真空濺射鍍膜技術(shù)ppt課件

真空濺射鍍膜技術(shù) 目錄 一 濺射鍍膜的相關(guān)概念二 濺射的基本原理三 濺射鍍膜的類型四 濺射鍍膜相關(guān)外包廠簡介五 濺射鍍膜案例分析 表面技術(shù)工程是將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計 利用表面改性技術(shù) 薄膜技術(shù)和涂層技術(shù) 使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程 薄膜技術(shù)是表面工程三大技術(shù)之一 一般把小于25um大于100nm的膜層稱為薄膜 大于25um的膜層稱為厚膜 小于100nm的膜層稱為納米薄膜 真空鍍膜是薄膜技術(shù)的最具潛力的手段 也是納米技術(shù)的主要支撐技術(shù) 所謂納米技術(shù) 如果離開了真空鍍膜 它將會失去半壁江山 真空鍍膜分為 蒸發(fā)鍍膜 離子鍍膜 濺射鍍膜 和 化學(xué)氣相沉積 四種形式 按功能要求可分為 裝飾性鍍膜 和 功能性鍍膜 濺射是指荷能粒子轟擊 固體表面 使 固體原子或分子 從表面射出的現(xiàn)象 利用濺射現(xiàn)象沉積薄膜的技術(shù)叫 濺射鍍膜 3中性原子在室溫下的熱運(yùn)動能約為 0 026eV 4蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子能量約 0 1eV 5 濺射鍍膜的特點正確的是 A B C D A 任何物質(zhì)均可以濺射 尤其是高溶點 低蒸氣壓的元素和化合物 B金屬 半導(dǎo)體 絕緣體 化合物和混合物等 只要是固體 不論是塊狀 粒狀都可以作為靶材 C濺射氧化物等絕緣材料和合金時可制得與靶材料相近的薄膜和組分均勻的合金膜 超導(dǎo)膜 D濺射膜與基板的附著性好 6 沉積 和 刻蝕 是濺射過程的兩種應(yīng)用 7 靶材有 燒結(jié) 和 熱壓 兩種 熱壓靶材 含有大量的氣體 預(yù)濺射 可以使這些氣體得到釋放后被抽走 b 對一個純金屬靶來說 它的表面會有一層 氧化物 要想獲得純金屬膜 必須將這層氧化物去掉 c 對合金或化合物靶 也必須作 預(yù)濺射 使靶面露出新材料 2 荷能粒子是指具有一定動能的電子 光子 重粒子 質(zhì)子 中子 離子 原子 如果它們以足夠的能量與固體表面碰撞 但又不足以發(fā)生核反應(yīng) 這時所發(fā)生的種種次級反應(yīng)是近代真空技術(shù)感興趣的內(nèi)容 1 在可控?zé)岷朔磻?yīng)真空空間 從等離子體內(nèi)所逃逸的核能離子撞擊器壁表面 產(chǎn)生氣相雜質(zhì) 嚴(yán)重地影響等離子體的濃度和溫度 2 高能加速器交叉儲存環(huán)要求良好的超高真空環(huán)境 然而 加速粒子對壁面的轟擊脫附出氣 會破壞已近達(dá)到的真空度 3 重粒子對材料的濺射剝蝕是濺射粒子泵 濺射鍍膜 離子刻蝕的基本工作依據(jù) 4 氬氧混合輝光放電 氬離子轟擊是獲得清潔表面的有效手段 5 電子轟擊加熱 電子轟擊分解是電離規(guī) 電真空器件電極出氣的重要方法之一 6 軟X射線光電流 電子誘導(dǎo)脫附是影響電離規(guī)測量下限的因素 用這些粒子以及熱 強(qiáng)電場為探針作用于固體表面 然后分析出射粒子的狀況 已獲得固體表面的豐富信息 這就是上個世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的表面分析技術(shù) 