《真空濺射鍍膜》ppt課件

1、第四章 真空濺射鍍膜,Vacuum Sputtering Coating,教學(xué)重點(diǎn)：濺射鍍膜原理；磁控濺射靶；靶的磁場(chǎng)分布計(jì)算；典型鍍膜機(jī),4.1 濺射技術(shù),Sputtering Technique,1）定義： 濺射——用荷能粒子（氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象及過(guò)程。被轟擊物體處于負(fù)電位，故稱為“陰極濺射”。 濺射鍍膜中，被轟擊物體稱為“靶”。2) 理論蒸發(fā)論——?jiǎng)幽苷?，溫度論?濺射論——

2、動(dòng)量論； 混合論。,3）參數(shù) 濺射率 η = 濺射出的靶材原子數(shù) / 入射正離子數(shù)影響因素：①靶材成分——原子序數(shù)大，η大；②入射正離子種類——惰性氣體η大，常用氬氣Ar；④正離子入射角度——70~80°時(shí)有最大值；P92 Fig 4-4⑤靶材溫度——低溫時(shí)η不變，高溫時(shí)劇增；P92 Fig 4-5,4）特點(diǎn)： ①可控性好，重復(fù)性好；②膜的附著強(qiáng)度高：濺射粒子能量高幾~十幾eV，對(duì)比 蒸發(fā)粒子0.幾eV

3、； 可形成偽擴(kuò)散層； 等離子體的清洗和激活基體表面作用； 附著不牢的粒子被清除掉。③膜材成分廣泛：靶材種類——塊體、顆粒、粉體；單質(zhì)、化合物、混合物； 膜材成分——單質(zhì)膜、化合物膜、混合物膜、多層膜、反應(yīng)膜；④組分基本不變，偏析小，不受熔點(diǎn)限制；⑤成膜速率比蒸發(fā)鍍膜低，基片溫升高，受雜

4、質(zhì)氣體影響嚴(yán)重。,5）方式：（普通）直流濺射——二級(jí)濺射、三級(jí)或四級(jí)濺射（直流）磁控濺射——高頻濺射——射頻濺射反應(yīng)濺射—— 要點(diǎn)：彈粒子入射——成分 惰性氣體Ar+ 來(lái)源 氣體放電 要求 處于濺射能量閾 低壓氣體環(huán)境（輸運(yùn)過(guò)程的要求）,4.2 直流濺射鍍膜,D.C. Sputtering Technique,1）二極濺射,①原理：異常輝光放電產(chǎn)生正離子②結(jié)構(gòu)：鍍膜室

5、 基片架及基片濺射靶 加熱裝置（促進(jìn)發(fā)射電子） 充氣系統(tǒng)——工作氣體Ar氣，反應(yīng)氣體抽氣系統(tǒng)——本底真空 10-3Pa，工作真空 1~10Pa電氣系統(tǒng)——放電電源,,③缺點(diǎn)：參數(shù)不能單獨(dú)控制，靶材必須為良導(dǎo)體，且易于發(fā)射電子沉積速率低 基片溫升高（電子轟擊）,2）三極（四極）濺射 結(jié)構(gòu),陰極、陽(yáng)極間形成放電，產(chǎn)生等離子體，其中的正離子轟擊低電位的靶（第三極

6、），將其濺射沉積在對(duì)面的基片上（無(wú)電位）。加穩(wěn)定性電極（第四極）改進(jìn)：放電不依賴陰極的二次電子發(fā)射， 正離子、濺射速率由熱陰極的發(fā)射電流來(lái)控制 可控性和重復(fù)性好,4.3 （直流）磁控濺射鍍膜,Magnetron Sputtering Technique 利用磁場(chǎng)控制電子的運(yùn)動(dòng),1）磁控原理：電子在靜止電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)①電子速度：V// —平行于B的速度分量，產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)；V⊥—垂直于B的速度分量，產(chǎn)生回旋運(yùn)

