磁控濺射技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)用教案

1、一、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)簡(jiǎn)介 1842年格洛夫（Grove）在研究電子管陰極腐蝕問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到真空管壁上來(lái)了，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象。 直到1877年才真正應(yīng)用于研究的濺射設(shè)備上。迄后70年中，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)濺射機(jī)理的認(rèn)同長(zhǎng)期處于模糊不清狀態(tài)。 到了20世紀(jì)中期，陰極濺射技術(shù)發(fā)展也相當(dāng)(xingdng)緩慢，只是在化學(xué)活性極強(qiáng)的材料、貴金屬材料、介質(zhì)材料和難熔金屬材料的薄膜制備工藝中，采用濺射技術(shù)。 1、陰極濺射技術(shù)(jsh)發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展第1頁(yè)/共23頁(yè)第一頁(yè)，共24頁(yè)。一、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)簡(jiǎn)介 在1970年出現(xiàn)了磁控濺射技術(shù)隨后商品化的磁控濺射設(shè)備供應(yīng)于世，

2、大大地?cái)U(kuò)展了濺射技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域。 最近15年來(lái)，磁控濺射技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并出現(xiàn)了一系列新的濺射技術(shù)如:平衡磁控濺射技術(shù)、非平衡磁控濺射技術(shù)、多靶非平衡磁控濺射技術(shù)、反應(yīng)磁控濺射技術(shù)、中頻(zhngpn)磁控濺射技術(shù)、脈沖磁控濺射技術(shù)。 隨著工業(yè)薄膜制備的需求和表面技術(shù)的發(fā)展，新型磁控濺射技術(shù)如高速濺射、自濺射等成為目前磁控濺射領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢(shì)。 2、磁控濺射技術(shù)(jsh)出現(xiàn)與進(jìn)展第2頁(yè)/共23頁(yè)第二頁(yè)，共24頁(yè)。二、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)原理 直流二級(jí)濺射鍍膜就是利用低氣壓輝光放電產(chǎn)生的氬氣正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶材,把靶材中的原子或分子等粒子濺射出而沉積到基片或者工件表面,

3、形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過(guò)程中濺射出的粒子的能量(nngling)很低,導(dǎo)致成膜速率不高。1、直流二級(jí)濺射(jin sh)第3頁(yè)/共23頁(yè)第三頁(yè)，共24頁(yè)。二、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)原理 磁控濺射技術(shù)是為了提高成膜速率在直流二級(jí)濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,在靶材表面建立與電場(chǎng)正交的磁場(chǎng),氬氣電離率從0.3%0.5%提高到了5%6%,解決了濺射鍍膜沉積速率低的問(wèn)題,是目前工業(yè)上精密鍍膜的主要方法之一。 磁控濺射陰極靶材的原料很廣,幾乎所有(suyu)金屬、合金以及陶瓷材料都可以制備成靶材。磁控濺射鍍膜在相互垂直的磁場(chǎng)和電場(chǎng)的雙重作用下,沉積速度快,膜層致密且與基片附著性好,非常適合于大批

4、量且高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。 2、磁控濺射技術(shù)(jsh)第4頁(yè)/共23頁(yè)第四頁(yè)，共24頁(yè)。二、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)原理 磁控濺射的工作原理是在輝光放電的兩極之間引入磁場(chǎng)，電子受電場(chǎng)加速作用的同時(shí)受到磁場(chǎng)的束縛(shf)作用，運(yùn)動(dòng)軌跡成擺線，增加了電子和帶電粒子以及氣體分子相碰撞的幾率，提高了氣體的離化率，降低了工作氣壓，而氬離子在高壓電場(chǎng)加速作用下，與靶材撞擊并釋放能量，使靶材表面的靶原子逸出靶材飛向基板，并沉積在基板上形成薄膜。 2、磁控濺射技術(shù)(jsh)第5頁(yè)/共23頁(yè)第五頁(yè)，共24頁(yè)。二、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)原理 2、磁控濺射技術(shù)(jsh)第6頁(yè)/共23頁(yè)第六頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁

