磁控濺射技術(shù)及其應(yīng)用

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1、磁控濺射技術(shù)及其應(yīng)用演講：*2015年10月21日 目錄1234 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 簡 介磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 原 理磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 應(yīng) 用 一 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 簡 介 1842年 格 洛 夫 （ Grove） 在 研 究 電 子 管 陰 極 腐 蝕 問 題 時 ， 發(fā) 現(xiàn) 陰 極 材料 遷 移 到 真 空 管 壁 上 來 了 ， 進(jìn) 而 發(fā) 現(xiàn) 了 陰 極 濺 射 現(xiàn) 象 。 直 到 1877年 才 真 正 應(yīng) 用 于 研 究 的 濺 射 設(shè) 備 上 。 迄 后 70年 中 ， 由 于 實 驗條

2、 件 的 限 制 ， 對 濺 射 機 理 的 認(rèn) 同 長 期 處 于 模 糊 不 清 狀 態(tài) 。 到 了 20世 紀(jì) 中 期 ， 陰 極 濺 射 技 術(shù) 發(fā) 展 也 相 當(dāng) 緩 慢 ， 只 是 在 化 學(xué) 活 性極 強 的 材 料 、 貴 金 屬 材 料 、 介 質(zhì) 材 料 和 難 熔 金 屬 材 料 的 薄 膜 制 備 工 藝中 ， 采 用 濺 射 技 術(shù) 。 1、 陰 極 濺 射 技 術(shù) 發(fā) 現(xiàn) 與 進(jìn) 展 一 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 簡 介 在 1970年 出 現(xiàn) 了 磁 控 濺 射 技 術(shù) 隨 后 商 品 化 的 磁 控 濺 射 設(shè) 備 供 應(yīng) 于 世 ，大 大 地 擴 展

3、 了 濺 射 技 術(shù) 應(yīng) 用 的 領(lǐng) 域 。 最 近 15年 來 ， 磁 控 濺 射 技 術(shù) 得 到 了 飛 速 發(fā) 展 ， 并 出 現(xiàn) 了 一 系 列 新 的 濺射 技 術(shù) 如 :平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 、 非 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 、 多 靶 非 平 衡 磁控 濺 射 技 術(shù) 、 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) 、 中 頻 磁 控 濺 射 技 術(shù) 、 脈 沖 磁 控 濺 射技 術(shù) 。 隨 著 工 業(yè) 薄 膜 制 備 的 需 求 和 表 面 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 新 型 磁 控 濺 射 技 術(shù) 如 高 速 濺 射 、 自 濺 射 等 成 為 目 前 磁 控 濺 射 領(lǐng) 域

4、 新 的 發(fā) 展 趨 勢 。 2、 磁 控 濺 射 技 術(shù) 出 現(xiàn) 與 進(jìn) 展 二 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 原 理 直 流 二 級 濺 射 鍍 膜 就 是 利 用 低氣 壓 輝 光 放 電 產(chǎn) 生 的 氬 氣 正 離子 在 電 場 作 用 下 高 速 轟 擊 陰 極靶 材 ,把 靶 材 中 的 原 子 或 分 子 等粒 子 濺 射 出 而 沉 積 到 基 片 或 者工 件 表 面 ,形 成 所 需 的 薄 膜 層 。但 是 濺 射 鍍 膜 過 程 中 濺 射 出 的粒 子 的 能 量 很 低 ,導(dǎo) 致 成 膜 速 率 不 高 。1、 直 流 二 級 濺 射 二 、 磁 控 濺 射

5、鍍 膜 技 術(shù) 原 理 磁 控 濺 射 技 術(shù) 是 為 了 提 高 成 膜 速 率 在 直 流 二 級 濺 射 鍍 膜 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 起來 的 ,在 靶 材 表 面 建 立 與 電 場 正 交 的 磁 場 ,氬 氣 電 離 率 從 0.3% 0.5%提高 到 了 5% 6%,解 決 了 濺 射 鍍 膜 沉 積 速 率 低 的 問 題 ,是 目 前 工 業(yè) 上 精 密鍍 膜 的 主 要 方 法 之 一 。 磁 控 濺 射 陰 極 靶 材 的 原 料 很 廣 ,幾 乎 所 有 金 屬 、 合 金 以 及 陶 瓷 材 料 都可 以 制 備 成 靶 材 。 磁 控 濺 射 鍍 膜 在 相 互 垂

