第四章 真空溅射镀膜

1、.,第四章 真空溅射镀膜,Vacuum Sputtering Coating,.,教学重点：溅射镀膜原理；磁控溅射靶；靶的磁场分布计算；典型镀膜机,.,4.1 溅射技术,Sputtering Technique,.,1）定义： 溅射用荷能粒子（气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象及过程。 被轰击物体处于负电位，故称为“阴极溅射”。 溅射镀膜中，被轰击物体称为“靶”。 2) 理论 蒸发论动能论，温度论； 溅射论动量论； 混合论。,.,3）参数 溅射率 = 溅射出的靶材原子数 / 入射正离子数 影响因素： 靶材成分原子序数大，大； 入射正离子种类惰性气体大，常用氩气Ar；

2、正离子入射角度7080时有最大值；P92 Fig 4-4 靶材温度低温时不变，高温时剧增；P92 Fig 4-5,.,4）特点： 可控性好，重复性好； 膜的附着强度高：溅射粒子能量高几十几eV，对比 蒸发粒子0.几eV； 可形成伪扩散层； 等离子体的清洗和激活基体表面作用； 附着不牢的粒子被清除掉。 膜材成分广泛：靶材种类块体、颗粒、粉体；单质、化合物、混合物； 膜材成分单质膜、化合物膜、混合物膜、多层膜、反应膜； 组分基本不变，偏析小，不受熔点限制； 成膜速率比蒸发镀膜低，基片温升高，受杂质气体影响严重。,.,5）方式： （普通）直流溅射二级溅射、 三级或四级溅射 （直流）磁控溅射 高频溅射

3、射频溅射 反应溅射 要点：弹粒子入射成分 惰性气体Ar+ 来源 气体放电 要求 处于溅射能量阈 低压气体环境（输运过程的要求）,.,.,.,.,4.2 直流溅射镀膜,D.C. Sputtering Technique,.,1）二极溅射,原理：异常辉光放电产生正离子 结构： 镀膜室 基片架及基片 溅射靶 加热装置（促进发射电子） 充气系统工作气体Ar气，反应气体 抽气系统本底真空 10-3Pa， 工作真空 110Pa 电气系统放电电源,.,缺点： 参数不能单独控制， 靶材必须为良导体，且易于发射电子 沉积速率低 基片温升高（电子轰击）,.,.,2）三极（四极）溅射结构,.,阴极、阳极间形成放电，

4、产生等离子体， 其中的正离子轰击低电位的靶（第三极）， 将其溅射沉积在对面的基片上（无电位）。 加稳定性电极（第四极） 改进：放电不依赖阴极的二次电子发射， 正离子、溅射速率由热阴极的发射电流来控制 可控性和重复性好,.,4.3 （直流）磁控溅射镀膜,Magnetron Sputtering Technique 利用磁场控制电子的运动,.,1）磁控原理：电子在静止电磁场中的运动 电子速度：V/ 平行于B的速度分量，产生漂移运动； V垂直于B的速度分量，产生回旋运动；合成螺旋运动 回转半径 回转周期 无平行电场时的节距：,.,有平行电场时的节距： B/E，且B、E均匀 B、E反向 电子被加速 电

5、子回旋的螺距增大 B、E同向 电子被减速 电子回旋的螺距减小 有正交电场时的运动 BE 且B、E均匀 摆线轨迹（直线运动与圆周运动的合成） 电子在第三轴方向行走，在E方向仅有限高度 摆线轨迹（旋轮线半径） m 式中e 电子电荷量C；m电子质量kg； B磁感应强度T；E电场强度V/m。,.,应用实例：平面电极均匀正交电磁场 平面磁控靶 同轴圆柱电极径向电场轴向磁场 同轴圆柱靶 磁控的目的： 利用磁场的束缚效应，使电子轨迹加长，使放电可以在较低的电压和气压条件下维持。 磁控溅射的特点： 电子利用率高，低气压、低电压下能产生较多正离子溅射速率高； 电子到达基片时是低能状态，升温作用小基片温度低； 放

6、电集中于靶面； 沉积速率大。,.,.,1）磁控靶 设计要点：产生均匀正交电磁场，电场，磁场。关心水平磁场的强度和分布。 磁场形成封闭回路，电子在其中循环飞行。 防止非靶材成分的溅射，加屏蔽罩。屏蔽间隙2re 结构形式:107 Fig4-15 圆平面靶,.,矩形平面靶,.,同轴圆柱靶,.,S枪（圆锥靶）,.,旋转圆柱靶（柱形平面靶）,.,特殊结构靶,.,3）工作特性及参数,电流电压特性： 低压等离子体放电 电压，电流； 气压p，放电电压U，电流I； 与靶的结构有关。 沉积速率：单位时间成膜厚度 q r nm / min 相对沉积速率与气压的关系 P110 Fig4-19 沉积速率与靶电流的关系

7、P110 Fig4-21 沉积速率与靶基距的关系 P110 Fig4-20,.,功率效率=沉积速率（nm / min ）/靶功率密度（W/cm2） 最大功率密度 功率过大会引起靶开裂、升华、熔化。 是限制沉积速率的重要因素；水冷系统的主要设计依据,.,4.4 射频溅射镀膜,R.F.(Radio Frequency) Sputtering Coating,.,1）原理： 解决绝缘材料的溅射 A+入射轰击，维持10-7s电位抵消，反转电极 e入射中和，维持10-9s，电荷中和 射频电源：频率13.56MHz 正负半周各在10-7s左右 特点：气体极易被击穿，所以击穿（破裂）电压和放电电压仅为直流溅