5、控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展平衡磁控濺射即傳統(tǒng)的磁控濺射，是在陰極靶材背后(bihu)放置芯部與外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈，在靶材表面形成與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)：降低濺射過(guò)程中的氣體壓力 提高濺射的效率和沉積速率缺點(diǎn)：不適用于較大的工件和裝爐量 易生成多孔粗糙柱狀結(jié)構(gòu)薄膜 1、平衡(pnghng)磁控濺射技術(shù)第7頁(yè)/共23頁(yè)第七頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展非平衡磁控濺射技術(shù)部分解決了平衡磁控濺射的不足,使陽(yáng)極基片沉浸在等離子體中,減少了粒子移動(dòng)的距離?！胺瞧胶狻笔菍?duì)濺射靶表面磁場(chǎng)分布而言，有兩種結(jié)構(gòu)，一種是邊緣強(qiáng)一種是中部強(qiáng)。這樣(zhyng)濺射出來(lái)的原

6、子和粒子沉積在基體表面形成薄膜，且等離子體以一定的能量轟擊基體，起到輔助沉積的作用，大大地改善了膜層的質(zhì)量 2、非平衡(pnghng)磁控濺射技術(shù)第8頁(yè)/共23頁(yè)第八頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展單獨(dú)的非平衡磁控靶在基片上很難沉積出均勻的薄膜層，多靶非平衡磁控濺射鍍膜系統(tǒng),彌補(bǔ)了單靶非平衡磁控濺射的不足。多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)根據(jù)磁場(chǎng)(cchng)的分布方式可以分為相鄰磁極相反的閉合磁場(chǎng)(cchng)非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場(chǎng)(cchng)非平衡磁控濺射。 2、非平衡(pnghng)磁控濺射技術(shù)第9頁(yè)/共23頁(yè)第九頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展隨

7、著表面工程技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多地用到各種化合物薄膜材料?？梢灾苯邮褂没衔锊牧现谱鞯陌胁耐ㄟ^(guò)濺射來(lái)制備化合物薄膜,也可在濺射金屬或合金靶材時(shí), 通入一定的反應(yīng)氣體,通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備化合物薄膜,后者被稱為反應(yīng)磁控濺射。一般來(lái)說(shuō)純金屬作為靶材和氣體反應(yīng)較容易得到高質(zhì)量的化合物薄膜,因而大多數(shù)化合物薄膜是用純金屬為靶材的反應(yīng)濺磁控射來(lái)制備的。在沉積介電材料或絕緣材料化合物薄膜的反應(yīng)磁控濺射時(shí)，容易出現(xiàn)(chxin)遲滯現(xiàn)象。 3、反應(yīng)(fnyng)磁控濺射技術(shù)第10頁(yè)/共23頁(yè)第十頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)原理 濺射沉積室中的反應(yīng)(fnyng)氣體流量較低時(shí)（A-B）此時(shí)沉積膜

8、基本上屬金屬態(tài)，此時(shí)的濺射狀態(tài)為金屬模式。 反應(yīng)(fnyng)氣體的流量稍微增加（B-C）濺射速率會(huì)發(fā)生大幅度的下降，此時(shí)的濺射狀態(tài)為過(guò)渡模式。 反應(yīng)(fnyng)氣體流量再進(jìn)一步增加，沉積速率的變化不大沉積膜呈現(xiàn)為化合物膜，此時(shí)的濺射狀態(tài)為反應(yīng)(fnyng)模式。 逐漸減小反應(yīng)(fnyng)氣體流量（D-E），濺射速率不會(huì)由C立刻回升到B，而呈現(xiàn)緩慢回升的狀態(tài)，直到減小到某個(gè)數(shù)值E，才會(huì)出現(xiàn)突然上升到金屬模式濺射狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，形成閉合的遲滯回線。 3、反應(yīng)(fnyng)磁控濺射技術(shù)-遲滯現(xiàn)象第11頁(yè)/共23頁(yè)第十一頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展 靶中毒：遲滯現(xiàn)象使反應(yīng)氣體與