3 現(xiàn)代表面分析技術(shù)的手段 1 透射電子顯微鏡EM 和掃描電子顯微鏡 SEM 2 聲學(xué)成象和聲顯微鏡 SAM 3 掃描隧道顯微鏡 STM 和原子力顯微鏡AFM 4 X光衍射儀 5 低能電子衍射儀 LEED 6 俄歇電子能譜 AES 7 X射線光電子能譜 XPS 8 二次離子質(zhì)譜儀 SIMS 9 盧瑟福背散射能譜分析 RBS 10 溝道技術(shù) 11 熱波檢測和熱波成象技術(shù) 4 粒子的能量 1 中性原子在室溫下的熱運(yùn)動能約為0 026eV 2 蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的原子能量約0 1eV 3 對入射粒子能量小于30eV 只發(fā)生背散射 輕的濺射和原子位移 4 濺射出的原子能量在5 40eV 5 濺射時入射原子的能量一般在30 3000eV 6 離子鍍中轟擊離子的能量一般在50 5000eV 7 入射粒子能量在3 104 106eV主要發(fā)生非彈性碰撞 高激發(fā)能級變得很普遍 電離作用明顯 輻射探傷即在此區(qū)域 H He原子的能量達(dá)105eV即發(fā)生核反應(yīng) 對重粒子發(fā)生核反應(yīng)的原子能量為106eV 對濺射鍍膜一般用氬作入射離子 原因有 1 經(jīng)濟(jì) 2 可避免與靶材起化學(xué)反應(yīng) 5 濺射的作用 在預(yù)濺射時 在靶面的正前方應(yīng)有一個活動擋板擋住基片使其免遭污染 2 襯底的預(yù)處理a 任何材料在裝入真空室之前都要進(jìn)行化學(xué)清洗或適當(dāng)?shù)某龎m處理 b 在沉積膜之前 如果將基片接負(fù)電位 利用輝光放電 氣體離子可對基片進(jìn)行轟擊實現(xiàn)濺射清洗 一可清除表面的吸附氣體 各種污染物和氧化物 二可除掉粘附力弱的淀積粒子 三可使其表面增加活性使沉積膜與基片之間的附著力增加 3 濺射的刻蝕作用濺射可以實現(xiàn)微米 亞微米和納米級的微細(xì)加工 a 濺射刻蝕 待刻蝕的樣品作為陰極 輝光放電 產(chǎn)生的Ar 以高能量打到陰極晶片上 實現(xiàn)刻蝕 刻蝕時晶片必須水冷且對晶片冷卻必須有效 磁頭Ionmilling刻蝕深度在50 200nm范圍內(nèi) b 離子束刻蝕 有一個獨(dú)立產(chǎn)生離子的離子源系統(tǒng) 產(chǎn)生的離子可以聚焦成細(xì)束 可以通過擺動和移動系統(tǒng)由計算機(jī)控制進(jìn)行無掩膜的刻蝕 c 等離子刻蝕 是以化學(xué)反應(yīng)為主兼有物理作用的刻蝕工藝 它是在濺射時通如活性氣體 通常選用含有一種或多種鹵族原子的分子氣體用于等離子體腐蝕硅 硅化物和一些金屬 如計算機(jī)磁頭的加工 其基材主要是陶瓷材料Al2O3 TiC 采用RIE 活化離子刻蝕 通如Ar CF4 C2F6等氣體 與Al2O3 TiC反應(yīng) 即是以化學(xué)反應(yīng)為主兼有物理刻蝕的工藝 C 濺射鍍膜密度高 針孔少 且膜層的純度高 它不存在真空蒸鍍無法避免的坩堝污染現(xiàn)象 D 膜厚可控性和重復(fù)性好 放電電流和靶電流可分別控制 缺點 1 設(shè)備復(fù)雜 需高壓裝置 2 基板溫度高 易受雜質(zhì)影響 3 速率底 蒸鍍?yōu)?0 1 5um min 濺鍍?yōu)?0 01 0 5 min 由于射頻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)的發(fā)展 