《磁控濺射鍍膜技術》PPT課件.pptx

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1、磁控濺射鍍膜技術 1 概述2 濺射鍍膜的基本原理3 磁控濺射目錄 | CONTENT 3 一、概述1.定 義 濺 射 鍍 膜 是 利 用 氣 體 放 電 產 生 的 正 離 子 在 電 場 作 用 下 高 速 轟 擊 陰 極靶 ， 使 靶 材 中 的 原 子 （ 或 分 子 ） 逸 出 而 淀 積 到 被 鍍 襯 底 （ 或 工 件 ） 的 表面 ， 形 成 所 需 要 的 薄 膜 。 2.特 點 （ 與 真 空 蒸 發(fā) 鍍 膜 相 比 ） （ 1） 可 以 濺 射 任 何 物 質 ； （ 2） 濺 射 薄 膜 與 襯 底 的 附 著 性 好 ； （ 3） 濺 射 鍍 膜 的 密 度 高 、

2、針 孔 少 ， 膜 層 純 度 高 ； （ 4） 膜 層 厚 度 可 控 性 和 重 復 性 好 。 濺 射 鍍 膜 的 缺 點 ： 濺 射 設 備 復 雜 ， 需 要 高 壓 裝 置 ； 濺 射 沉 積 的 成 膜速 度 低 ； 基 片 溫 度 較 高 ； 易 受 雜 質 氣 體 影 響 等 。 4 二、濺射鍍膜的基本原理 濺 射 鍍 膜 基 于 高 能 離 子 轟 擊 靶 材 時 的 濺 射 效 應 ， 整 個 濺射 過 程 都 是 建 立 在 輝 光 放 電 的 基 礎 上 ， 即 濺 射 離 子 都 來 源 于氣 體 放 電 。 放 電 方 式 ： （ 1） 直 流 濺 射 直 流 輝

3、 光 放 電 （ 2） 射 頻 濺 射 射 頻 輝 光 放 電 （ 3） 磁 控 濺 射 環(huán) 狀 磁 場 控 制 下 的 輝 光 放 電 5 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ： 直 流 輝 光 放 電 是 在 真 空 度 約 1 10Pa的 稀 薄 氣 體 中 ， 兩 個 電 極 之 間在 一 定 電 壓 下 產 生 的 一 種 氣 體 放 電 現 象 。 氣 體 放 電 時 ， 兩 電 極 之 間 的 電 壓 和 電 流 的 關 系 復 雜 ， 不 能 用 歐 姆 定律 描 述 。 6 二、濺射鍍膜的基本原理 7 二、濺射鍍膜的基本原理 8 二、濺射鍍膜的基本原理

4、由 巴 邢 定 律 知 ， 在 氣 體 成 分 和 電 極材 料 一 定 的 情 況 下 ， 起 輝 電 壓 V只 與 氣體 壓 強 P和 電 極 距 離 d的 乘 積 有 關 。 9 二、濺射鍍膜的基本原理 10 二、濺射鍍膜的基本原理 F jV E P 11 二、濺射鍍膜的基本原理常壓氣體高溫下放電 12 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：7.輝 光 的 產 生 眾 多 的 電 子 、 原 子 碰 撞 導 致 原 子 中 的 軌 道 電 子 受 激 躍 遷 到 高 能 態(tài) ，而 后 又 衰 變 到 基 態(tài) 并 發(fā) 射 光 子 ， 大 量 的 光 子 形 成 輝 光

5、 。 對 于 一 對 平 行 平 板 放 電 電 極 ， 當 電 源 功 率 增 加 ， 形 成 輝 光 放 電 時 ，陰 陽 兩 極 間 明 暗 光 區(qū) 的 分 布 情 況 ， 以 及 暗 區(qū) 和 亮 區(qū) 對 應 的 電 位 、 場 強 、空 間 電 荷 和 光 強 分 布 ， 如 下 圖 所 示 。 13 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：（ 1） 阿 斯 頓 暗 區(qū) ： 冷 陰 極 發(fā) 射 的 電 子 能 量 很 低 ，約 1eV左 右 ， 很 難 與 氣 體 發(fā) 生 碰 撞電 離 ， 所 以 在 陰 極 附 近 形 成 一 個黑 暗 的 區(qū) 域 ， 稱 為 阿