6、 直 的 磁 場 和 電 場 的 雙 重 作 用下 ,沉 積 速 度 快 ,膜 層 致 密 且 與 基 片 附 著 性 好 ,非 常 適 合 于 大 批 量 且 高 效 率 的 工 業(yè) 化 生 產(chǎn) 。 2、 磁 控 濺 射 技 術(shù) 二 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 原 理 磁 控 濺 射 的 工 作 原 理 是 在 輝 光 放 電的 兩 極 之 間 引 入 磁 場 ， 電 子 受 電 場加 速 作 用 的 同 時 受 到 磁 場 的 束 縛 作用 ， 運 動 軌 跡 成 擺 線 ， 增 加 了 電 子和 帶 電 粒 子 以 及 氣 體 分 子 相 碰 撞 的幾 率 ， 提 高 了 氣 體

7、 的 離 化 率 ， 降 低了 工 作 氣 壓 ， 而 氬 離 子 在 高 壓 電 場 加 速 作 用 下 ， 與 靶 材 撞 擊 并 釋 放 能量 ， 使 靶 材 表 面 的 靶 原 子 逸 出 靶 材飛 向 基 板 ， 并 沉 積 在 基 板 上 形 成 薄膜 。 2、 磁 控 濺 射 技 術(shù) 二 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 原 理 2、 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展平 衡 磁 控 濺 射 即 傳 統(tǒng) 的 磁 控 濺 射 ， 是 在 陰 極 靶 材 背 后 放 置 芯 部 與 外 環(huán) 磁 場 強度 相 等 或 相 近 的 永 磁 體 或 電

8、 磁 線 圈 ， 在 靶 材 表 面 形 成 與 電 場 方 向 垂 直 的 磁 場。優(yōu) 點 ： 降 低 濺 射 過 程 中 的 氣 體 壓 力 提 高 濺 射 的 效 率 和 沉 積 速 率缺 點 ： 不 適 用 于 較 大 的 工 件 和 裝 爐 量 易 生 成 多 孔 粗 糙 柱 狀 結(jié) 構(gòu) 薄 膜 1、 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展非 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 部 分 解 決 了 平 衡 磁控 濺 射 的 不 足 ,使 陽 極 基 片 沉 浸 在 等 離 子體 中 ,減 少 了 粒 子 移 動 的 距 離 ?！?非 平 衡 ” 是

9、 對 濺 射 靶 表 面 磁 場 分 布 而言 ， 有 兩 種 結(jié) 構(gòu) ， 一 種 是 邊 緣 強 一 種 是 中部 強 。 這 樣 濺 射 出 來 的 原 子 和 粒 子 沉 積 在基 體 表 面 形 成 薄 膜 ， 且 等 離 子 體 以 一 定 的能 量 轟 擊 基 體 ， 起 到 輔 助 沉 積 的 作 用 ， 大 大 地 改 善 了 膜 層 的 質(zhì) 量 2、 非 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展單 獨 的 非 平 衡 磁 控 靶 在 基 片 上 很 難 沉積 出 均 勻 的 薄 膜 層 ， 多 靶 非 平 衡 磁 控濺 射 鍍 膜 系 統(tǒng)

10、 ,彌 補 了 單 靶 非 平 衡 磁 控濺 射 的 不 足 。 多 靶 非 平 衡 磁 控 濺 射 系統(tǒng) 根 據(jù) 磁 場 的 分 布 方 式 可 以 分 為 相 鄰磁 極 相 反 的 閉 合 磁 場 非 平 衡 磁 控 濺 射和 相 鄰 磁 極 相 同 的 鏡 像 磁 場 非 平 衡 磁 控 濺 射 。 2、 非 平 衡 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展隨 著 表 面 工 程 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ,越 來 越 多 地 用 到 各 種 化 合 物 薄 膜 材 料 。 可 以 直 接 使 用化 合 物 材 料 制 作 的 靶 材 通 過 濺 射 來 制 備