在實現(xiàn)快速濺射和降低基板溫度方面已獲得了很大進(jìn)步 二 濺射的基本原理要實現(xiàn)濺射鍍膜 關(guān)鍵是要獲得高能量的離子 高能量的離子從哪里來 濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應(yīng) 而整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上 即濺射離子都來源于氣體放電 輝光放電分為1 無光放電2 湯森放電3 輝光放電4 非正常輝光放電5 弧光放電 V Ar Ar e 1 無光放電 宇宙射線在電場下加速形成極小的電流 中性分子開始電離 不發(fā)光 2 湯森放電 電壓增加后 更多氣體分子被電離 電流可在電壓不變下增加 3 輝光放電 當(dāng)電壓繼續(xù)增大后 電壓突然降低 電流突然增大 氣體被擊穿 出現(xiàn)帶有顏色的輝光 4 非正常輝光放電 電流增大 電壓升高 1 直流輝光放電 5 弧光放電 極間電壓陡降 電流突然增大 相當(dāng)于極間短路 由于正常輝光放電的電流密度仍比較小 所以濺射均在非正常輝光放電的區(qū)域進(jìn)行 2 正常與異常輝光放電 a 阿斯頓暗區(qū) 由于從冷陰極發(fā)射的電子只有1eV 很少發(fā)生電離碰撞 所以在陰極附近形成阿斯頓暗區(qū) b 陰極輝光 加速電子碰撞氣體分子 激發(fā)態(tài)的分子衰變與進(jìn)入該區(qū)的離子復(fù)合造成的 c 克魯斯克暗區(qū) 穿過陰極輝光區(qū)后不易復(fù)合 又出現(xiàn)一個暗區(qū) d 負(fù)輝光區(qū) 電子速度增大引起電離產(chǎn)生大量正離子 使電子與正離子復(fù)合幾率增多產(chǎn)生明亮輝光 e 法拉第暗區(qū) 多數(shù)較大能量的電子喪失能量使其為暗區(qū) f 正離子柱區(qū)域 經(jīng)法拉力暗區(qū)后 形成電子與正離子密度相等的區(qū)域 再濺射過程中 基板常處于負(fù)輝光區(qū) 3 輝光放電陰極附近的分子狀態(tài)與濺射有關(guān)的重要問題有兩個 一是在克魯斯克暗區(qū)周圍所形成的正離子沖擊陰極 二是當(dāng)兩極板間的電壓不變而改變兩極間的距離時 主要發(fā)生變化的是由等離子體構(gòu)成的陽極光柱部分的長度 而由陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離是幾乎不改變的 因而是由輝光放電產(chǎn)生的正離子撞擊陰極 把陰極原子濺射出來 這就是一般的濺射法 陰極與陽極間的距離至少必須比陰極與負(fù)輝光區(qū)之間的距離要長 4 低頻交流輝光放電因其頻率低于50kHz 離子有足夠的活動性和充分的時間在每個半周期內(nèi)建立直流輝光放電 只是兩個電極交替成為陰極和陽極 5 射頻輝光放電在一定的氣壓下 當(dāng)陰陽極間所加交流電壓的頻率增高到射頻頻率時 即可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電 兩個重要特征 1 在輝光放電空間產(chǎn)生的電子獲得了足夠的能量 足以產(chǎn)生碰撞電離 2 電極并不需要是導(dǎo)體 因而可以濺射包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料 6 濺射過程1 濺射過程 入射離子與靶材碰撞 使其獲得的能量超過其結(jié)合能使靶原子濺射 2 濺射離子的遷移過程 