7、動(dòng)；合成螺旋運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑回轉(zhuǎn)周期無(wú)平行電場(chǎng)時(shí)的節(jié)距：,,,,②有平行電場(chǎng)時(shí)的節(jié)距： B//E，且B、E均勻 B、E反向 電子被加速 電子回旋的螺距增大B、E同向 電子被減速 電子回旋的螺距減小 ③有正交電場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng) B⊥E 且B、E均勻 擺線軌跡（直線運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)的合成） 電子在第三軸方向行走，在E方向僅有限高度擺線軌跡（旋輪線半徑）

8、 m式中e ——電子電荷量C；m——電子質(zhì)量kg；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度T；E——電場(chǎng)強(qiáng)度V/m。,,應(yīng)用實(shí)例：平面電極——均勻正交電磁場(chǎng) 平面磁控靶 同軸圓柱電極——徑向電場(chǎng)軸向磁場(chǎng) 同軸圓柱靶 磁控的目的：利用磁場(chǎng)的束縛效應(yīng)，使電子軌跡加長(zhǎng)，使放電可以在較低的電壓和氣壓條件下維持。磁控濺射的特點(diǎn)：① 電子利用率高，低氣壓、低電壓下能

9、產(chǎn)生較多正離子——濺射速率高；② 電子到達(dá)基片時(shí)是低能狀態(tài)，升溫作用小——基片溫度低；③ 放電集中于靶面；④ 沉積速率大。,,1）磁控靶設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①產(chǎn)生均勻正交電磁場(chǎng)，電場(chǎng)⊥，磁場(chǎng)∥。關(guān)心水平磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布。②磁場(chǎng)形成封閉回路，電子在其中循環(huán)飛行。③防止非靶材成分的濺射，加屏蔽罩。屏蔽間隙δ＜2re結(jié)構(gòu)形式:107 Fig4-15①圓平面靶,②矩形平面靶,③同軸圓柱靶,④S槍（圓錐靶）,⑤旋轉(zhuǎn)圓柱靶（柱形平面靶）,

10、⑥特殊結(jié)構(gòu)靶,3）工作特性及參數(shù),①電流電壓特性： 低壓等離子體放電 電壓↑，電流↑；氣壓p↑，放電電壓U↓，電流I↑； 與靶的結(jié)構(gòu)有關(guān)。②沉積速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間成膜厚度 q r nm / min相對(duì)沉積速率與氣壓的關(guān)系 P110 Fig4-19 沉積速率與靶電流的關(guān)系 P110 Fig4-21 沉積速率與靶基距的關(guān)系 P110 Fig4-20

11、,,③功率效率=沉積速率（nm / min ）/靶功率密度（W/cm2）最大功率密度 功率過(guò)大會(huì)引起靶開(kāi)裂、升華、熔化。是限制沉積速率的重要因素；水冷系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)依據(jù),4.4 射頻濺射鍍膜,R.F.(Radio Frequency) Sputtering Coating,,1）原理： 解決絕緣材料的濺射A+入射轟擊，維持10-7s電位抵消，反轉(zhuǎn)電極e入射中和，維持10-9s，電荷中和射頻電源：頻率13.56MHz

12、 正負(fù)半周各在10-7s左右 特點(diǎn)：氣體極易被擊穿，所以擊穿（破裂）電壓和放電電壓僅為直流濺射,,2）裝置 射頻二極濺射—— 射頻磁控濺射——二者區(qū)別：濺射靶有無(wú)磁場(chǎng) P119，F(xiàn)ig4-32 3）電源 射頻源13.56MHz 電阻電容耦合 關(guān)鍵解決屏蔽問(wèn)題：電源問(wèn)題 同軸傳輸導(dǎo)線；靶； 室體——用導(dǎo)體 觀察窗

13、——金屬網(wǎng)或旋轉(zhuǎn)擋板4）脈沖濺射,4.5反應(yīng)濺射鍍膜,Reaction Sputtering Coating,1）定義：濺射鍍膜時(shí)，有目的地充入反應(yīng)性氣體，從而在基體上得不同于靶材的薄膜成分2）原理機(jī)制 由于反應(yīng)性氣體的分壓較低，所以氣相反應(yīng)很少，固相反應(yīng)為多數(shù)其中：靶面反應(yīng) 反應(yīng)條件是反應(yīng)氣體氣壓較高時(shí)，基體表面反應(yīng) 反應(yīng)氣體氣壓較低時(shí)3）參數(shù)：改變反應(yīng)氣體與工作氣體的比例，可以改變膜層成