11、化 合 物 薄 膜 ,也 可 在 濺 射 金 屬 或 合 金 靶 材時 , 通 入 一 定 的 反 應(yīng) 氣 體 ,通 過 發(fā) 生 化 學(xué) 反 應(yīng) 制 備 化 合 物 薄 膜 ,后 者 被 稱 為 反 應(yīng) 磁控 濺 射 。一 般 來 說 純 金 屬 作 為 靶 材 和 氣 體 反 應(yīng) 較 容 易 得 到 高 質(zhì) 量 的 化 合 物 薄 膜 ,因 而 大 多數(shù) 化 合 物 薄 膜 是 用 純 金 屬 為 靶 材 的 反 應(yīng) 濺 磁 控 射 來 制 備 的 。在 沉 積 介 電 材 料 或 絕 緣 材 料 化 合 物 薄 膜 的 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 時 ， 容 易 出 現(xiàn) 遲 滯 現(xiàn) 象 。 3

12、、 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 原 理 濺 射 沉 積 室 中 的 反 應(yīng) 氣 體 流 量 較 低時 （ A-B） 此 時 沉 積 膜 基 本 上 屬 金屬 態(tài) ， 此 時 的 濺 射 狀 態(tài) 為 金 屬 模 式 。 反 應(yīng) 氣 體 的 流 量 稍 微 增 加 （ B-C）濺 射 速 率 會 發(fā) 生 大 幅 度 的 下 降 ， 此時 的 濺 射 狀 態(tài) 為 過 渡 模 式 。 反 應(yīng) 氣 體 流 量 再 進(jìn) 一 步 增 加 ， 沉 積速 率 的 變 化 不 大 沉 積 膜 呈 現(xiàn) 為 化 合物 膜 ， 此 時 的 濺 射 狀 態(tài) 為 反 應(yīng) 模 式

13、。 逐 漸 減 小 反 應(yīng) 氣 體 流 量 （ D-E） ，濺 射 速 率 不 會 由 C立 刻 回 升 到 B， 而 呈 現(xiàn) 緩 慢 回 升 的 狀 態(tài) ， 直 到 減 小 到某 個 數(shù) 值 E， 才 會 出 現(xiàn) 突 然 上 升 到金 屬 模 式 濺 射 狀 態(tài) 時 的 數(shù) 值 ， 形 成閉 合 的 遲 滯 回 線 。 3、 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) -遲 滯 現(xiàn) 象 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展 靶 中 毒 ： 遲 滯 現(xiàn) 象 使 反 應(yīng) 氣 體 與 靶 材 作 用 生 成 的 化 合 物 覆 蓋 在 靶 材 表 面 ， 積累 大 量 的 正 電 荷 無 法 中 和

14、 ， 在 靶 材 表 面 建 立 越 來 越 高 的 正 電 位 ， 陰 極 位 降 區(qū)的 電 位 隨 之 降 低 ， 最 終 陰 極 位 降 區(qū) 電 位 降 減 小 到 零 ， 放 電 熄 滅 ， 濺 射 停 止 ，這 種 現(xiàn) 象 稱 為 靶 中 毒 。 打 弧 ： 當(dāng) 靶 材 表 面 化 合 物 層 電 位 足 夠 高 時 ， 進(jìn) 而 發(fā) 生 擊 穿 ， 巨 大 的 電 流 流 過擊 穿 點 ， 形 成 弧 光 放 電 ， 導(dǎo) 致 局 部 靶 面 瞬 間 被 加 熱 到 很 高 的 溫 度 ， 發(fā) 生 噴 射出 現(xiàn) “ 打 弧 ” 現(xiàn) 象 。 靶 中 毒 和 打 弧 導(dǎo) 致 了 濺 射 沉

15、 積 的 不 穩(wěn) 定 ， 縮 短 了 靶 材 的 使 用 壽 命 ！ 解 決 辦 法 ： 最 為 有 效 解 決 直 流 反 應(yīng) 濺 射 靶 中 毒 和 打 弧 問 題 的 方 式 是 改 變 濺 射電 源 ， 如 采 用 射 頻 ， 中 頻 脈 沖 電 源 。 3、 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展 將 直 流 磁 控 濺 射 電 源 改 為 交 流 中 頻 電 源 即 成 為 中 頻 磁 控 濺 射 。 在 中 頻 反 應(yīng) 濺射 過 程 中 ， 當(dāng) 靶 上 所 加 的 電 壓 處 在 負(fù) 半 周 期 時 ， 靶 材 表 面 被 正 離 子 轟

