磁控濺射鍍膜原理及工藝.ppt

1、磁控濺射鍍膜原理及工藝,2010級(jí)化學(xué)工程與工藝班 姚偉,摘要,真空鍍膜技術(shù)作為一種產(chǎn)生特定膜層 的技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中有著廣泛的 應(yīng)用。真空鍍膜技術(shù)有三種形式，即蒸 發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。這里主要 講一下由濺射鍍膜技術(shù)發(fā)展來(lái)的磁控濺 射鍍膜的原理及相應(yīng)工藝的研究。,緒論,濺射現(xiàn)象于1870年開(kāi)始用于鍍膜技術(shù)， 1930年以后由于提高了沉積速率而逐漸用于 工業(yè)生產(chǎn)。常用二極濺射設(shè)備如下圖。,通常將欲沉積的材料制成板材-靶，固定在 陰極上。基片置于正對(duì)靶面的陽(yáng)極上，距靶 一定距離。系統(tǒng)抽至高真空后充入（101） 帕的氣體（通常為氬氣），在陰極和陽(yáng)極間 加幾千伏電壓，兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放

2、 電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極，與 靶表面原子碰撞，受碰撞從靶面逸出的靶原 子稱(chēng)為濺射原子，其能量在1至幾十電子伏 范圍內(nèi)。濺射原子在基片表面沉積成膜。,其中磁控濺射可以被認(rèn)為是鍍膜技術(shù) 中最突出的成就之一。它以濺射率高、 基片溫升低、膜-基結(jié)合力好、裝置性能 穩(wěn)定、操作控制方便等優(yōu)點(diǎn)，成為鍍膜 工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(特別是建筑鍍膜玻璃、透 明導(dǎo)電膜玻璃、柔性基材卷繞鍍等對(duì)大 面積的均勻性有特別苛刻要求的連續(xù)鍍 膜場(chǎng)合)的首選方案。,1磁控濺射原理,濺射屬于PDV（物理氣相沉積）三種 基本方法：真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍 （空心陰極離子鍍、熱陰極離子鍍、 電弧離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍、射頻 離子鍍、直

3、流放電離子鍍）中的一種。,磁控濺射的工作原理是指電子在電場(chǎng)E的作用 下，在飛向基片過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，使 其電離產(chǎn)生出Ar正離子和新的電子；新電子飛 向基片，Ar正離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極 靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。 在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基 片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng) 和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）B（磁場(chǎng)）所指 的方向漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)EB漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似 于一條擺線(xiàn)。,若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線(xiàn)形 式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑 不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等 離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大 量的Ar正離子來(lái)轟擊靶材，

4、從而實(shí)現(xiàn)了高 的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次 電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面， 并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。 由于該電子的能量很低，傳遞給基片的 能量很小，致使基片溫升較低。,磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過(guò)程。入射 粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過(guò)程，和靶原子碰 撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其 他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這種級(jí)聯(lián)過(guò) 程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足 夠動(dòng)量，離開(kāi)靶被濺射出來(lái)。,1.1磁控濺射種類(lèi),磁控濺射包括很多種類(lèi)。各有不同工 作原理和應(yīng)用對(duì)象。但有一共同點(diǎn)：利 用磁場(chǎng)與電場(chǎng)交互作用，使電子在靶表 面附近成螺旋狀運(yùn)行，從而增大電子撞 擊氬氣產(chǎn)

5、生離子的概率。所產(chǎn)生的離子 在電場(chǎng)作用下撞向靶面從而濺射出靶材。,1.1.1技術(shù)分類(lèi),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。,三種分類(lèi)的主要對(duì)比如下表：,2磁控濺射工藝研究 2.1濺射變量 2.1.1電壓和功率,在氣體可以電離的壓強(qiáng)范圍內(nèi)如果改變 施加的電壓，電路中等離子體的阻抗會(huì)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。,一般來(lái)說(shuō)：提高電壓可以提高離化率。這樣 電流會(huì)增加，所以會(huì)引起阻抗的下降。提高電 壓時(shí)，阻抗的降低會(huì)大幅度地提高電流，即大 幅度提高了功率