入射離子轟擊被鍍材料后會產(chǎn)生電子發(fā)射 離子發(fā)射 中性原子或分子發(fā)射 輻射濺射 氣體解氣 背反射 注入 擴(kuò)散 加熱等現(xiàn)象 靶材受到轟擊所以逸出的粒子中 正離子由于反向電場的作用不能到達(dá)基片 其余的離子均會向基片遷移 3 濺射離子成膜的相關(guān)問題 1 淀積速率 是指從靶材上濺射出來的物質(zhì) 在單位時間內(nèi)淀積到基片上的厚度 2 淀積薄膜的純度 真空室的殘余氣體是影響薄膜純度的主要因素 解決的方法是 a 提高真空室的真空度 10 3 10 1Pa較合適 b 增加送氬量 3 淀積過程中的污染a 真空室壁和其它零件可能有吸附氣體 水氣和二氧化碳 淀積時冷卻 在抽氣過程中進(jìn)行高溫烘烤 b 擴(kuò)散泵的油回流 加阻尼器 用高真空閥門為節(jié)氣閥 用阻尼器 渦輪分子泵代替擴(kuò)散泵 c 基片表面的顆粒 淀積前對基片進(jìn)行徹底清洗 4 成膜過程中的濺射條件控制a 應(yīng)選擇濺射率高 對靶材呈惰性 價廉 高純的濺射氣體 b 應(yīng)注意濺射電壓和基片電位對薄膜特性的嚴(yán)重影響 c 基片溫度直接影響膜層的生長及特性 d 靶材中雜質(zhì)和表面氧化物等不純物質(zhì)是污染薄膜的重要因素 在濺射之前對靶進(jìn)行預(yù)濺射是使靶表面凈化的有效手段 e 電場 磁場 氣氛 靶材 基片 溫度 幾何結(jié)構(gòu) 真空度等的影響也不可忽視 7 濺射機(jī)理1 熱蒸發(fā)理論2 動量轉(zhuǎn)移理論低能離子碰撞靶時 不能從固體表面直接濺射出原子 而是靶動量轉(zhuǎn)移給被碰撞的原子 引起晶格點陣上原子的連鎖式碰撞 如果某個原子得到的能量大于原子的結(jié)合能 就會從固體表面被濺射出來 8 濺射特性 濺射閾值 指靶材原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量 濺射率 平均每個正離子能從陰極打出的原子數(shù) 濺射率與哪些因素有關(guān) 1 靶材料 隨靶材原子序數(shù)增大而增大 2 入射離子能量 濺射原子的能量 一般為500 5000eV 原子量越大 濺射率越高 3 入射離子種類 原子量越大 則濺射率越高 4 入射離子角度 5 靶材溫度 主要與靶材的升華能相關(guān)的某溫度值有關(guān) 9 濺射原子的能量和速度的特點 1 重元素靶材有較高的逸出能量 輕元素靶材則有較高的逸出速度 2 濺射率較高的靶材通常有較低的平均原子逸出能量 3 原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加 4 原子逸出能量隨入射離子能量增大而增大 達(dá)1keV時平均逸出能量逐漸趨于恒定值 5 在傾斜方向逸出的原子具有較高的逸出能量 靶材的結(jié)晶趨向與晶體結(jié)構(gòu)對逸出能量影響不大 10 濺射原子的角度分布 熱峰蒸發(fā)理論認(rèn)為 濺射原子角度分布符合余弦定律 與入射離子方向無關(guān) 但是 1 低能離子轟擊時逸出原子的分布不遵從余弦分布規(guī)律 2 垂直于靶表面方向逸出的原子數(shù)少于按余弦分布時應(yīng)有的逸出數(shù) 3 對不同的把材 角分布與余弦分布的偏差也不相同 4 濺射原子的逸出方向與晶格結(jié)構(gòu)有關(guān) 5 單晶靶材可觀察到濺射原子明顯的擇優(yōu)取向 而多晶固體顯示一種余弦分布 五 濺射鍍膜的類型1 二極濺射被濺射的靶和成膜的基板及其固定架構(gòu)成了濺射的兩個極即二極濺射 