16、擊 濺 射， 在 正 半 周 期 ， 等 離 子 體 中 的 電 子 加 速 飛 向 靶 材 表 面 ， 中 和 了 靶 材 表 面 沉 積化 合 物 層 累 積 的 正 電 荷 ， 從 而 抑 制 了 打 弧 現(xiàn) 象 的 發(fā) 生 。 在 確 定 的 工 作 場 強 下 ， 頻 率 越 高 ， 等 離 子 體 中 正 離 子 被 加 速 的 時 間 越 短 ， 正 離 子 從 外 電 場 吸 收 的 能 量 就 越 少 ， 轟 擊 靶 時 的 能 量 就 越 低 ， 濺 射 速 率 就 會 下降 ， 因 此 為 了 維 持 較 高 的 濺 射 速 度 ， 中 頻 反 應(yīng) 濺 射 電 源 的 頻

17、 率 一 般 為 1080HZ 4、 中 頻 磁 控 濺 射 技 術(shù) 三 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展 4、 中 頻 磁 控 濺 射 技 術(shù) 中 頻 磁 控 濺 射 常 同 時 濺 射 兩 個 靶 ， 并 排 配 置 的 兩 個 靶 的 尺 寸 與 外 形 完 全 相同 ， 通 常 稱 為 孿 生 靶 如 圖 所 示 ， 在 濺 射 過 程 中 ， 兩 個 靶 周 期 性 輪 流 作 為 陰 極和 陽 極 ， 既 抑 制 了 靶 面 打 火 ， 而 且 消 除 普 通 直 流 反 應(yīng) 濺 射 是 陽 極 消 失 現(xiàn) 象 ， 使濺 射 過 程 得 以 穩(wěn) 定 進(jìn) 行 。 三 、 磁

18、 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展 脈 沖 磁 控 濺 射 是 采 用 矩 形 波 電 壓 的 脈 沖 電 源代 替 傳 統(tǒng) 直 流 電 源 進(jìn) 行 磁 控 濺 射 沉 積 。 脈 沖磁 控 濺 射 技 術(shù) 可 以 有 效 的 抑 制 電 弧 產(chǎn) 生 進(jìn) 而消 除 由 此 產(chǎn) 生 的 薄 膜 缺 陷 ， 同 時 可 以 提 高 濺射 沉 積 速 率 ， 降 低 沉 積 溫 度 等 一 系 列 顯 著 優(yōu)點 。 脈 沖 可 分 為 雙 向 脈 沖 和 單 向 脈 沖 。 雙 向 脈 沖 在 一 個 周 期 內(nèi) 存 在 正 電 壓 和 負(fù) 電 壓 兩 個 階 段， 在 負(fù) 電 壓 段 ， 電 源

19、 工 作 于 靶 材 的 濺 射 ， 正電 壓 段 ， 引 入 電 子 中 和 靶 面 累 積 的 正 電 荷 ，并 使 表 面 清 潔 ， 裸 露 出 金 屬 表 面 。 脈 沖 磁 控濺 射 通 常 采 用 方 波 脈 沖 波 形 ， 在 中 頻 段 即 可有 效 消 除 異 常 弧 光 放 電 的 發(fā) 現(xiàn) 電 弧 放 電 。 5、 脈 沖 磁 控 濺 射 技 術(shù) 四 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 的 發(fā) 展 雙 向 脈 沖 更 多 地 用 于 雙 靶 閉 合 式 非平 衡 磁 控 濺 射 系 統(tǒng) 如 圖 所 示 ， 系 統(tǒng)中 的 兩 個 磁 控 靶 連 接 在 同 一 脈 沖 電源