6、 斯 頓 暗 區(qū) 。 使 用 氬 、 氖 之 類 氣 體 時 這 個暗 區(qū) 很 明 顯 。 對 于 其 它 氣 體 ， 這 個 暗 區(qū) 很 窄 ， 難 以 觀 察 到 。 14 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：（ 2） 陰 極 輝 光 區(qū) ： 電 子 通 過 阿 斯 頓 暗 區(qū) 后 ， 在電 場 的 作 用 下 獲 得 了 足 夠 的 能 量 ，與 氣 體 發(fā) 生 碰 撞 ， 使 氣 體 分 子 被激 發(fā) ， 而 后 又 衰 變 到 基 態(tài) 并 放 出輝 光 ， 形 成 陰 極 輝 光 區(qū) 。（ 3） 克 魯 克 斯 暗 區(qū) ： 隨 電 子 加 速 獲 足 夠 能

7、量 ， 穿過 陰 極 輝 光 區(qū) 時 與 正 離 子 不 易 發(fā) 生 復 合 ， 從 而 形 成 又 一 個 暗 區(qū) ，叫 做 克 魯 克 斯 暗 區(qū) 。 暗 區(qū) 的 寬 度 與 電 子 的 平 均 自由 程 有 關 。 15 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：（ 4） 負 輝 光 區(qū) （ 輝 光 最 強 ） ： 隨 著 電 子 速 度 增 大 ， 很 快 獲得 了 足 以 引 起 電 離 的 能 量 ， 于 是離 開 陰 極 暗 區(qū) 后 使 大 量 氣 體 電 離 ，產 生 大 量 的 正 離 子 。 正 離 子 移 動 速 度 慢 ， 產 生 積聚 ， 電 位 升

8、 高 ； 與 陰 極 之 間 的 電位 差 成 為 陰 極 壓 降 。 電 子 在 高 濃 度 正 離 子 積 聚 區(qū)經 過 碰 撞 速 度 降 低 ， 與 正 離 子 復合 幾 率 增 加 ， 形 成 明 亮 的 負 輝 光區(qū) 。靶材的位置 16 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：（ 5） 法 拉 第 暗 區(qū) ： 經 過 負 輝 光 區(qū) 后 ， 大 多 數 動能 較 大 的 電 子 因 碰 撞 都 已 喪 失 了能 量 ， 少 數 電 子 穿 過 負 輝 光 區(qū) ，形 成 暗 區(qū) 。（ 6） 正 離 子 柱 ： 法 拉 第 暗 區(qū) 過 后 ， 少 數 電 子逐 漸

9、加 速 ， 并 使 氣 體 電 離 ； 由 于 電 子 較 少 ， 產 生 的 正 離 子 不 會 形成 密 集 的 空 間 電 荷 。 此 區(qū) 域 電 壓 降 很 小 ， 類 似 一個 良 導 體 。 17 二、濺射鍍膜的基本原理（ 一 ） 直 流 輝 光 放 電 ：8.常 用 氣 體 輝 光 放 電 各 區(qū) 域 顏 色氣 體 種 類 陰 極 光 層 負 輝 區(qū) 正 柱 區(qū)空 氣 桃 色 蘭 色 桃 紅 色紅 褐 色 淡 蘭 色 桃 色桃 色 蘭 色 桃 色紅 色 黃 白 色 淡 黃 色 有 桃 色 中心紅 色 綠 色 紅 發(fā) 紫 桃 色 暗 蘭 色 暗 紫 色黃 色 橙 色 橙 紅 色綠

10、色 綠 色 綠 色 18 二、濺射鍍膜的基本原理 19 二、濺射鍍膜的基本原理（ 三 ） 濺 射 參 數 ： 濺 射 閥 值 濺 射 率 及 其 影 響 因 素 濺 射 粒 子 的 速 度 和 能 量 分 布 濺 射 原 子 的 角 度 分 布 20 二、濺射鍍膜的基本原理（ 三 ） 濺 射 參 數 ：1.濺 射 閥 值 濺 射 閾 值 是 指 使 靶 材 原 子 發(fā) 生 濺 射 的 入 射 離 子 所 必 須 的 最 小 能 量 ，主 要 取 決 于 靶 材 料 。 對絕大多數金屬靶材，濺射閾值為1030eV 21 二、濺射鍍膜的基本原理 濺 射 率 與 靶 材 料 種 類 的 關 系 可