6、。如果氣體壓強(qiáng)不變，濺射源 下的基片的移動(dòng)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(xiàn)性 的關(guān)系。,2.1.2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(gè)高真空 （大約為10-6torr）。然后，由工藝氣體系統(tǒng) （包括壓強(qiáng)和流量控制調(diào)節(jié)器）充入工藝氣 體，將氣體壓強(qiáng)降低到大約210-3torr。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99.995%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

7、率。,2.1.3 氣體壓強(qiáng),將氣體壓強(qiáng)降低到某一點(diǎn)可以提高離子的平均自 由程、進(jìn)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(lái)，也就是提高濺射速率。超 過(guò)該點(diǎn)之后，由于參與碰撞的分子過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致離 化量減少，使得濺射速率發(fā)生下降。如果氣壓過(guò)低， 等離子體就會(huì)熄滅同時(shí)濺射停止。提高氣體壓強(qiáng)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(qiáng)范圍非常狹窄。如果進(jìn)行的是反應(yīng)濺 射，由于它會(huì)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(bǔ)充新的反應(yīng)氣體。,2.1.4 傳動(dòng)速度,玻璃基片在陰極下的移動(dòng)是通過(guò)傳動(dòng)來(lái)進(jìn)行 的。低

8、傳動(dòng)速度使玻璃在陰極范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)的時(shí) 間更長(zhǎng)，這樣就可以沉積出更厚的膜層。不過(guò)， 為了保證膜層的均勻性，傳動(dòng)速度必須保持恒 定。鍍膜區(qū)內(nèi)一般的傳動(dòng)速度范圍為每分鐘0 600 英寸（大約為0 15.24 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(lèi)的 不同，通常的運(yùn)行范圍是每分鐘90 400（大 約為2.286 10.16 米）英寸之間。,2.1.5 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(huì)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(huì)在其中發(fā)揮作用。當(dāng)增加基片與陰極之間的 距離，碰撞

9、的幾率也會(huì)增加，這樣濺射粒子到 達(dá)基片時(shí)所具有的能力就會(huì)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。,2.2系統(tǒng)參數(shù),工藝會(huì)受到很多參數(shù)的影響。其中， 一些是可以在工藝運(yùn)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(yùn)行前可以在一定范 圍內(nèi)進(jìn)行控制。兩個(gè)重要的固定參數(shù) 是：靶結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)。,2.2.1靶結(jié)構(gòu),每個(gè)單獨(dú)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(gè)看起來(lái)完全相 同的靶材可能會(huì)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(diǎn)。如果所有的靶材塊在加工期間具 有相似

10、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(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償。在一套靶中，由于顆粒 結(jié)構(gòu)不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的濺射速率。加工過(guò)程 會(huì)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(huì)存在濺射速率的差異。,同樣，靶材塊的晶體結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)、硬 度、應(yīng)力以及雜質(zhì)等參數(shù)也會(huì)影響到濺射速 率，而這些則可能會(huì)在產(chǎn)品上形成條狀的缺 陷。這也需要在鍍膜期間加以注意。不過(guò)， 這種情況只有通過(guò)更換靶材才能得到解決。 靶材損耗區(qū)自身也會(huì)造成比較低下的濺射速 率。這時(shí)候，為了得到優(yōu)良的膜層，必須重 新調(diào)整功率或傳動(dòng)速度。因?yàn)樗俣葘?duì)于產(chǎn)品 是至關(guān)重要的，所以標(biāo)準(zhǔn)而且適當(dāng)?shù)恼{(diào)整方 法是提高功率。,2.2.2磁場(chǎng),用

