磁控溅射技术及其应用

磁控溅射技术及其应用演讲：*2015年10月21日 目录1234 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 简 介磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 应 用 一 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 简 介 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 。 到 了 20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 。 1、 阴 极 溅 射 技 术 发 现 与 进 展 一 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 简 介 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 射 技 术 、 多 靶 非 平 衡 磁控 溅 射 技 术 、 反 应 磁 控 溅 射 技 术 、 中 频 磁 控 溅 射 技 术 、 脉 冲 磁 控 溅 射技 术 。 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 等 成 为 目 前 磁 控 溅 射 领 域 新 的 发 展 趋 势 。 2、 磁 控 溅 射 技 术 出 现 与 进 展 二 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理 直 流 二 级 溅 射 镀 膜 就 是 利 用 低气 压 辉 光 放 电 产 生 的 氩 气 正 离子 在 电 场 作 用 下 高 速 轰 击 阴 极靶 材 ,把 靶 材 中 的 原 子 或 分 子 等粒 子 溅 射 出 而 沉 积 到 基 片 或 者工 件 表 面 ,形 成 所 需 的 薄 膜 层 。但 是 溅 射 镀 膜 过 程 中 溅 射 出 的粒 子 的 能 量 很 低 ,导 致 成 膜 速 率 不 高 。1、 直 流 二 级 溅 射 二 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理 磁 控 溅 射 技 术 是 为 了 提 高 成 膜 速 率 在 直 流 二 级 溅 射 镀 膜 基 础 上 发 展 起来 的 ,在 靶 材 表 面 建 立 与 电 场 正 交 的 磁 场 ,氩 气 电 离 率 从 0.3% 0.5%提高 到 了 5% 6%,解 决 了 溅 射 镀 膜 沉 积 速 率 低 的 问 题 ,是 目 前 工 业 上 精 密镀 膜 的 主 要 方 法 之 一 。 磁 控 溅 射 阴 极 靶 材 的 原 料 很 广 ,几 乎 所 有 金 属 、 合 金 以 及 陶 瓷 材 料 都可 以 制 备 成 靶 材 。 磁 控 溅 射 镀 膜 在 相 互 垂 直 的 磁 场 和 电 场 的 双 重 作 用下 ,沉 积 速 度 快 ,膜 层 致 密 且 与 基 片 附 着 性 好 ,非 常 适 合 于 大 批 量 且 高 效 率 的 工 业 化 生 产 。 2、 磁 控 溅 射 技 术 二 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理 磁 控 溅 射 的 工 作 原 理 是 在 辉 光 放 电的 两 极 之 间 引 入 磁 场 ， 电 子 受 电 场加 速 作 用 的 同 时 受 到 磁 场 的 束 缚 作用 ， 运 动 轨 迹 成 摆 线 ， 增 加 了 电 子和 带 电 粒 子 以 及 气 体 分 子 相 碰 撞 的几 率 ， 提 高 了 气 体 的 离 化 率 ， 降 低了 工 作 气 压 ， 而 氩 离 子 在 高 压 电 场 加 速 作 用 下 ， 与 靶 材 撞 击 并 释 放 能量 ， 使 靶 材 表 面 的 靶 原 子 逸 出 靶 材飞 向 基 板 ， 并 沉 积 在 基 板 上 形 成 薄膜 。 