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1 磁控溅射镀膜 磁控溅射镀膜 2 磁控溅射镀膜技术的应用 1 2 3 4 Contents 磁控溅射镀膜的发展 磁控溅射镀膜的原理 膜的检测手段 磁控溅射镀膜 3 磁控溅射镀膜的发展 阴极溅射技术的发现与进展1842年格洛夫 Grove 在研究电子管阴极腐蚀问题时 发现阴极材料迁移到真空管壁上来了 进而发现了阴极溅射现象 直到1877年才真正应用于研究的溅射设备上 迄后70年中 由于实验条件的限制 对溅射机理的认同长期处于模糊不清状态 在1950年之前有关溅射薄膜特性的技术资料 多数是不可信的 到了19世纪中期 阴极溅射技术发展也相当缓慢 只是在化学活性极强的材料 贵金属材料 介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中 采用溅射技术 磁控溅射镀膜 4 磁控溅射镀膜的发展 磁控溅射技术出现与进展通过把磁场应用到设备中 在1970年出现了磁控溅射技术随后商品化的磁控溅射设备供应于世 大大地扩展了溅射技术应用的领域 最近15年来 磁控溅射技术得到了飞速发展 并出现了一系列新的溅射技术 如 平衡磁控溅射技术 非平衡磁控溅 多靶非平衡磁控溅 反应磁控溅 中频磁控溅 脉冲磁控溅射 随着工业薄膜制备的需求和表面技术的发展 新型磁控溅射技术如高速溅射 自溅射和高功率脉冲磁控溅射等成为目前磁控溅射领域新的发展趋势 磁控溅射镀膜 5 磁控溅射镀膜原理 定义 在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场 借助于靶表面上形成的正交电磁场 把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率 增加离子密度和能量 从而实现高速率溅射的过程 是物理气相沉积 PhysicalVaporDeposition PVD 的一种 磁控溅射镀膜 6 磁控溅射镀膜原理 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E B漂移 其运动轨迹近似一条摆线 磁控溅射镀膜 7 磁控溅射镀膜原理 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来轰击靶材 从而实现了沉积速率 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 磁控溅射镀膜 8 膜的检测手段 硬度和弹性模量的检测膜层与基底粘附性检测膜成分的检测膜层结构的检测退火后膜层性能的检测 磁控溅射镀膜 9 膜的检测手段 硬度和弹性模量的检测纳米压痕 nanoindentation 又称深度敏感压痕 depthsensingindentation 技术是近几年发展起来的一种新技术 它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直接得到薄膜材料的许多力学性质 例如 弹性模量 硬度 屈服强度 加工硬化指数等等 在微电子科学 表面喷涂 磁记录以及薄膜等相关的材料科学领域得到越来越广泛的应用 磁控溅射镀膜 10 膜的检测手段 膜层与基底粘附性检测纳米划痕硬度计主要通过测量压头在法向和切向上的载荷和位移的连续变化过程 研究材料的摩擦性能 塑性性能和断裂性能 在划痕实验中 薄膜的损伤是由垂直作用于薄膜表面并造成弹性一塑性形变的压力 压头沿薄膜表面运动时切线方向的摩擦力和薄膜内残余应力共同作用造成的 在较低的载荷下 薄膜开始出现变形但仍完全保持与基底的附着 随着载荷增加 薄膜以碎片 断片等形式从基底脱落时 即薄膜开始与基底分离时对应的载荷定义为临界载荷Lc 它主要表征薄膜与基底的附着性能 磁控溅射镀膜 11 膜的检测手段 膜成分的检测x射线衍射法 X raydiffraction简称XRD 可以进行晶体结构分析 物相分析x射线光电子谱 X rayPhotoelectronSpectroscopy简称XPS 不仅能测定表面的组成元素 而且能确定各元素的化学状态俄歇电子能谱 AES 分析 可以有关固体表面和界面的元素种类 相对含量及化学状态 有很高的微区分能力 或者说有很高的横向和沉积方向分辨能力 磁控溅射镀膜 12 膜的检测手段 膜层结构的检测膜层结构的检测主要是用近平行的入射X射线 以掠入射的方式射入和中子掠入射镜反射方法测定薄膜厚度和界面结构掠入射X ray反射 GIXRR 当X射线照到试样上 如果试样内部存在纳米尺寸的密度不均匀区 1 100nm 则会在入射X射线束周围2 5 的小角度范围内出现散射X射线 称为掠入射X ray反射 磁控溅射镀膜 13 膜的检测手段 当对薄膜样品进行XRR测量时 由于空气与薄膜 薄膜与衬底的X射线反射率不同 就会产生XRR衍射峰 通过计算相邻峰位之间的距离就可推算薄膜的厚度 通过峰的强度和面积就可以计算其界面粗糙度 如果在垂直于膜面方向上多层膜存在较好的周期性结构 超晶格 在小角范围内还会出现布拉格衍射峰 磁控溅射镀膜 14 膜的检测手段 中子掠入射镜反射中子没有电荷 穿透本领强 许多固体材料对中子是透明的可有效的研究材料的深层界面结构 同时可以获取分层介质各层的厚度 密度和界面粗糙度 中子反射是作用在原子核上 在检测轻元素 C H O N 同位素和原子质量相近的元素 Fe Co 上相比于X Ray有较大的优势 磁控溅射镀膜 15 磁控溅射镀膜技术应用 磁控溅射膜涂层能改善材料的表面性能 减少工件的摩擦和磨损 有效提高表面硬度 韧性 耐磨性和高温稳定性 大幅度提高涂层产品的使用寿命 节约资源 提高生产力 减少环境污染 磁控溅射在PVD行业是应用及研究最广泛的 在装饰 工模具镀膜 太阳能 幕墙玻璃 显示屏等许多行业都有广泛的应用 磁控溅射镀膜 16 磁控溅射镀膜技术应用 金属基材装饰膜颜色金属基材装饰膜的种类及色调很多 下表列举了部分金属基材装饰膜的种类及颜色 磁控溅射镀膜 17 磁控溅射镀膜技术应用 在工模具上镀膜在工模具镀膜除了可以提高硬度 降低摩擦系数 具有很好的耐磨性和化学稳定性等优点外 还可以增加模具脱模性 减少成型面损伤 维护高镜面模具 维护特殊加工面 模仁配件可完成无油光滑 磁控溅射镀膜 18 磁控溅射镀膜技术应用 太阳能玻璃管上镀膜采用磁控溅射技术在玻璃管上镀制AlN Al膜 太阳能集热真空管镀膜主要是应用其生产线具有自动化程度好 性能先进 优质品率高 质量稳定等特点 磁控溅射镀膜 19 磁控溅射镀膜技术应用 在显示屏磁控溅射镀膜在保护屏表面采用磁控溅射方法分别镀