11、來(lái)捕獲二次電子的磁場(chǎng)必須在整個(gè)靶面上 保持一致，而且磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)合適。磁場(chǎng)不均 勻就會(huì)產(chǎn)生不均勻的膜層。磁場(chǎng)強(qiáng)度如果不適 當(dāng)（比如過(guò)低），那么即使磁場(chǎng)強(qiáng)度一致也會(huì) 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(huì)使膜層受到污染。如果磁場(chǎng) 強(qiáng)度過(guò)高，可能在開(kāi)始的時(shí)候沉積速率會(huì)非常 高，但是由于刻蝕區(qū)的關(guān)系，這個(gè)速率會(huì)迅速 下降到一個(gè)非常低的水平。同樣，這個(gè)刻蝕區(qū) 也會(huì)造成靶的利用率比較低。,2.3可變參數(shù),在濺射過(guò)程中，通過(guò)改變改變這些參 數(shù)可以進(jìn)行工藝的動(dòng)態(tài)控制。這些可變 參數(shù)包括：功率、速度、氣體的種類(lèi)和 壓強(qiáng)。,2.3.1功率,每一個(gè)陰極都具有自己的電源。根據(jù)陰極 的尺寸和系統(tǒng)設(shè)

12、計(jì)，功率可以在0 150KW （標(biāo)稱(chēng)值）之間變化。電源是一個(gè)恒流源。 在功率控制模式下，功率固定同時(shí)監(jiān)控電壓， 通過(guò)改變輸出電流來(lái)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(shí) 可以調(diào)節(jié)電壓。施加的功率越高，沉積速率 就越大。,2.3.2速度,另一個(gè)變量是速度。對(duì)于單端鍍膜機(jī)， 鍍膜區(qū)的傳動(dòng)速度可以在每分鐘0 600英 寸大約為0 15.24米）之間選擇。對(duì)于雙端 鍍膜機(jī)，鍍膜區(qū)的傳動(dòng)速度可以在每分鐘0 200英寸（大約為0 5.08米）之間選擇。 在給定的濺射速率下，傳動(dòng)速度越低則表 示沉積的膜層越厚。,2.3.3氣體,最后一個(gè)變量是氣體?？梢栽谌N氣體 中選擇兩種作為主氣體和

13、輔氣體來(lái)進(jìn)行 使用。它們之間，任何兩種的比率也可 以進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣體壓強(qiáng)可以在1 510-3 torr之間進(jìn)行控制。,2.3.4陰極/基片之間的關(guān)系,在曲面玻璃鍍膜機(jī)中，還有一個(gè)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(jī)中沒(méi)有可 以調(diào)節(jié)的陰極。,3試驗(yàn) 3.1試驗(yàn)?zāi)康?熟悉真空鍍膜的操作過(guò)程和方法。 了解磁控濺射鍍膜的原理及方法。 學(xué)會(huì)使用磁控濺射鍍膜技術(shù)。 研究不同工作氣壓對(duì)鍍膜影響。,3.2試驗(yàn)設(shè)備,SAJ-500超高真空磁控濺射鍍膜機(jī) （配有純銅靶材）；氬氣瓶；陶瓷基 片；擦鏡紙。,3.3試驗(yàn)原理,3.3.1磁控濺射沉積鍍膜機(jī)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(lái)

14、，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(wèn) 題。磁控濺射系統(tǒng)在陰極靶材的背后放置強(qiáng)力 磁鐵，真空室充入0.110Pa 壓力的惰性氣體 (Ar)，作為氣體放電的載體。,在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+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(guò)程中，受到垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)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(xiàn)的方式沿著靶表 面前進(jìn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷與Ar原子發(fā)生碰 撞，電離出大量的Ar+離子，與沒(méi)有磁控管的 結(jié)構(gòu)的濺射相比，離化率迅速增加10100 倍，因此該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高。,經(jīng)過(guò)多次碰撞后電子的能量逐漸

15、降低， 擺脫磁力線(xiàn)的束縛，最終落在基片、真空 室內(nèi)壁及靶源陽(yáng)極上。而Ar+離子在高壓電 場(chǎng)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(dòng) 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。,3.4試驗(yàn)過(guò)程 3.4.1準(zhǔn)備過(guò)程 （1）動(dòng)手操作前認(rèn)真學(xué)習(xí)講操作規(guī)程及有 關(guān)資料，熟悉鍍膜機(jī)和有關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)及功能、 操作程序與注意事項(xiàng)，保證安全操作。 （2）清洗基片。用無(wú)水酒精清洗基片，使 基片鍍膜面清潔無(wú)臟污后用擦鏡紙包好，放在 干燥器內(nèi)備用。 （3）鍍膜室的清理與準(zhǔn)備。先向真空腔內(nèi)充 氣一段時(shí)間，然后升鐘罩，裝好基片，清理鍍 膜室，