11、用 周 期 律 來 說 明 。 相 同 條 件 下 ， 同 種 離 子 轟 擊 不 同 元 素 的靶 材 料 ， 得 到 的 濺 射 率 不 同 。 濺 射 率 呈 周 期 性 變 化 ， 隨 靶 材 料 元 素 的原 子 序 數 的 增 大 而 增 加 。 22 二、濺射鍍膜的基本原理 23 二、濺射鍍膜的基本原理（ 三 ） 濺 射 參 數 ：（ 3） 入 射 離 子 種 類 ： 入 射 離 子 的 原 子 量 越 大 ， 濺 射 率 就 越 高 ; 濺 射 率 隨 入 射 離 子 的 Z周 期 性 變 化 而 變 。 同 一 周 期 中 凡 閉 合 電 子 殼 層的 元 素 濺 射 率 最

12、 大 ， 所 以 惰 性 氣 體 的 濺 射 率 最 高 。 24 二、濺射鍍膜的基本原理 25 二、濺射鍍膜的基本原理（ 三 ） 濺 射 參 數 ：（ 5） 靶 材 溫 度 ： 靶 材 存 在 與 升 華 相 關 的 某 一 溫 度 。 低 于 此 溫 度 時 ， 濺 射 率 幾 乎 不 變 ；高 于 此 溫 度 時 ， 濺 射 率 急 劇 增 加 。 除 此 之 外 ， 還 與 靶 的 結 構 和 靶 材 的 結 晶 取 向 、 表 面 形 貌 、 濺 射 壓 強等 因 素 有 關 26 二、濺射鍍膜的基本原理（ 三 ） 濺 射 參 數 ：3.濺 射 原 子 的 能 量 和 速 度 不 同

13、 靶 材 具 有 不 同 的 原 子 逸 出 能 量 ； 入 射 離 子 種 類 和 能 量 （ 守 恒 定 律 ） ； 傾 斜 方 向 逸 出 的 原 子 具 有 較 高 的 逸 出 能 量 。 27 二、濺射鍍膜的基本原理 28 二、濺射鍍膜的基本原理（ 四 ） 濺 射 鍍 膜 過 程 ：1.靶 材 的 濺 射 過 程 入 射 高 能 粒 子 轟 擊 靶 ， 將 動 量 轉 給 靶 材 原 子 ， 把 靶 材 原 子 從 靶 表 面撞 出 發(fā) 生 濺 射 。 只 有 靶 材 原 子 吸 收 的 能 量 超 過 其 結 合 能 ， 濺 射 才 能 發(fā) 生 。 2.濺 射 粒 子 的 遷 移

14、過 程3.濺 射 粒 子 的 成 膜 過 程 29 二、濺射鍍膜的基本原理（ 五 ） 濺 射 機 理 ：1.熱 蒸 發(fā) 理 論 （ 早 期 理 論 ） 濺 射 現 象 是 被 電 離 氣 體 的 離 子 在 電 場 中 加 速 并 轟 擊 靶 面 ， 而 將 能 量傳 遞 給 碰 撞 處 的 原 子 ， 導 致 很 小 的 局 部 區(qū) 域 產 生 高 溫 ， 使 靶 材 融 化 ， 發(fā)生 熱 蒸 發(fā) 。 可 以 解 釋 濺 射 率 與 靶 材 蒸 發(fā) 熱 和 入 射 離 子 的 能 量 關 系 ， 余 弦 分 布 規(guī) 律 ； 不 能 解 釋 濺 射 率 與 入 射 離 子 角 度 關 系 ，

15、非 余 弦 分 布 規(guī) 律 ， 以 及 濺 射 率與 入 射 離 子 質 量 關 系 等 。 30 二、濺射鍍膜的基本原理（ 五 ） 濺 射 機 理 ：2.動 量 轉 移 理 論 深 入 研 究 結 果 表 明 ， 濺 射 完 全 是 一 個 動 量 轉 移 過 程 。 該 理 論 認 為 ， 低 能 離 子 碰 撞 靶 時 ， 不 能 直 接 從 表 面 濺 射 出 原 子 ， 而是 把 動 量 傳 遞 給 被 碰 撞 的 原 子 ， 引 起 原 子 的 聯 級 碰 撞 。 這 種 碰 撞 沿 晶 體點 陣 的 各 個 方 向 進 行 。 當 原 子 的 能 量 大 于 結 合 能 時 ，