2、 磁 控 溅 射 技 术 二 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理 2、 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展平 衡 磁 控 溅 射 即 传 统 的 磁 控 溅 射 ， 是 在 阴 极 靶 材 背 后 放 置 芯 部 与 外 环 磁 场 强度 相 等 或 相 近 的 永 磁 体 或 电 磁 线 圈 ， 在 靶 材 表 面 形 成 与 电 场 方 向 垂 直 的 磁 场。优 点 ： 降 低 溅 射 过 程 中 的 气 体 压 力 提 高 溅 射 的 效 率 和 沉 积 速 率缺 点 ： 不 适 用 于 较 大 的 工 件 和 装 炉 量 易 生 成 多 孔 粗 糙 柱 状 结 构 薄 膜 1、 平 衡 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展非 平 衡 磁 控 溅 射 技 术 部 分 解 决 了 平 衡 磁控 溅 射 的 不 足 ,使 阳 极 基 片 沉 浸 在 等 离 子体 中 ,减 少 了 粒 子 移 动 的 距 离 。“ 非 平 衡 ” 是 对 溅 射 靶 表 面 磁 场 分 布 而言 ， 有 两 种 结 构 ， 一 种 是 边 缘 强 一 种 是 中部 强 。 这 样 溅 射 出 来 的 原 子 和 粒 子 沉 积 在基 体 表 面 形 成 薄 膜 ， 且 等 离 子 体 以 一 定 的能 量 轰 击 基 体 ， 起 到 辅 助 沉 积 的 作 用 ， 大 大 地 改 善 了 膜 层 的 质 量 2、 非 平 衡 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展单 独 的 非 平 衡 磁 控 靶 在 基 片 上 很 难 沉积 出 均 匀 的 薄 膜 层 ， 多 靶 非 平 衡 磁 控溅 射 镀 膜 系 统 ,弥 补 了 单 靶 非 平 衡 磁 控溅 射 的 不 足 。 多 靶 非 平 衡 磁 控 溅 射 系统 根 据 磁 场 的 分 布 方 式 可 以 分 为 相 邻磁 极 相 反 的 闭 合 磁 场 非 平 衡 磁 控 溅 射和 相 邻 磁 极 相 同 的 镜 像 磁 场 非 平 衡 磁 控 溅 射 。 2、 非 平 衡 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展随 着 表 面 工 程 技 术 的 发 展 ,越 来 越 多 地 用 到 各 种 化 合 物 薄 膜 材 料 。 可 以 直 接 使 用化 合 物 材 料 制 作 的 靶 材 通 过 溅 射 来 制 备 化 合 物 薄 膜 ,也 可 在 溅 射 金 属 或 合 金 靶 材时 , 通 入 一 定 的 反 应 气 体 ,通 过 发 生 化 学 反 应 制 备 化 合 物 薄 膜 ,后 者 被 称 为 反 应 磁控 溅 射 。一 般 来 说 纯 金 属 作 为 靶 材 和 气 体 反 应 较 容 易 得 到 高 质 量 的 化 合 物 薄 膜 ,因 而 大 多数 化 合 物 薄 膜 是 用 纯 金 属 为 靶 材 的 反 应 溅 磁 控 射 来 制 备 的 。在 沉 积 介 电 材 料 或 绝 缘 材 料 化 合 物 薄 膜 的 反 应 磁 控 溅 射 时 ， 容 易 出 现 迟 滞 现 象 。 3、 反 应 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 原 理 溅 射 沉 积 室 中 的 反 应 气 体 流 量 较 低时 （ A-B） 此 时 沉 积 膜 基 本 上 属 金属 态 ， 此 时 的 溅 射 状 态 为 金 属 模 式 。 反 应 气 体 的 流 量 稍 微 增 加 （ B-C）溅 射 速 率 会 发 生 大 幅 度 的 下 降 ， 此时 的 溅 射 状 态 为 过 渡 模 式 。 反 应 气 体 流 量 再 进 一 步 增 加 ， 沉 积速 率 的 变 化 不 大 沉 积 膜 呈 现 为 化 合物 膜 ， 此 时 的 溅 射 状 态 为 反 应 模 式 。 逐 渐 减 小 反 应 气 体 流 量 （ D-E） ，溅 射 速 率 不 会 由 C立 刻 回 升 到 B， 而 呈 现 缓 慢 回 升 的 状 态 ， 直 到 减 小 到某 个 数 值 E， 才 会 出 现 突 然 上 升 到金 属 模 式 溅 射 状 态 时 的 数 值 ， 形 成闭 合 的 迟 滞 回 线 。 