应用。真空镀膜技术有三种形式，即蒸,发镀膜、溅射镀膜和离子镀。这里主要,讲一下由溅射镀膜技术发展来的磁控溅,射镀膜的原理及相应工艺的研究。,2,绪论,溅射现象于,1870,年开始用于镀膜技术，,1930,年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于,工业生产。常用二极溅射设备如,下,图。,3,通常将欲沉积的材料制成板材,-,靶，固定在,阴极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶,一定距离。系统抽至高真空后充入（,10,1,）,帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间,加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放,电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与,靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原,子称为溅射原子，其能量在,1,至几十电子伏,范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。,4,其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术,中最突出的成就之一。它以溅射率高、,基片温升低、膜,-,基结合力好、装置性能,稳定、操作控制方便等优点，成为镀膜,工业应用领域,(,特别是建筑镀膜玻璃、透,明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大,面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀,膜场合,),的首选方案。,5,1,磁控溅射原理,溅射属于,PDV,（物理气相沉积）三,种,基本方法：真空蒸发、溅射,、,离子镀,（,空心阴极离子镀、热阴极离子镀,、,电弧离子镀、活性反应离子镀、射频,离子镀、直流放电离子镀）中的一种。,6,磁控溅射的工作原理是指电子在电场,E,的作用,下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使,其电离产生出,Ar,正离子和新的电子；新电子飞,向基片，,Ar,正离子在电场作用下加速飞向阴极,靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。,在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基,片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场,和磁场作用，产生,E,（电场）,B,（磁场）所指,的方向漂移，简称,EB,漂移，其运动轨迹近似,于一条摆线。,7,若为环形磁场，则电子就以近似摆线形,式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径,不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等,离子体区域内，并且在该区域中电离出大,量的,Ar,正离子来轰击靶材，从而实现了高,的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次,电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，,并在电场,E,的作用下最终沉积在基片上。,由于该电子的能量很低，传递给基片的,能量很小，致使基片温升较低。,8,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射,粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰,撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其,他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过,程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足,够动量，离开靶被溅射出来。,靶材,基片,V(0),E,+,Ar,Ar,+,-,e,-,e,-,e,+,Ar,+,10,1.1,磁控溅射种类,磁控溅射包括很多种类。各有不同工,作原理和应用对象。但有一共同点：利,用磁场与电场交互作用，使电子在靶表,面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞,击氩气产生离子的概率。所产生的离子,在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。,11,1.1.1,技术分类,磁控溅射在技术上可以分为直流（,DC,）,磁控溅射、中频（,MF,）磁控溅射、射频,（,RF,）磁控溅射。,12,三种分类的主要对比如下表,：,132,磁控溅射工艺研究,2.1,溅射变量,2.1.1,电压和功率,14,在气体可以电离的压强范围内如果改变,施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随,之改变，引起气体中的电流发生变化。改,变气体中的电流可以产生更多或更少的离,子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速,率。,15,一般来说：提高电压可以提高离化率。这样,电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电,压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大,幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源,下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到,基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功,率。