磁控溅射镀膜技术

,磁控溅射镀膜技术,1,概述,2,溅射镀膜的基本原理,3,磁控溅射,目录|CONTENT,一、概述,1.定义溅射镀膜是利用气体放电产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶，使靶材中的原子（或分子）逸出而淀积到被镀衬底（或工件）的表面，形成所需要的薄膜。2.特点（与真空蒸发镀膜相比）（1）可以溅射任何物质；（2）溅射薄膜与衬底的附着性好；（3）溅射镀膜的密度高、针孔少，膜层纯度高；（4）膜层厚度可控性和重复性好。溅射镀膜的缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；溅射沉积的成膜速度低；基片温度较高；易受杂质气体影响等。,二、溅射镀膜的基本原理,溅射镀膜基于高能离子轰击靶材时的溅射效应，整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。,放电方式：（1）直流溅射直流辉光放电（2）射频溅射射频辉光放电（3）磁控溅射环状磁场控制下的辉光放电,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：直流辉光放电是在真空度约110Pa的稀薄气体中，两个电极之间在一定电压下产生的一种气体放电现象。气体放电时，两电极之间的电压和电流的关系复杂，不能用欧姆定律描述。,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,由巴邢定律知，在气体成分和电极材料一定的情况下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关。,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,常压气体高温下放电,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：7.辉光的产生众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃迁到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量的光子形成辉光。对于一对平行平板放电电极，当电源功率增加，形成辉光放电时，阴阳两极间明暗光区的分布情况，以及暗区和亮区对应的电位、场强、空间电荷和光强分布，如下图所示。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（1）阿斯顿暗区：冷阴极发射的电子能量很低，约1eV左右，很难与气体发生碰撞电离，所以在阴极附近形成一个黑暗的区域，称为阿斯顿暗区。使用氩、氖之类气体时这个暗区很明显。对于其它气体，这个暗区很窄，难以观察到。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（2）阴极辉光区：电子通过阿斯顿暗区后，在电场的作用下获得了足够的能量，与气体发生碰撞，使气体分子被激发，而后又衰变到基态并放出辉光，形成阴极辉光区。（3）克鲁克斯暗区：随电子加速获足够能量，穿过阴极辉光区时与正离子不易发生复合，从而形成又一个暗区，叫做克鲁克斯暗区。暗区的宽度与电子的平均自由程有关。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（4）负辉光区（辉光最强）：随着电子速度增大，很快获得了足以引起电离的能量，于是离开阴极暗区后使大量气体电离，产生大量的正离子。正离子移动速度慢，产生积聚，电位升高；与阴极之间的电位差成为阴极压降。电子在高浓度正离子积聚区经过碰撞速度降低，与正离子复合几率增加，形成明亮的负辉光区。,靶材的位置,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：,（5）法拉第暗区：经过负辉光区后，大多数动能较大的电子因碰撞都已丧失了能量，少数电子穿过负辉光区，形成暗区。（6）正离子柱：法拉第暗区过后，少数电子逐渐加速，并使气体电离；由于电子较少，产生的正离子不会形成密集的空间电荷。此区域电压降很小，类似一个良导体。,二、溅射镀膜的基本原理,（一）直流辉光放电：8.常用气体辉光放电各区域颜色,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：溅射阀值溅射率及其影响因素溅射粒子的速度和能量分布溅射原子的角度分布,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：1.溅射阀值溅射阈值是指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须的最小能量，主要取决于靶材料。,对绝大多数金属靶材，溅射阈值为1030eV,二、溅射镀膜的基本原理,溅射率与靶材料种类的关系可用周期律来说明。相同条件下，同种离子轰击不同元素的靶材料，得到的溅射率不同。溅射率呈周期性变化，随靶材料元素的原子序数的增大而增加。,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（3）入射离子种类：入射离子的原子量越大，溅射率就越高;溅射率随入射离子的Z周期性变化而变。同一周期中凡闭合电子壳层的元素溅射率最大，所以惰性气体的溅射率最高。,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：（5）靶材温度：靶材存在与升华相关的某一温度。低于此温度时，溅射率几乎不变；高于此温度时，溅射率急剧增加。除此之外，还与靶的结构和靶材的结晶取向、表面形貌、溅射压强等因素有关,二、溅射镀膜的基本原理,（三）溅射参数：3.溅射原子的能量和速度不同靶材具有不同的原子逸出能量；入射离子种类和能量（守恒定律）；倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。,二、溅射镀膜的基本原理,二、溅射镀膜的基本原理,（四）溅射镀膜过程：1.靶材的溅射过程入射高能粒子轰击靶，将动量转给靶材原子，把靶材原子从靶表面撞出发生溅射。只有靶材原子吸收的能量超过其结合能，溅射才能发生。2.溅射粒子的迁移过程3.溅射粒子的成膜过程,二、溅射镀膜的基本原理,（五）溅射机理：1.热蒸发理论（早期理论）溅射现象是被电离气体的离子在电场中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，发生热蒸发。可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系，余弦分布规律；不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律，以及溅射率与入射离子质量关系等。,二、溅射镀膜的基本原理,（五）溅射机理：2.动量转移理论深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程。该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的联级碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。,图4.1溅射原子的联级碰撞示意图,三、磁控溅射,溅射沉积方法有两个缺点:第一，沉积速率较低；第二，溅射所需的工作气压较高。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率，发展出了磁控溅射技术。,（一）磁控溅射的工作原理：引入正交电磁场来改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动路径，提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。,三、磁控溅射,三、磁控溅射,（三）磁控溅射的分类：1.直流磁控溅射,1-磁极2-屏蔽罩3-基片4-基片加热装置5-溅射靶6-磁力线7-电场8-挡板,三、磁控溅射,（三）磁控溅射的分类：2.射频磁控溅射,1-磁极2-屏蔽罩3-基片4-基片加热装置5-溅射靶6-磁力线7-电场8-挡板9-匹配网络10-电源11-射频发生器,三、磁控溅射,三、磁控溅射,（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：TCO薄膜为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，晶粒取向单一。目前研究较多的是ITO、FTO和AZO。电阻率达10-4cm量级，可见光透射率为80%90%。FTO(SnO2F)：电阻率可达5.010-4cm，可见光透过率80%。ITO(In2O3Sn)：电阻率可达7.010-5cm，可见光透过率85%。AZO(ZnOAl)：电阻率可达1.510-4cm，可见光透过率80%。薄膜的性质是由制备工艺决定的，一般要求为：薄膜电阻率低、透射率高且表面形貌好；薄膜生长温度低，与基板附着性好；能大面积均匀制膜且制膜成本低。,三、磁控溅射,（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：1.基片温度的影响,晶粒过大缺陷增多,晶界散射多,电阻率升高,温度较低,薄膜晶粒小,温度过高,电阻率下降,三、磁控溅射,（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：2.沉积时间的影响,温度过高,晶粒过大缺陷增多,电阻率下降,电阻率升高,沉积时间延长,薄膜厚度增加,透过率下降,沉积时间过长,温度升高,晶化率增加,电阻率下降,三、磁控溅射,（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄膜的制备：3.溅射功率的影响,溅射功率增加,溅射粒子增加粒子能量增加,溅射功率过高,薄膜致密性增加,膜层与基体粘附力增加,溅射粒子能量过大,氩离子能量过大,陶瓷靶易开裂,薄膜致密性下降,三、磁控溅射,（四）磁控溅射的应用实例-TCO薄