3、 反 应 磁 控 溅 射 技 术 -迟 滞 现 象 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展 靶 中 毒 ： 迟 滞 现 象 使 反 应 气 体 与 靶 材 作 用 生 成 的 化 合 物 覆 盖 在 靶 材 表 面 ， 积累 大 量 的 正 电 荷 无 法 中 和 ， 在 靶 材 表 面 建 立 越 来 越 高 的 正 电 位 ， 阴 极 位 降 区的 电 位 随 之 降 低 ， 最 终 阴 极 位 降 区 电 位 降 减 小 到 零 ， 放 电 熄 灭 ， 溅 射 停 止 ，这 种 现 象 称 为 靶 中 毒 。 打 弧 ： 当 靶 材 表 面 化 合 物 层 电 位 足 够 高 时 ， 进 而 发 生 击 穿 ， 巨 大 的 电 流 流 过击 穿 点 ， 形 成 弧 光 放 电 ， 导 致 局 部 靶 面 瞬 间 被 加 热 到 很 高 的 温 度 ， 发 生 喷 射出 现 “ 打 弧 ” 现 象 。 靶 中 毒 和 打 弧 导 致 了 溅 射 沉 积 的 不 稳 定 ， 缩 短 了 靶 材 的 使 用 寿 命 ！ 解 决 办 法 ： 最 为 有 效 解 决 直 流 反 应 溅 射 靶 中 毒 和 打 弧 问 题 的 方 式 是 改 变 溅 射电 源 ， 如 采 用 射 频 ， 中 频 脉 冲 电 源 。 3、 反 应 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展 将 直 流 磁 控 溅 射 电 源 改 为 交 流 中 频 电 源 即 成 为 中 频 磁 控 溅 射 。 在 中 频 反 应 溅射 过 程 中 ， 当 靶 上 所 加 的 电 压 处 在 负 半 周 期 时 ， 靶 材 表 面 被 正 离 子 轰 击 溅 射， 在 正 半 周 期 ， 等 离 子 体 中 的 电 子 加 速 飞 向 靶 材 表 面 ， 中 和 了 靶 材 表 面 沉 积化 合 物 层 累 积 的 正 电 荷 ， 从 而 抑 制 了 打 弧 现 象 的 发 生 。 在 确 定 的 工 作 场 强 下 ， 频 率 越 高 ， 等 离 子 体 中 正 离 子 被 加 速 的 时 间 越 短 ， 正 离 子 从 外 电 场 吸 收 的 能 量 就 越 少 ， 轰 击 靶 时 的 能 量 就 越 低 ， 溅 射 速 率 就 会 下降 ， 因 此 为 了 维 持 较 高 的 溅 射 速 度 ， 中 频 反 应 溅 射 电 源 的 频 率 一 般 为 1080HZ 4、 中 频 磁 控 溅 射 技 术 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展 4、 中 频 磁 控 溅 射 技 术 中 频 磁 控 溅 射 常 同 时 溅 射 两 个 靶 ， 并 排 配 置 的 两 个 靶 的 尺 寸 与 外 形 完 全 相同 ， 通 常 称 为 孪 生 靶 如 图 所 示 ， 在 溅 射 过 程 中 ， 两 个 靶 周 期 性 轮 流 作 为 阴 极和 阳 极 ， 既 抑 制 了 靶 面 打 火 ， 而 且 消 除 普 通 直 流 反 应 溅 射 是 阳 极 消 失 现 象 ， 使溅 射 过 程 得 以 稳 定 进 行 。 三 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展 脉 冲 磁 控 溅 射 是 采 用 矩 形 波 电 压 的 脉 冲 电 源代 替 传 统 直 流 电 源 进 行 磁 控 溅 射 沉 积 。 脉 冲磁 控 溅 射 技 术 可 以 有 效 的 抑 制 电 弧 产 生 进 而消 除 由 此 产 生 的 薄 膜 缺 陷 ， 同 时 可 以 提 高 溅射 沉 积 速 率 ， 降 低 沉 积 温 度 等 一 系 列 显 著 优点 。 脉 冲 可 分 为 双 向 脉 冲 和 单 向 脉 冲 。 双 向 脉 冲 在 一 个 周 期 内 存 在 正 电 压 和 负 电 压 两 个 阶 段， 在 负 电 压 段 ， 电 源 工 作 于 靶 材 的 溅 射 ， 正电 压 段 ， 引 入 电 子 中 和 靶 面 累 积 的 正 电 荷 ，并 使 表 面 清 洁 ， 裸 露 出 金 属 表 面 。 