16、就 從 表 面 濺 射 出 來 。 圖 4.1 濺 射 原 子 的 聯 級 碰 撞 示 意 圖 31 三、磁控濺射 濺 射 沉 積 方 法 有 兩 個 缺 點 :第 一 ， 沉 積 速 率 較 低 ； 第 二 ， 濺 射 所 需的 工 作 氣 壓 較 高 。 為 了 在 低 氣 壓 下 進 行 高 速 濺 射 ， 必 須 有 效 的 提 高 氣 體的 離 化 率 ， 發(fā) 展 出 了 磁 控 濺 射 技 術 。（ 一 ） 磁 控 濺 射 的 工 作 原 理 ： 引 入 正 交 電 磁 場 來 改 變 電 子 運 動方 向 ， 束 縛 和 延 長 電 子 的 運 動 路 徑 ，提 高 電 子 的

17、電 離 概 率 和 有 效 地 利 用 了電 子 的 能 量 。 32 三、磁控濺射 33 三、磁控濺射（ 三 ） 磁 控 濺 射 的 分 類 ：1.直 流 磁 控 濺 射 1-磁 極 2-屏 蔽 罩 3-基 片 4-基 片 加 熱 裝 置 5-濺 射 靶 6-磁 力 線 7-電 場 8-擋 板 34 三、磁控濺射（ 三 ） 磁 控 濺 射 的 分 類 ：2.射 頻 磁 控 濺 射 1-磁 極 2-屏 蔽 罩 3-基 片 4-基 片 加 熱 裝 置5-濺 射 靶 6-磁 力 線 7-電 場 8-擋 板9-匹 配 網 絡 10-電 源 11-射 頻 發(fā) 生 器 35 三、磁控濺射 36 三、磁控

18、濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例 -TCO 薄 膜 的 制 備 ： TCO薄 膜 為 晶 粒 尺 寸 數 百 納 米 的 多 晶 層 ， 晶 粒 取 向 單 一 。 目 前 研 究較 多 的 是 ITO、 FTO和 AZO。 電 阻 率 達 10-4cm量 級 ， 可 見 光 透 射 率 為80% 90%。 FTO(SnO2 F)： 電 阻 率 可 達 5.0 10-4cm， 可 見 光 透 過 率 80%。 ITO(In 2O3 Sn)： 電 阻 率 可 達 7.0 10-5cm ， 可 見 光 透 過 率 85% 。 AZO(ZnO Al)： 電 阻 率 可 達 1.5

19、10-4cm ， 可 見 光 透 過 率 80% 。 薄 膜 的 性 質 是 由 制 備 工 藝 決 定 的 ， 一 般 要 求 為 ： 薄 膜 電 阻 率 低 、 透射 率 高 且 表 面 形 貌 好 ； 薄 膜 生 長 溫 度 低 ， 與 基 板 附 著 性 好 ； 能 大 面 積 均勻 制 膜 且 制 膜 成 本 低 。 37 三、磁控濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例 -TCO 薄 膜 的 制 備 ：1.基 片 溫 度 的 影 響 晶粒過大缺陷增多 晶界散射多電阻率升高溫度較低薄膜晶粒小溫度過高電阻率下降 38 三、磁控濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例

20、 -TCO 薄 膜 的 制 備 ：2.沉 積 時 間 的 影 響 溫度過高 晶粒過大缺陷增多 電阻率下降電阻率升高沉積時間延長薄膜厚度增加透過率下降沉積時間過長溫度升高晶化率增加電阻率下降 39 三、磁控濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例 -TCO 薄 膜 的 制 備 ：3.濺 射 功 率 的 影 響濺射功率增加濺射粒子增加粒子能量增加 濺射功率過高薄膜致密性增加膜層與基體粘附力增加濺射粒子能量過大氬離子能量過大陶瓷靶易開裂薄膜致密性下降 40 三、磁控濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例 -TCO 薄 膜 的 制 備 ：4.氬 氣 氣 壓 的 影 響 氬離子過多 碰撞增多 薄膜薄、晶化率低薄膜晶化率低氬氣氣壓過低氬離子少濺射原子少氬氣氣壓過高 41 三、磁控濺射（ 四 ） 磁 控 濺 射 的 應 用 實 例 -TCO 薄 膜 的 制 備 ：5.靶 基 距 的 影 響 散射增大 轟擊過大 薄膜薄、晶化率低薄膜致密性下降距離過小加速不夠動能過小距離過大部分粒子不能濺射到基片上 謝謝聆聽Thank You