20、 上 ， 與 中 頻 孿 生 靶 相 似 ， 兩 個 靶交 替 充 當(dāng) 陰 極 和 陽 極 ， 陰 極 靶 在 濺射 的 同 時 ， 陽 極 靶 完 成 表 面 清 潔 ，如 此 周 期 性 地 變 換 磁 控 靶 極 性 ， 就 產(chǎn) 生 了 “ 自 清 潔 ” 效 應(yīng) 。 6、 脈 沖 磁 控 濺 射 技 術(shù) 四 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 的 發(fā) 展 高 速 濺 射 ： 高 速 濺 射 能 夠 實 現(xiàn) 高 速 率 沉 積 ， 可 以 縮 短 濺 射 鍍 膜 的 時 間 ， 提 高工 業(yè) 生 產(chǎn) 的 效 率 ； 有 可 能 替 代 目 前 對 環(huán) 境 有 污 染 的 電 鍍 工 藝

21、。 自 濺 射 ： 當(dāng) 濺 射 率 非 常 高 ， 以 至 于 在 完 全 沒 有 惰 性 氣 體 的 情 況 下 也 能 維 持 放電 ， 即 是 僅 用 離 化 的 被 濺 射 材 料 的 蒸 汽 來 維 持 放 電 ， 這 種 磁 控 濺 射 被 稱 為 自濺 射 。 被 濺 射 材 料 的 離 子 化 以 及 減 少 甚 至 取 消 惰 性 氣 體 ， 會 明 顯 地 影 響 薄 膜形 成 的 機 制 ， 加 強 沉 積 薄 膜 過 程 中 合 金 化 和 化 合 物 形 成 中 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 。 由 此 可 能 制 備 出 新 的 薄 膜 材 料 ， 發(fā) 展 新 的 濺 射 技

22、 術(shù) ， 例 如 在 深 孔 底 部 自 濺 射 沉 積薄 膜 。 6、 磁 控 濺 射 新 發(fā) 展 四 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 光 學(xué) 薄 膜 應(yīng) 用 反 應(yīng) 磁 控 濺 射 技 術(shù) 已 有 多 年 ， 中 頻 閉 合 場 非 平 衡 磁 控 濺 射 技術(shù) 也 已 在 光 學(xué) 薄 膜 (如 增 透 膜 )、 低 輻 射 玻 璃 和 透 明 導(dǎo) 電 玻 璃 等 方 面 得 到 應(yīng)用 。 特 別 是 透 明 導(dǎo) 電 玻 璃 目 前 廣 泛 應(yīng) 用 于 平 板 顯 示 器 件 、 太 陽 能 電 池 、 微波 與 射 頻 屏 蔽 裝 置 與 器 件 、 傳 感 器 等 。

23、透 明 導(dǎo) 電 玻 璃 在 玻 璃 基 片 或 柔 性 襯底 上 ,濺 射 制 備 SiO2薄 膜 和 摻 雜 ZnO或 InSn氧 化 物 (ITO)薄 膜 。 ITO薄 膜 最 低電 阻 率 接 近 1025 cm量 級 ,可 見 光 范 圍 內(nèi) 平 均 光 透 過 率 在 90%以 上 1、 光 學(xué) 鍍 膜 四 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 1、 光 學(xué) 鍍 膜 四 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 采 用 磁 控 濺 射 技 術(shù) 在 玻 璃 管 上 鍍 制 AlN Al膜 。 太 陽 能 集 熱 真 空 管 鍍 膜 主要 是 應(yīng) 用 其 生 產(chǎn) 線 具

24、有 自 動 化 程 度 好 、 性 能 先 進(jìn) 、 優(yōu) 質(zhì) 品 率 高 、 質(zhì) 量 穩(wěn) 定等 特 點 。 2、 太 陽 能 玻 璃 管 上 鍍 膜 二 、 磁 控 濺 射 鍍 膜 技 術(shù) 發(fā) 展 3、 自 清 潔 玻 璃基 于 TiO2光 催 化 作 用 的 自 清 潔 玻 璃 亦 將 成 為 一 個 巨 大 的 新 興 產(chǎn) 業(yè) 。 玻 璃 表面 所 鍍 的 TiO2膜 或 其 他 半 導(dǎo) 體 膜 還 能 分 解 空 氣 中 的 有 機 物 ， 以 凈 化 空 氣 ， 且催 化 空 氣 中 的 氧 氣 使 之 變 為 負(fù) 氧 離 子 ， 從 而 使 空 氣 變 得 清 新 ， 同 時 能 殺 滅 玻璃 表 面 的 細(xì) 菌 和 空 氣 中 的 細(xì) 菌 。 謝謝聆聽