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1、磁控溅射技术及其应用,演讲：*,2019年10月21日,磁控溅射技术及其应用演讲：*2019年10月21日,目录,1,2,3,4,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,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,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
2、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1842年格洛夫（Grove）在研究,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
3、溅射技术出现与进展,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,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直流二级溅射镀膜就是利用低气压辉光放,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
4、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技术是为了提高成膜速率在直流,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，
5、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磁控溅射的工作原理是在辉光放电的两极,二、磁控溅射镀膜技术原理,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平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴,三、磁控
6、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非平衡磁控溅射技术部分解决了平衡磁控,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
7、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单独的非平衡磁控靶在基片上很难沉积出,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
8、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,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、磁控溅射镀膜技术原
9、理溅射沉积室中的反应气体流量较低时（A,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
10、磁控溅射技术,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,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
11、 4、中频磁控溅射技,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 4、中频磁控溅射技术,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
12、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,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,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
13、控溅射镀膜技术的发展 6、脉冲磁控溅射,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发展 6、磁控溅射新发,四、磁控
14、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1025cm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,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AlNAl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,四、磁控溅射镀膜技术的应用 2、太阳能玻璃管上,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。,二、磁控溅射镀膜技术发展 3、自清洁玻璃基于,谢谢聆听,谢谢聆听,