9、靶材作用生成的化合物覆蓋(fgi)(fgi)在靶材表面，積累大量的正電荷無(wú)法中和，在靶材表面建立越來(lái)越高的正電位，陰極位降區(qū)的電位隨之降低，最終陰極位降區(qū)電位降減小到零，放電熄滅，濺射停止，這種現(xiàn)象稱為靶中毒。 打?。寒?dāng)靶材表面化合物層電位足夠高時(shí)，進(jìn)而發(fā)生擊穿，巨大的電流流過(guò)擊穿點(diǎn)，形成弧光放電，導(dǎo)致局部靶面瞬間被加熱到很高的溫度，發(fā)生噴射出現(xiàn)“打弧”現(xiàn)象。 靶中毒和打弧導(dǎo)致了濺射沉積的不穩(wěn)定，縮短了靶材的使用壽命！ 解決辦法：最為有效解決直流反應(yīng)濺射靶中毒和打弧問(wèn)題的方式是改變?yōu)R射電源，如采用射頻，中頻脈沖電源。 3、反應(yīng)(fnyng)磁控濺射技術(shù)第12頁(yè)/共23頁(yè)第十二頁(yè)，共24頁(yè)。三、

10、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展 將直流磁控濺射電源改為交流中頻電源即成為中頻磁控濺射。在中頻反應(yīng)濺射過(guò)程中，當(dāng)靶上所加的電壓處在負(fù)半周期時(shí)，靶材表面被正離子轟擊濺射，在正半周期，等離子體中的電子加速飛向靶材表面，中和了靶材表面沉積化合物層累積的正電荷，從而抑制了打弧現(xiàn)象的發(fā)生。 在確定的工作場(chǎng)強(qiáng)下，頻率越高，等離子體中正離子被加速的時(shí)間越短，正離子從外電場(chǎng)(din chng)吸收的能量就越少，轟擊靶時(shí)的能量就越低，濺射速率就會(huì)下降，因此為了維持較高的濺射速度，中頻反應(yīng)濺射電源的頻率一般為1080HZ 4、中頻(zhngpn)磁控濺射技術(shù)第13頁(yè)/共23頁(yè)第十三頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)

11、(jsh)發(fā)展 4、中頻(zhngpn)磁控濺射技術(shù) 中頻磁控濺射常同時(shí)濺射兩個(gè)靶，并排配置的兩個(gè)靶的尺寸與外形完全相同，通常稱為孿生靶如圖所示，在濺射過(guò)程中，兩個(gè)靶周期性輪流作為陰極和陽(yáng)極，既抑制(yzh)了靶面打火，而且消除普通直流反應(yīng)濺射是陽(yáng)極消失現(xiàn)象，使濺射過(guò)程得以穩(wěn)定進(jìn)行。第14頁(yè)/共23頁(yè)第十四頁(yè)，共24頁(yè)。三、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展脈沖磁控濺射是采用矩形波電壓的脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電源進(jìn)行磁控濺射沉積。脈沖磁控濺射技術(shù)可以有效的抑制電弧產(chǎn)生進(jìn)而消除由此產(chǎn)生的薄膜缺陷，同時(shí)可以提高濺射沉積速率，降低沉積溫度等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)。脈沖可分為雙向脈沖和單向脈沖。雙向脈沖在一個(gè)周期內(nèi)

12、存在正電壓和負(fù)電壓兩個(gè)階段，在負(fù)電壓段，電源工作于靶材的濺射，正電壓段，引入電子中和靶面累積的正電荷，并使表面清潔，裸露出金屬表面。脈沖磁控濺射通常采用方波脈沖波形(b xn)，在中頻段即可有效消除異?；」夥烹姷陌l(fā)現(xiàn)電弧放電。 5、脈沖(michng)磁控濺射技術(shù)第15頁(yè)/共23頁(yè)第十五頁(yè)，共24頁(yè)。四、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)的發(fā)展 雙向脈沖更多地用于雙靶閉合式非平衡磁控濺射系統(tǒng)(xtng)如圖所示，系統(tǒng)(xtng)中的兩個(gè)磁控靶連接在同一脈沖電源上，與中頻孿生靶相似，兩個(gè)靶交替充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，陰極靶在濺射的同時(shí)，陽(yáng)極靶完成表面清潔，如此周期性地變換磁控靶極性，就產(chǎn)生了“自清潔”效應(yīng)。 6

