磁控濺射技術(shù)及其應(yīng)用課件

磁控濺射技術(shù)及其應(yīng)用演講：***2015年10月21日目錄1234磁控濺射鍍膜技術(shù)簡介磁控濺射鍍膜技術(shù)原理磁控濺射鍍膜技術(shù)發(fā)展磁控濺射鍍膜技術(shù)應(yīng)用一、磁控濺射鍍膜技術(shù)簡介1842年格洛夫（Grove）在研究電子管陰極腐蝕問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極材料遷移到真空管壁上來了，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，對濺射機(jī)理的認(rèn)同長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)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)發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展二、磁控濺射鍍膜技術(shù)原理直流二級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,形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過程中濺射出的粒子的能量很低,導(dǎo)致成膜速率不高。1、直流二級濺射二、磁控濺射鍍膜技術(shù)原理磁控濺射技術(shù)是為了提高成膜速率在直流二級濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,在靶材表面建立與電場正交的磁場,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和電場的雙重作用下,沉積速度快,膜層致密且與基片附著性好,非常適合于大批量且高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。2、磁控濺射技術(shù)二、磁控濺射鍍膜技術(shù)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，電子受電場加速作用的同時(shí)受到磁場的束縛作用，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)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)發(fā)展平衡磁控濺射即傳統(tǒng)的磁控濺射，是在陰極靶材背后放置芯部與外環(huán)磁場強(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方向垂直的磁場。優(yōu)點(diǎn)：降低濺射過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、平衡磁控濺射技術(shù)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)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R射靶表面磁場分布而言，有兩種結(jié)構(gòu)，一種是邊緣強(qiáng)一種是中部強(qiáng)。這樣濺射出來的原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、非平衡磁控濺射技術(shù)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)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)磁場的分布方式可以分為相鄰磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射。2、非平衡磁控濺射技術(shù)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)原理濺射沉積室中的反應(yīng)氣體流量較低時(shí)（A-B）此時(shí)沉積膜基本上屬金屬態(tài)，此時(shí)的濺射狀態(tài)為金屬模式。反應(yīng)氣體的流量稍微增加（B-C）濺射速率會發(fā)生大幅度的下降，此時(shí)的濺射狀態(tài)為過渡模式。反應(yīng)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)模式。逐漸減小反應(yīng)氣體流量（D-E），濺射速率不會由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)磁控濺射技術(shù)--遲滯現(xiàn)象三、磁控濺射鍍膜技術(shù)發(fā)展靶中毒：遲滯現(xiàn)象使反應(yīng)氣體與靶材作用生成的化合物覆蓋在靶材表面，積累大量的正電荷無法中和，在靶材表面建立越來越高的正電位，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)磁控濺射技術(shù)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)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10~80HZ4、中頻磁控濺射技術(shù)三、磁控濺射鍍膜技術(shù)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)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，在中頻段即可有效消除異?；」夥烹姷陌l(fā)現(xiàn)電弧放電。

5、脈沖磁控濺射技術(shù)四、磁控濺射鍍膜技術(shù)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)如圖所示，系統(tǒng)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)陰極和陽極，陰極靶在濺射的同時(shí)，陽極靶完成表面清潔，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、脈沖磁控濺射技術(shù)四、磁控濺射鍍膜技術(shù)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，會明顯地影響薄膜形成的機(jī)制，加強(qiáng)沉積薄膜過程中合金化和化合物形成中的化學(xué)反應(yīng)。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、磁控濺射新發(fā)展四、磁控濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用1、光學(xué)鍍膜四、磁控濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用采用磁控濺射技術(shù)在玻璃管上鍍制AlN‐Al膜。太陽能集熱真空管鍍膜主要是應(yīng)用其生產(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