靶材必須是導(dǎo)體 特點 1 結(jié)構(gòu)簡單 2 可大面積制得均勻薄膜 3 放電電流隨壓強(qiáng)和電壓的變化而變化 缺點 1 濺射參數(shù)不易獨(dú)立控制 工藝重復(fù)性差 2 薄膜純度較差 3 基片溫升高 淀積速率低 4 靶材必須是良導(dǎo)體 2 三極或四極濺射它是在二級濺射的基礎(chǔ)上附加一個熱陰極及穩(wěn)定極 提高了參數(shù)的可控性和工藝重復(fù)性 可實現(xiàn)低氣壓 低電壓濺射 可控制靶電流 也可進(jìn)行射頻濺射 缺點 1 基板的溫升較高 2 燈絲壽命短 膜層有污染現(xiàn)象 3 不適于反應(yīng)鍍膜 3 偏壓濺射它與二極濺射的區(qū)別在于基片上施加一固定直流偏壓 0 500V內(nèi)使基片對陽極處于正或負(fù)電位 1 鍍膜時隨時清除可能進(jìn)入薄膜表面的氣體 有利于提高薄膜純度 2 可除掉粘附力弱的淀積粒子 3 淀積前可對基片進(jìn)行轟擊清洗 使表面凈化 從而提高了薄膜的附著力 4 射頻濺射利用射頻輝光放電產(chǎn)生濺射所需正離子 對射頻電壓 上半周電子可以飛向靶表面中和正電荷實現(xiàn)絕緣材料的濺射 并在靶面迅速積累大量電子呈負(fù)電位 導(dǎo)致在射頻電壓的正半周時也引起離子轟擊靶材 用途 適合作絕緣膜 半導(dǎo)體膜 如SiO2 Al2O3玻璃膜等 也可濺射金屬膜 5 磁控濺射電子e在電場E作用下 在飛向基板的過程中與氬原子發(fā)生碰撞 使其電離出Ar 和一個新的電子e 電子飛向基片 Ar 在電場作用下加速飛向陰極靶 并以高能量轟擊靶表面 是靶材發(fā)生濺射 磁場與電場正交 并與陰極表面平行 通過磁場束縛和延長電子的運(yùn)動軌跡來提高離化率 減少電子與基板的轟擊 實現(xiàn)低溫高速濺射 磁控濺射源主要有三種 1 柱狀磁控濺射源 適于制作大面積濺射膜 在工業(yè)上應(yīng)用較廣泛 2 平面磁控濺射源 圓形的可以制成小靶 矩形的可以制成大靶 其結(jié)構(gòu)簡單 造價低 通用性強(qiáng) 應(yīng)用最廣 3 濺射槍 其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 一般配行星式夾具使用 特點 靶材利用率高 膜厚分部均勻 靶功率密度大 易于更換靶材 6 對象靶濺射 兩個靶對象放置 陽極放置在靶面垂直部位 和磁場一起起到約束等離子體的作用 電子在向陽極運(yùn)動過程中受磁場的作用 兩靶上有較高負(fù)偏壓 部分電子幾乎沿直線運(yùn)動 到對面靶的陰極區(qū)被減速 然后又反方向加速運(yùn)動 對象靶濺射具有濺射速率高 基板溫度低 可淀積磁性薄膜等優(yōu)點 7 反應(yīng)濺射 反應(yīng)濺射中產(chǎn)生一股強(qiáng)大的又在能游離原子團(tuán)組成的離子流伴隨作濺射出來的靶原子從陰極靶流向基片 在基片上克服與薄膜生長有關(guān)的激活能且形成化合物 它是在氬氣中加入適量活性反應(yīng)氣體如O2 N2等可獲得新的化合物薄膜 如 氧化物 Al2O3 氮化物 TiN 碳化物 TiC 硅化物 SiO2 等 在很多情況下 只要簡單地改變?yōu)R射時反應(yīng)氣體與惰性氣體的比例 就可改變薄膜的性質(zhì) 8 離子束濺射 又稱粒子束沉積 由大口徑離子束發(fā)生源引出惰性氣體離子 Ar Xe 等 使其照射在靶上產(chǎn)生濺射作用 利用濺射出的離子淀積在基片上制得薄膜 優(yōu)點 1 