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1、磁控溅射原理与应用,光学中式：程双林,秀强磁控溅射镀膜设备的分类,摘要,磁控溅射是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪 70 年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。,原理,磁控溅射镀膜是指将涂层材料做为靶阴极，利用氩离子轰击靶材，产生阴极溅射，把靶材原子溅射到工件上形成沉积
2、层的一种镀膜技术。,原理示意图,溅射技术-直流溅射法,直流溅射法直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料，因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射法（RF,溅射技术-溅射镀膜,溅射镀膜溅射镀膜就是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。通常，利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。阴极靶由镀膜材料制成
3、，基片作为阳极，真空室中通入0.1-10Pa的氩气或其它惰性气体，在阴极（靶）1-3KV直流负高压或13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电。电离出的氩离子轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。溅射方法很多，主要有二级溅射、三级或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。,磁控溅射设备的主要用途,（1）各种功能性薄膜：如具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用的薄膜。例如，低温沉积氮化硅减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。（2）装饰领域的应用，如各种全反射膜及半透明膜等，如手机外壳，鼠标等。,技术分类,技术分类磁控溅射
4、在技术上可以分为直流（DC）磁控溅射、中频（MF）磁控溅射、射频（RF）磁控溅射,直流溅射法,直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料，因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材，须用射频溅射法（RF）,中频溅射镀,中频溅射镀膜，电源输进电极（靶）接受的是很高频率的交流电，由于高频交流电的集肤效应，使电极表面电流密度大大增加，加上高频震荡对电离
5、气体产生正离子非常有利，只有更多的正离子参加碰撞溅射速率才会增高，这对于进步产量降低本钱是大有好处的，中频溅射可以使用金属、非金属靶材，对于镀制大尺寸的氧化膜有明显的上风。,射频磁控溅射,射频磁控溅射制备薄膜是一种很成熟的技术，起源于上世纪70年代。通俗的讲就是在真空的状态下，将要溅射的元件等离子化，然后把这种等离子的类气体涂在薄膜上。也可以把坚硬的物资涂到柔性物体上去。,三种对比图,磁控溅射工艺研究,在气体可以电离的压强范围内如果改变施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随之改变，引起气体中的电流发生变化。改变气体中的电流可以产生更多或更少的离子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速率,溅射速率,一
6、般来说：提高电压可以提高离化率。这样电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功率。在 VONARDENNE镀膜产品中所采用的范围内，功率的提高与溅射速率的提高是一种线性的关系。,工艺气体,在气体可以电离的压强范围内如果改变施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随之改变，引起气体中的电流发生变化。改变气体中的电流可以产生更多或更少的离子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速率,气体环境,气体环境真空系统和工艺气体系统共同控制着气体环境。首先，真空泵
7、将室体抽到一个高真空大约为106torr)。然后，由工艺气体系统(包括压强和流量控制调节器)充入工艺气体，将气体压强降低到大约2103torr。为了确保得到适当质量的同一膜层，工艺气体必须使用纯度为99995%的高纯气体。在反应溅射中，在反应气体中混合少量的惰性气体(如氩)可以提高溅射速率,气体压强,将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自由程、进而使更多的离子具有足够的能量去撞击阴极以便将粒子轰击出来，也就是提高溅射速率。超过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会导致离化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低，等离子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可提高离化率，但是也就降低了溅射原子