16、降下鐘罩。,3.4.2試驗(yàn)主要流程 （1）打開(kāi)總電源，啟動(dòng)總控電，升降機(jī)上升， 真空腔打開(kāi)后，放入需要的基片，確定基片位置 （A、B、C、D），確定靶位置（1、2、3、4， 其中4為清洗靶）。 （2）基片和靶準(zhǔn)備好后，升降機(jī)下降至真空 腔密封（注意：關(guān)閉真空腔時(shí)用手扶著頂蓋，以 控制頂蓋與強(qiáng)敵的相對(duì)位置，過(guò)程中注意安全， 小心擠壓到手指）。 （3）啟動(dòng)機(jī)械泵，抽一分鐘左右之后，打開(kāi) 復(fù)合真空計(jì)，當(dāng)示數(shù)約為10E-1量級(jí)時(shí)，啟動(dòng)分子 泵，頻率為400HZ（默認(rèn)），同時(shí)預(yù)熱離子清洗 打開(kāi)直流或射流電源及流量顯示儀。,（4）（選擇操作）打開(kāi)加熱控溫電源。啟動(dòng) 急停控制，報(bào)警至于通位置，功能選則為烘烤

17、。 （5）但真空度達(dá)到510-4Pa時(shí)，關(guān)閉復(fù)合真 空計(jì)，開(kāi)啟電離真空計(jì)，通氬氣（流量 20L/min），打開(kāi)氣路閥，將流量計(jì)撥至閥控 檔，穩(wěn)定后打開(kāi)離子源，依次調(diào)節(jié)加速至 200V250V，中和到12A左右，陽(yáng)極80V，陰極10V， 屏極300V。從監(jiān)控程序中調(diào)出工藝設(shè)置文件，啟 動(dòng)開(kāi)始清洗。 （6）清洗完成后，按離子源參數(shù)調(diào)節(jié)相反的順 序?qū)⒏鲄?shù)歸零，關(guān)閉離子源，將流量計(jì)置于關(guān) 閉檔。,（7）流量計(jì)置于閥控檔（看是否有讀數(shù)，一般為 30。否則查明原因），調(diào)節(jié)控制電離真空計(jì)示數(shù)約1Pa， 調(diào)節(jié)直流或射頻電源到所需功率，開(kāi)始鍍膜。 （8）鍍膜過(guò)程中注意設(shè)備工作狀態(tài)，若工藝參數(shù)有 異常變化應(yīng)及時(shí)

18、糾正或停止鍍膜，問(wèn)題解決后方可重 新鍍膜。 （9）鍍膜完畢后，關(guān)閉直流或射頻電源，關(guān)閉氬氣 閥門(mén)。將擋板逆時(shí)針旋至最大通路。當(dāng)氣罐流量變?yōu)?零后，關(guān)閉流量計(jì)，繼續(xù)抽半個(gè)小時(shí)到兩個(gè)小時(shí)。 （10）關(guān)閉流量顯示儀和電離真空計(jì)，停止分子泵， 頻率降至100HZ后關(guān)閉機(jī)械泵，5分鐘后關(guān)閉分子泵， 關(guān)閉總電源。,3.5不同工作氣壓下所得試驗(yàn)結(jié)果,由工作氣壓與沉積率的關(guān)系表可以 看出：在其他參數(shù)不變的條件下， 隨著工氣壓的增大，沉積速率先增 大后減小。在某一個(gè)最佳工作氣壓 下，有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最大沉積速率。,3.5.1試驗(yàn)結(jié)果分析,氣體分子平均自由程與壓強(qiáng)有如下關(guān)系 其中 為氣體分子平均自由程, k為玻耳茲曼常 數(shù)，T為氣體溫度, d為氣體分子直徑,