在,VONARDENNE,镀膜产品中所采用的范围,内，功率的提高与溅射速率的提高是一种线性,的关系。,16,2.1.2,气体环境,真空系统和工艺气体系统共同控制着气体,环境。首先，真空泵将室体抽到一个高真空,（大约为,10,-6,torr,）。然后，由工艺气体系统,（包括压强和流量控制调节器）充入工艺气,体，将气体压强降低到大约,2,10,-3,torr,。为了,确保得到适当质量的同一膜层，工艺气体必,须使用纯度为,99.995%,的高纯气体。在反应溅,射中，在反应气体中混合少量的惰性气体,（如氩）可以提高溅射速率。,17,2.1.3,气体压强,将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自,由程、进而使更多的离子具有足够的能量去撞击阴,极以便将粒子轰击出来，也就是提高溅射速率。超,过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会导致离,化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低，,等离子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可,提高离化率，但是也就降低了溅射原子的平均自由,程，这也可以降低溅射速率。能够得到最大沉积速,率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反应溅,射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积,速率，必须按照适当的速度补充新的反应气体。,18,2.1.4,传动速度,玻璃基片在阴极下的移动是通过传动来进行,的。低传动速度使玻璃在阴极范围内经过的时,间更长，这样就可以沉积出更厚的膜层。不过，,为了保证膜层的均匀性，传动速度必须保持恒,定。镀膜区内一般的传动速度范围为每分钟,0,600,英寸（大约为,0 15.24,米）之间。根据镀,膜材料、功率、阴极的数量以及膜层的种类的,不同，通常的运行范围是每分钟,90 400,（大,约为,2.286 10.16,米）英寸之间。,19,2.1.5,距离与速度及附着力,为了得到最大的沉积速率并提高膜层的附着,力，在保证不会破坏辉光放电自身的前提下，,基片应当尽可能放置在离阴极最近的地方。溅,射粒子和气体分子（及离子）的平均自由程也,会在其中发挥作用。当增加基片与阴极之间的,距离，碰撞的几率也会增加，这样溅射粒子到,达基片时所具有的能力就会减少。所以，为了,得到最大的沉积速率和最好的附着力，基片必,须尽可能地放置在靠近阴极的位置上。,20,2.2,系统参数,工艺会受到很多参数的影响。其中，,一些是可以在工艺运行期间改变和控,制的；而另外一些则虽然是固定的，,但是一般在工艺运行前可以在一定范,围内进行控制。两个重要的固定参数,是：靶结构和磁场。,21,2.2.1,靶结构,每个单独的靶都具有其自身的内部结构和颗粒,方向。由于内部结构的不同，两个看起来完全相,同的靶材可能会出现迥然不同的溅射速率。在镀,膜操作中，如果采用了新的或不同的靶，应当特,别注意这一点。如果所有的靶材块在加工期间具,有相似的结构，调节电源，根据需要提高或降低,功率可以对它进行补偿。在一套靶中，由于颗粒,结构不同，也会产生不同的溅射速率。加工过程,会造成靶材内部结构的差异，所以即使是相同合,金成分的靶材也会存在溅射速率的差异。,22,同样，靶材块的晶体结构、颗粒结构、硬,度、应力以及杂质等参数也会影响到溅射速,率，而这些则可能会在产品上形成条状的缺,陷。这也需要在镀膜期间加以注意。不过，,这种情况只有通过更换靶材才能得到解决。,靶材损耗区自身也会造成比较低下的溅射速,率。这时候，为了得到优良的膜层，必须重,新调整功率或传动速度。因为速度对于产品,是至关重要的，所以标准而且适当的调整方,法是提高功率。,23,2.2.2,磁场,用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上,保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均,匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适,当（比如过低），那么即使磁场强度一致也会,导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处,发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场,强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常,高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速,下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区,也会造成靶的利用率比较低。,24,2.3,可变参数,在溅射过程中，通过改变改变这些参,数可以进行工艺的动态控制。这些可变,参数包括：功率、速度、气体的种类和,压强。,25,2.3.1,功率,每一个阴极都具有自己的电源。根据阴极,的尺寸和系统设计，功率可以在,0 150KW,（标称值）之间变化。电源是一个恒流源。,在功率控制模式下，功率固定同时监控电压，,通过改变输出电流来维持恒定的功率。在电,流控制模式下，固定并监控输出电流，这时,可以调节电压。施加的功率越高，沉积速率,就越大。,26,2.3.2,速度,另一个变量是速度。对于单端镀膜机，,镀膜区的传动速度可以在每分钟,0 600,英,寸大约为,0 15.24,米）之间选择。对于双端,镀膜机，镀膜区的传动速度可以在每分钟,0,200,英寸（大约为,0 5.08,米）之间选择。,在给定的溅射速率下，传动速度越低则表,示沉积的膜层越厚。,27,2.3.3,气体,最后一个变量是气体。可以在三种气体,中选择两种作为主气体和辅气体来进行,使用。它们之间，任何两种的比率也可以进行调节。