8、的平均自由程，这也可以降低溅射速率。能够得到最大沉积速率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反应溅射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积速率，必须按照适当的速度补充新的反应气体。,传动速度,玻璃基片在阴极下的移动是通过传动来进行的。低传动速度使玻璃在阴极范围内经过的时间更长，这样就可以沉积出更厚的膜层。不过为了保证膜层的均匀性，传动速度必须保持恒定。镀膜区内一般的传动速度范围为每分钟0600英寸(大约为01524米)之间。根据镀膜材料、功率、阴极的数量以及膜层的种类的不同传动速度也不同大约在0.52米左右,距离与速度及附着力,为了得到最大的沉积速率并提高膜层的附着力，在保证不会破坏辉光放
9、电自身的前提下基片应当尽可能放置在离阴极最近的地方。溅射粒子和气体分子(及离子)的平均自由程也会在其中发挥作用。当增加基片与阴极之间的距离，碰撞的几率也会增加，这样溅射粒子到达基片时所具有的能力就会减少。所以，为了得到最大的沉积速率和最好的附着力，基片必须尽可能地放置在靠近阴极的位置上,系统参数,工艺会受到很多参数的影响。其中些是可以在工艺运行期间改变和控制的；而另外一些则虽然是固定的，但是一般在工艺运行前可以在一定范围内进行控制。两个重要的固定参数是：靶结构和磁场。,靶结构,每个单独的靶都具有其自身的内部结构和颗粒方向。由于内部结构的不同，两个看起来完全相同的靶材可能会出现迥然不同的溅射速率
10、。在镀膜操作中，如果采用了新的或不同的靶，应当特别注意这一点。如果所有的靶材块在加工期间具有相似的结构，调节电源，根据需要提高或降低功率可以对它进行补偿。在一套靶中，由于颗粒结构不同，也会产生不同的溅射速率。加工过程会造成靶材内部结构的差异，所以即使是相同合金成分的靶材也会存在溅射速率的差异因,磁场,用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适当(比如过低)，那么即使磁场强度一致也会导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常高，但是由于刻蚀区的
11、关系，这个速率会迅速下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区也会造成靶的利用率比较低。,可变参数,溅射过程中，通过改变改变这些参数可以进行工艺的动态控制。这些可变参数包括：功率、速度在、气体的种类和压强。,功率,每一个阴极都具有自己的电源。根据阴极的尺寸和系统设计，功率可以在0150KW(标称值)之间变化。电源是一个恒流源。在功率控制模式下，功率固定同时监控电压，通过改变输出电流来维持恒定的功率。在电流控制模式下，固定并监控输出电流，这时可以调节电压。施加的功率越高，沉积速率就越大,速度,另一个变量是速度。对于单端镀膜机，镀膜区的传动速度可以在每分钟06米之间选择。对于双端镀膜机，镀膜区的传动
12、速度可以在每分钟大约为02米之间选择在给定的溅射速率下，传动速度越低则表示沉积的膜层越厚,气体,最后一个变量是气体。可以在三种气体中选择两种作为主气体和辅气体来进行使用。它们之间，任何两种的比率也可以进行调节。气体压强可以在15103torr之间进行控制,阴极/基片之间的关系,在曲面玻璃镀膜机中，还有一个可以调节的参数就是阴极与基片之间的距离。平板玻璃镀膜机中没有可以调节的阴极。,试验,试验目的熟悉真空镀膜的操作过程和方法了解磁控溅射镀膜的原理及方法。学会使用磁控溅射镀膜技术。研究不同工作气压对镀膜影响,试验设备,SAJ-500超高真空磁控溅射镀膜机(配有纯铜靶材)；氩气瓶；陶瓷基片；无尘布。
13、,试验原理,磁控溅射沉积镀膜机理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来，解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置强力磁铁，真空室充入0.110Pa压力的惰性气体(Ar)，作为气体放电的载体,高压,在作用下A原子电离成为A+离子和电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基片的过程中，受到垂直于电场的磁场影响使电子产生偏转，被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，电子以摆线的方式沿着靶表面前进，在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar离子，与没有磁控管的结构的溅射相比，离化率迅速增加10100倍，因此该区域内等离子体
14、密度很高,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。而Ar+离子在高压电场加速作用下，与靶材的撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收Ar+离子的动能而脱离原晶格束缚，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积形成薄膜。,对比图,结果,工作气压,当工作气压增大时，沉积速率会减小，原因又两点：1由于气体分子平均自由程减小，溅射原子的的被反射和受气体分子散射的几率增大，而且这一影响已经超过了放电增强的影响，溅射原子经多次碰撞后逃离沉积区域。基片对溅射原子的收集效率降低，从而导致了沉积效率的降低。2随着氩气分子的增加，溅射原子与氩气分子碰撞的次数大大增加，导致溅射原子能量在碰撞过程中大量损失，致使离子到达基片数量减少，沉积速率下降。,实验结果,通过试验及对结果的分析得出以下结论，在其他参数不变的情况下，沉积率先增大后减小，在某一个最佳工作气压下，有一个最大沉积率！,谢谢,