13、、脈沖(michng)磁控濺射技術(shù)第16頁(yè)/共23頁(yè)第十六頁(yè)，共24頁(yè)。四、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)的發(fā)展 高速濺射：高速濺射能夠?qū)崿F(xiàn)高速率沉積，可以縮短濺射鍍膜的時(shí)間，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率；有可能替代目前對(duì)環(huán)境有污染的電鍍工藝。 自濺射：當(dāng)濺射率非常高，以至于在完全沒(méi)有惰性氣體的情況下也能維持放電，即是僅用離化的被濺射材料的蒸汽來(lái)維持放電，這種磁控濺射被稱為自濺射。被濺射材料的離子化以及減少甚至取消惰性氣體，會(huì)明顯地影響薄膜形成的機(jī)制，加強(qiáng)沉積薄膜過(guò)程中合金化和化合物形成中的化學(xué)反應(yīng)(huxu fnyng)。由此可能制備出新的薄膜材料，發(fā)展新的濺射技術(shù)，例如在深孔底部自濺射沉積薄膜。 6、磁

14、控濺射新發(fā)展(fzhn)第17頁(yè)/共23頁(yè)第十七頁(yè)，共24頁(yè)。四、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)的應(yīng)用 光 學(xué) 薄 膜 應(yīng) 用 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) 已 有 多 年 ， 中 頻 閉 合 場(chǎng) 非 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 也 已 在 光 學(xué) 薄 膜 ( 如 增 透 膜 ) 、 低 輻 射 玻 璃 和 透 明 導(dǎo) 電 玻 璃 等 方 面 ( f n g m i n ) 得 到 應(yīng) 用 。 特 別是 透 明 導(dǎo) 電 玻 璃 目 前 廣 泛 應(yīng) 用 于 平 板 顯 示 器 件 、 太 陽(yáng) 能 電 池 、 微 波 與 射 頻 屏 蔽 裝 置 與 器 件 、 傳 感 器 等 。 透 明 導(dǎo) 電

15、 玻 璃 在 玻 璃 基 片 或 柔 性 襯 底 上 , 濺 射 制 備 S i O 2 薄 膜 和 摻 雜 Z n O 或I n S n 氧 化 物 ( I T O ) 薄 膜 。 I T O 薄 膜 最 低 電 阻 率 接 近 1 0 2 5 c m 量 級(jí) , 可 見(jiàn) 光 范 圍 內(nèi) 平 均 光 透 過(guò) 率 在 9 0 % 以 上 1、光學(xué)(gungxu)鍍膜第18頁(yè)/共23頁(yè)第十八頁(yè)，共24頁(yè)。四、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)的應(yīng)用 1、光學(xué)(gungxu)鍍膜第19頁(yè)/共23頁(yè)第十九頁(yè)，共24頁(yè)。四、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)的應(yīng)用采用磁控濺射技術(shù)在玻璃管上鍍制AlNAl膜。太陽(yáng)能集熱真空管鍍膜主要是應(yīng)用(yngyng)其生產(chǎn)線具有自動(dòng)化程度好、性能先進(jìn)、優(yōu)質(zhì)品率高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。 2、太陽(yáng)能玻璃管上鍍膜第20頁(yè)/共23頁(yè)第二十頁(yè)，共24頁(yè)。二、磁控濺射鍍膜技術(shù)(jsh)發(fā)展 3、自清潔(qngji)玻璃基于 TiO2光催化作用的自清潔玻璃亦將成為一個(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)。玻璃表面所鍍的TiO2膜或其他半導(dǎo)體膜還能分解空氣中的有機(jī)物，以凈化空氣，且催化空氣中的氧氣使之變?yōu)樨?fù)氧離子，從而使空氣變得清新，同時(shí)(tngsh)能殺滅玻璃表面的細(xì)菌和空氣中的細(xì)菌。第21頁(yè)/共