气体压强可以在,1 5,10,-3,torr,之间进行控制。,28,2.3.4,阴极,/,基片之间的关系,在曲面玻璃镀膜机中，还有一个可,以调节的参数就是阴极与基片之间,的距离。平板玻璃镀膜机中没有可,以调节的阴极。,29,3,试验,3.1,试验目的,熟悉真空镀膜的操作过程和方法。,了解磁控溅射镀膜的原理及方法。,学会使用磁控溅射镀膜技术。,研究不同工作气压对镀膜影响。,30,3.2,试验设备,SAJ-500,超高真空磁控溅射镀膜机,（,配有纯铜靶材）；氩气瓶；陶瓷基,片；擦镜纸。,31,3.3,试验原理,3.3.1,磁控溅射沉积镀膜机理,磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展,而来，解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、,等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问,题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置强力,磁铁，真空室充入,0.1,10Pa,压力的惰性气体,(Ar),，作为气体放电的载体。,32,在高压作用下,Ar,原子电离成为,Ar,+,离子和电,子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向,基片的过程中，受到垂直于电场的磁场影响，,使电子产生偏转，被束缚在靠近靶表面的等,离子体区域内，电子以摆线的方式沿着靶表,面前进，在运动过程中不断与,Ar,原子发生碰,撞，电离出大量的,Ar,+,离子，与没有磁控管的,结构的溅射相比，离化率迅速增加,10,100,倍，因此该区域内等离子体密度很高。,33,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，,摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空,室内壁及靶源阳极上。而,Ar,+,离子在高压电,场加速作用下，与靶材的撞击并释放出能,量，导致靶材表面的原子吸收,Ar,+,离子的动,能而脱离原晶格束缚，呈中性的靶原子逸,出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积,形成薄膜。,34,3.4,试验过程,3.4.1,准备过程,（,1,）动手操作前认真学习讲操作规程及有,关资料，熟悉镀膜机和有关仪器的结构及功能、,操作程序与注意事项，保证安全操作。,（,2,）清洗基片。用无水酒精清洗基片，使,基片镀膜面清洁无脏污后用擦镜纸包好，放在,干燥器内备用。,（,3,）镀膜室的清理与准备。先向真空腔内充,气一段时间，然后升钟罩，装好基片，清理镀,膜室，降下钟罩。,35,3.4.2,试验主要流程,（,1,）打开总电源，启动总控电，升降机上升，,真空腔打开后，放入需要的基片，确定基片位置,（,A,、,B,、,C,、,D,），确定靶位置（,1,、,2,、,3,、,4,，,其中,4,为清洗靶）。,（,2,）基片和靶准备好后，升降机下降至真空,腔密封（注意：关闭真空腔时用手扶着顶盖，以,控制顶盖与强敌的相对位置，过程中注意安全，,小心挤压到手指）。,（,3,）启动机械泵，抽一分钟左右之后，打开,复合真空计，当示数约为,10E,-1,量级时，启动分子,泵，频率为,400HZ默认），同时预热离子清洗,打开直流或射流电源及流量显示仪。,36,（,4,）（选择操作）打开加热控温电源。启动,急停控制，报警至于通位置，功能选则为烘烤。,（,5,）但真空度达到,5,10,-4,Pa,时，关闭复合真,空计，开启电离真空计，通氩气（流量,20L/min,），打开气路阀，将流量计拨至阀控,档，稳定后打开离子源，依次调节加速至,200V250V,，中和到,12A,左右，阳极,80V,，阴极,10V,，,屏极,300V,。从监控程序中调出工艺设置文件，启,动开始清洗。,（,6,）清洗完成后，按离子源参数调节相反的顺,序将各参数归零，关闭离子源，将流量计置于关,闭档。,37,（,7流量计置于阀控档（看是否有读数，一般为,30,。否则查明原因），调节控制电离真空计示数约,1Pa,，,调节直流或射频电源到所需功率，开始镀膜。,（,8,）镀膜过程中注意设备工作状态，若工艺参数有,异常变化应及时纠正或停止镀膜，问题解决后方可重,新镀膜。,（,9,）镀膜完毕后，关闭直流或射频电源，关闭氩气,阀门。将挡板逆时针旋至最大通路。当气罐流量变为,零后，关闭流量计，继续抽半个小时到两个小时。,（,10,）关闭流量显示仪和电离真空计，停止分子泵，,频率降至,100HZ,后关闭机械泵，,5,分钟后关闭分子泵，,关闭总电源。,38,3.5,不同工作气压下所得试验结果,39,40,由工作气压与沉积率的关系表可以,看出：在其他参数不变的条件下，,随着工气压的增大，沉积速率先增,大后减小。在某一个最佳工作气压,下，有一个对应的最大沉积速率。,41,3.5.1,试验结果分析,气体分子平均自由程与压强有如下关系,其中,为气体分子平均自由程,k,为玻耳兹曼常,数，,T,为气体温度,d,为气体分子直径,p,为气体压,强。由此可知，在保持气体分子直径和气体温度,不变的条件下，如果工作压强增大，则气体分子,平均自由程将减小，溅射原子与气体分子相互碰,撞次数将增加，二次电子发射将增强。,42,而当工作气压过大时，沉积速率会减小，原因有,如下两点：,（,1,）由于气体分子平均自由程减小，溅射原子,的背反射和受气体分子散射的几率增大，而且这一,影响已经超过了放电增强的影响。溅射原子经多次,碰撞后会有部分逃离沉积区域，基片对溅射原子的,收集效率就会减小，从而导致了沉积速率的降低。,（,2,）随着,Ar,气分子的增多，溅射原子与,Ar,气分,子的碰撞次数大量增加，这导致溅射原子能量在,碰撞过程中大大损失，致使粒子到达基片的数量,减少，沉积速率下降。,43,3.6,结论,通过试验及对结果的分析可以得出如下结,论：在其他参数不变的条件下，随着工作气压,的增大，沉积率先增大后减小。在某一个最佳,工作气压下，有一个对应的最大沉积率。,虽然以上工作气压与沉积率的关系规律只是,在纯铜靶材和陶瓷基片上得到的，但对其他不,同靶材与基片的镀膜工艺研究也具有一定的参,考价值。,44,