8、射,.,2）装置 射频二极溅射 射频磁控溅射二者区别：溅射靶有无磁场 P119，Fig4-32 3）电源 射频源13.56MHz 电阻电容耦合 关键解决屏蔽问题：电源问题 同轴传输导线；靶； 室体用导体 观察窗金属网或旋转挡板 4）脉冲溅射,.,.,4.5反应溅射镀膜,Reaction Sputtering Coating,.,1）定义： 溅射镀膜时，有目的地充入反应性气体，从而在基体上得不同于靶材的薄膜成分 2）原理机制 由于反应性气体的分压较低，所以气相反应很少，固相反应为多数 其中：靶面反应 反应条件是反应气体气压较高时， 基体表面反应 反应气体气压较低时 3）参数：改变反应气体与工作气

9、体的比例，可以改变膜层成分 如由金属导电膜半导体膜绝缘膜 反应气体压力过高，会导致靶中毒，在靶面形成氧化物，使沉积速率大大下降。,.,4）中频溅射孪生中频靶 解决采用反应溅射制备化合物类介质膜存在的问题： 金属氧化物沉积过程中，有靶中毒、阳极消失、靶面和电极打火问题。,.,4.6磁场计算 Calculation of Magnetic Field Distribution 磁控靶设计的关键，直接影响靶材利用率和总体发射特性膜厚分布均匀性 1）磁荷法 永磁体端面有分离磁荷 2）等效电流法 永磁体侧面有等效电流,.,4.7典型磁控溅射镀膜机,Typical Coating Equipment by

10、 Magnetron Sputtering,.,1）间歇式（周期式），单室镀膜机 P113 Fig4-23 室门的结构：钟罩式，前开门式，上开盖（盒）式 靶的布置： 中心圆柱靶，两侧矩形靶，下面圆平面靶，S-靶 工件架结构： 旋转行星架，自转，公转，避免周期相同 2）半连续式 多室镀膜机，有进出料室，P114，Fig4-24 批式装料出料，进料、预热、镀膜、冷却、出料，闸阀过渡 枚叶式 柔性加工系统 3）连续式：镀膜玻璃生产线， 5，7，9，11室， P115，Fig4-25,.,第五章 真空离子镀和离子束沉积,Ion Plating & Ion-beam Deposition,.,5.1 真

11、空离子镀,Ion Plating,.,1）定义 沉积于基体上的膜材粒子中，有部分粒子是以离子形式入射沉积的。 特征：基片处于相对负电位， 基片及膜层在镀膜过程中始终受到高能离子（膜材离子、气体离子）的轰击 2）原理、结构 蒸发+放电 工作程序：抽本底真空 10-3Pa 充气，工作真空 10-11Pa 基片加负电压，放电，离子轰击、清洗 大量蒸发，少量离化，沉积成膜 指标：膜材粒子的离化率,.,3）离子轰击的作用：适合于强度膜 清洗 基片及膜层表面去除气体和污物 激活表面和膜层，提高结合能力 提高膜层质量 促进表面迁移；消除“阴影效应”；使膜层均匀；细化晶核； 形成伪扩散层；钉扎效应。 绕射现象

12、，基片的背面、孔洞中，都可以成膜，用于复杂形状元件的镀膜 剥离作用，去掉膜层中吸附不牢的粒子（也降低了沉积速率） 成膜条件 沉积剥离,.,4）离子镀装置 不同的蒸发源+不同的离化源（放电等离子体） 蒸发源电阻加热，电子束加热，感应加热 放 电源靶二极直流放电，阴阳极放电，基片第三极负偏压 例如：HCD枪,.,5）工艺参数 有了更多的可调节参数 蒸发速率 放电参数U偏压，P气压（等离子体的强度）， 源基距d涉及碰撞几率和电离几率 基片的偏压离子轰击程度 基片的温度成膜条件 沉积速率可通过改变蒸发率和溅射剥离率的配比进行调节,.,5.2真空电弧离子镀（多弧镀）,Arc Ion Plating 也称

13、多弧离子镀Multi-Arc Ion Plating，利用真空条件下的弧光放电进行镀膜,.,1)弧光放电,特征低电压20V；大电流10100A；负特性IV；成膜快 机制大量正离子轰击阴极局部，使其局部加热到高温，形成热电子发射和金属热蒸发，金属蒸汽大量电离后形成离子鞘层，大大降低阴极位降，提高放电电流。 发射电子和金属蒸汽的地方，温度最高，电场最强，逸出功最小。 现象：小弧豆，灼坑，边缘尖端放电，导致辉点转移，滚动可达150m/s，后部弧光散开。,.,2）装置 电弧靶，基体间放电电压20V左右，电流10100A。 引弧装置，放电电压150200V 阴极辉点处电流密度可达106107A/cm2，所以电弧靶要水冷、磁控。 对磁场的要求：水平场压弧；垂直场束弧 3）特点 不是真正的离子镀（因为无基片负偏压），但是，是有大量正离子存在的蒸发镀。 沉积速率大，用于镀厚膜。强度也较高，用于镀硬膜。有液滴喷射现象，应尽量避免。 靶的结构简单，可以多个同时工作（多弧镀） 典型应用多弧镀膜机。镀TiN（刀具、钢板、装饰仿金）,.,.,.,.,5.3离子束沉积,Ion Beam Deposition,.,1）定义