脉 冲 磁 控溅 射 通 常 采 用 方 波 脉 冲 波 形 ， 在 中 频 段 即 可有 效 消 除 异 常 弧 光 放 电 的 发 现 电 弧 放 电 。 5、 脉 冲 磁 控 溅 射 技 术 四 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的 发 展 双 向 脉 冲 更 多 地 用 于 双 靶 闭 合 式 非平 衡 磁 控 溅 射 系 统 如 图 所 示 ， 系 统中 的 两 个 磁 控 靶 连 接 在 同 一 脉 冲 电源 上 ， 与 中 频 孪 生 靶 相 似 ， 两 个 靶交 替 充 当 阴 极 和 阳 极 ， 阴 极 靶 在 溅射 的 同 时 ， 阳 极 靶 完 成 表 面 清 洁 ，如 此 周 期 性 地 变 换 磁 控 靶 极 性 ， 就 产 生 了 “ 自 清 洁 ” 效 应 。 6、 脉 冲 磁 控 溅 射 技 术 四 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的 发 展 高 速 溅 射 ： 高 速 溅 射 能 够 实 现 高 速 率 沉 积 ， 可 以 缩 短 溅 射 镀 膜 的 时 间 ， 提 高工 业 生 产 的 效 率 ； 有 可 能 替 代 目 前 对 环 境 有 污 染 的 电 镀 工 艺 。 自 溅 射 ： 当 溅 射 率 非 常 高 ， 以 至 于 在 完 全 没 有 惰 性 气 体 的 情 况 下 也 能 维 持 放电 ， 即 是 仅 用 离 化 的 被 溅 射 材 料 的 蒸 汽 来 维 持 放 电 ， 这 种 磁 控 溅 射 被 称 为 自溅 射 。 被 溅 射 材 料 的 离 子 化 以 及 减 少 甚 至 取 消 惰 性 气 体 ， 会 明 显 地 影 响 薄 膜形 成 的 机 制 ， 加 强 沉 积 薄 膜 过 程 中 合 金 化 和 化 合 物 形 成 中 的 化 学 反 应 。 由 此 可 能 制 备 出 新 的 薄 膜 材 料 ， 发 展 新 的 溅 射 技 术 ， 例 如 在 深 孔 底 部 自 溅 射 沉 积薄 膜 。 6、 磁 控 溅 射 新 发 展 四 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的 应 用 光 学 薄 膜 应 用 反 应 磁 控 溅 射 技 术 已 有 多 年 ， 中 频 闭 合 场 非 平 衡 磁 控 溅 射 技术 也 已 在 光 学 薄 膜 (如 增 透 膜 )、 低 辐 射 玻 璃 和 透 明 导 电 玻 璃 等 方 面 得 到 应用 。 特 别 是 透 明 导 电 玻 璃 目 前 广 泛 应 用 于 平 板 显 示 器 件 、 太 阳 能 电 池 、 微波 与 射 频 屏 蔽 装 置 与 器 件 、 传 感 器 等 。 透 明 导 电 玻 璃 在 玻 璃 基 片 或 柔 性 衬底 上 ,溅 射 制 备 SiO2薄 膜 和 掺 杂 ZnO或 InSn氧 化 物 (ITO)薄 膜 。 ITO薄 膜 最 低电 阻 率 接 近 1025 cm量 级 ,可 见 光 范 围 内 平 均 光 透 过 率 在 90%以 上 1、 光 学 镀 膜 四 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的 应 用 1、 光 学 镀 膜 四 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 的 应 用 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 。 2、 太 阳 能 玻 璃 管 上 镀 膜 二 、 磁 控 溅 射 镀 膜 技 术 发 展 3、 自 清 洁 玻 璃基 于 TiO2光 催 化 作 用 的 自 清 洁 玻 璃 亦 将 成 为 一 个 巨 大 的 新 兴 产 业 。 玻 璃 表面 所 镀 的 TiO2膜 或 其 他 半 导 体 膜 还 能 分 解 空 气 中 的 有 机 物 ， 以 净 化 空 气 ， 且催 化 空 气 中 的 氧 气 使 之 变 为 负 氧 离 子 ， 从 而 使 空 气 变 得 清 新 ， 同 时 能 杀 灭 玻璃 表 面 的 细 菌 和 空 气 中 的 细 菌 。 谢谢聆听