《磁控溅射镀膜技术》PPT课件.pptx

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 3 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 。 4 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 5 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 1 10Pa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 。 6 二、溅射镀膜的基本原理 7 二、溅射镀膜的基本原理 8 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 。 9 二、溅射镀膜的基本原理 10 二、溅射镀膜的基本原理 F jV E P 11 二、溅射镀膜的基本原理常压气体高温下放电 12 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 。 13 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 。 14 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 。 15 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 16 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 。 17 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 色气 体 种 类 阴 极 光 层 负 辉 区 正 柱 区空 气 桃 色 兰 色 桃 红 色红 褐 色 淡 兰 色 桃 色桃 色 兰 色 桃 色红 色 黄 白 色 淡 黄 色 有 桃 色 中心红 色 绿 色 红 发 紫 桃 色 暗 兰 色 暗 紫 色黄 色 橙 色 橙 红 色绿 色 绿 色 绿 色 18 二、溅射镀膜的基本原理 19 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 20 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 21 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 。 22 二、溅射镀膜的基本原理 23 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 。 24 二、溅射镀膜的基本原理 25 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 26 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 。 27 二、溅射镀膜的基本原理 28 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 29 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 。 30 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 31 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 。 32 三、磁控溅射 33 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 34 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 35 三、磁控溅射 36 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(SnO2 F)： 电 阻 率 可 达 5.0 10-4cm， 可 见 光 透 过 率 80%。 ITO(In 2O3 Sn)： 电 阻 率 可 达 7.0 10-5cm ， 可 见 光 透 过 率 85% 。 AZO(ZnO Al)： 电 阻 率 可 达 1.5 10-4cm ， 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 。 37 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 38 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 39 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 40 三、磁控溅射（ 四 ） 磁 控 溅 射 的 应 用 实 例 -TCO 薄 膜 的 制 备 ：4.氩 气 气 压 的 影 响 氩离子过多 碰撞增多 薄膜薄、晶化率低薄膜晶化率低氩气气压过低氩离子少溅射原子少氩气气压过高 41 三、磁控溅射（ 四 ） 磁 控 溅 射 的 应 用 实 例 -TCO 薄 膜 的 制 备 ：5.靶 基 距 的 影 响 散射增大 轰击过大 薄膜薄、晶化率低薄膜致密性下降距离过小加速不够动能过小距离过大部分粒子不能溅射到基片上 谢谢聆听Thank You