氣體雜質(zhì)少 純度較高 2 基片的溫升低 3 可對制膜條件進(jìn)行獨(dú)立嚴(yán)格控制 重復(fù)性好 4 適于鍍多成分薄膜 5 各種粉末 介質(zhì)材料 金屬材料和化合物材料均可濺射 濺射鍍膜共有11種方式 9 濺射方法的比較9 1二極濺射 構(gòu)造簡單 可大面積鍍制均勻薄膜 放電電流隨壓強(qiáng)和電壓的改變而變化 9 2三極或四極濺射可實現(xiàn)低氣壓 低電壓濺射 可獨(dú)立控制放電電流和轟擊靶的離子能量 可控制靶電流 也可實現(xiàn)射頻濺射 9 3磁控濺射 高速低溫濺射 在于靶表面平行的方向系加磁場 利用電場與磁場正交的磁控管原理 減少電子對基板的轟擊 實現(xiàn)高速低溫濺射 9 4對象靶濺射兩個靶對向放置 在垂直于靶的表面方向加磁場 可以對磁性材料等進(jìn)行高速低溫濺射 9 5射頻濺射為制取絕緣薄膜 如SiO2Al2O3玻璃薄膜等而研制 也可濺射金屬 9 6反應(yīng)濺射在氬其中混入適量活性氣體如O2 N2等 制作陰極物質(zhì)的化合物薄膜 如TiN SiC AlN Al2O3等 9 7偏壓濺射鍍膜過程中同時清除基片上輕質(zhì)量的帶電粒子 從而使基片中不含有不純氣體 H2O N2等 9 8非對稱交流濺射在振幅大的半周期內(nèi)對靶進(jìn)行濺射 在振幅小的半周期內(nèi)對堆基片進(jìn)行離子轟擊 清除吸附的氣體 以獲得高純度薄膜 9 9離子束濺射在高真空下 利用離子束濺射鍍膜 是非等離子體狀態(tài)下的成膜過程 靶接地電位也可 9 10吸氣濺射利用對濺射粒子的吸氣作用 除去不純氣體 能獲得高純度薄膜 10 濺射膜厚的均勻性膜厚均勻性是衡量膜厚質(zhì)量和鍍膜裝置性能的一個重要指標(biāo) 提高膜厚均勻的方法 1 優(yōu)化靶材與基板的距離 2 改變基片的運(yùn)動方式 3 增加擋板機(jī)構(gòu) 4 實施膜厚監(jiān)控 四 相關(guān)外包廠真空鍍膜情況簡介相關(guān)外包廠較多 這里僅選幾家典型的作一介紹 第一家 1 擁有法國 美國 德國制造的裝飾性功能的鍍膜機(jī) 2 多真空室連續(xù)箱式鍍膜機(jī) 3 光學(xué)雙旋轉(zhuǎn)磁控反應(yīng)濺射鍍膜機(jī) 主要應(yīng)用于鐘表 首飾 眼鏡 刀具 手機(jī)外殼 面板 玻璃等的真空鍍膜 第二家 1 一條立式濺射鍍膜連續(xù)自動生產(chǎn)線 2 一條臥式濺射鍍膜連續(xù)自動生產(chǎn)線 3 一條大型臥式濺射鍍膜連續(xù)自動生產(chǎn)線 4 另有一檢測實驗室 可進(jìn)進(jìn)行膜厚測試 鹽霧測試 高低溫測試等檢測手段 該廠既可進(jìn)行裝飾性的外觀鍍膜 也可進(jìn)行功能性鍍膜 如抗電磁輻射干擾的金屬膜 EMI 為諾基亞指定廠商 第三家1 熱蒸鍍機(jī) 2 電子束蒸鍍機(jī) 3 兩條低溫連續(xù)式真空濺射鍍膜機(jī) 4 一條卷楊式濺鍍機(jī) 可進(jìn)行各種計算機(jī)按鈕按鍵 手機(jī)外殼 面板等的鍍膜 另外還由一些真空鍍膜廠商 這里不在一一介紹 五 案例分析富士康有許多需要真空鍍膜的產(chǎn)品 我們表面技術(shù)處經(jīng)常被要求解決各事業(yè)處遇到的各種真空鍍膜問題 下面舉幾個例子作一簡要分析 1 手機(jī)外殼真空鍍膜的白點問題8910手機(jī)可真空濺射鍍膜厚表面出現(xiàn)白點 為解決這一問題 我們對清洗和鍍膜制程進(jìn)行了調(diào)查 三氯乙烯超聲波三氯乙烯硫酸浸冷水噴淋氨水中和冷