14、分 如由金屬導(dǎo)電膜——半導(dǎo)體膜——絕緣膜反應(yīng)氣體壓力過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致靶中毒，在靶面形成氧化物，使沉積速率大大下降。,4）中頻濺射——孿生中頻靶解決采用反應(yīng)濺射制備化合物類介質(zhì)膜存在的問(wèn)題：金屬氧化物沉積過(guò)程中，有靶中毒、陽(yáng)極消失、靶面和電極打火問(wèn)題。,4.6磁場(chǎng)計(jì)算Calculation of Magnetic Field Distribution 磁控靶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響靶材利用率和總體發(fā)射特性——膜厚分布均勻性

15、1）磁荷法 永磁體端面有分離磁荷2）等效電流法 永磁體側(cè)面有等效電流,4.7典型磁控濺射鍍膜機(jī),Typical Coating Equipment by Magnetron Sputtering,1）間歇式（周期式），單室鍍膜機(jī) P113 Fig4-23 室門的結(jié)構(gòu)：鐘罩式，前開(kāi)門式，上開(kāi)蓋（盒）式 靶的布置： 中心圓柱靶，兩側(cè)矩形靶，下面圓平面靶，S-靶 工件架結(jié)構(gòu)： 旋轉(zhuǎn)行星

16、架，自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)，避免周期相同2）半連續(xù)式 多室鍍膜機(jī)，有進(jìn)出料室，P114，F(xiàn)ig4-24批式裝料出料，進(jìn)料、預(yù)熱、鍍膜、冷卻、出料，閘閥過(guò)渡枚葉式 柔性加工系統(tǒng) 3）連續(xù)式：鍍膜玻璃生產(chǎn)線， 5，7，9，11室， P115，F(xiàn)ig4-25,第五章 真空離子鍍和離子束沉積,Ion Plating & Ion-beam Deposition,5.1 真空離子鍍,Ion Plating,1）定義沉積于基體上

17、的膜材粒子中，有部分粒子是以離子形式入射沉積的。特征：基片處于相對(duì)負(fù)電位，基片及膜層在鍍膜過(guò)程中始終受到高能離子（膜材離子、氣體離子）的轟擊2）原理、結(jié)構(gòu) 蒸發(fā)+放電工作程序：抽本底真空 10-3Pa充氣，工作真空 10-1~1Pa基片加負(fù)電壓，放電，離子轟擊、清洗大量蒸發(fā)，少量離化，沉積成膜指標(biāo)：膜材粒子的離化率,3）離子轟擊的作用：——適合于強(qiáng)度膜①清洗 基片及膜層表面去除氣體和污物②激活表面和

18、膜層，提高結(jié)合能力③提高膜層質(zhì)量 促進(jìn)表面遷移；消除“陰影效應(yīng)”；使膜層均勻；細(xì)化晶核；形成偽擴(kuò)散層；釘扎效應(yīng)。④繞射現(xiàn)象，基片的背面、孔洞中，都可以成膜，用于復(fù)雜形狀元件的鍍膜⑤剝離作用，去掉膜層中吸附不牢的粒子（也降低了沉積速率）成膜條件 沉積>剝離,,4）離子鍍裝置不同的蒸發(fā)源+不同的離化源（放電等離子體）蒸發(fā)源——電阻加熱，電子束加熱，感應(yīng)加熱放 電——源靶二極直流放電，陰陽(yáng)極放電，基片第三極負(fù)偏壓

19、例如：HCD槍,5）工藝參數(shù) 有了更多的可調(diào)節(jié)參數(shù)蒸發(fā)速率放電參數(shù)——U偏壓，P氣壓（等離子體的強(qiáng)度），源基距d—涉及碰撞幾率和電離幾率基片的偏壓——離子轟擊程度基片的溫度——成膜條件沉積速率——可通過(guò)改變蒸發(fā)率和濺射剝離率的配比進(jìn)行調(diào)節(jié),5.2真空電弧離子鍍（多弧鍍）,Arc Ion Plating 也稱多弧離子鍍Multi-Arc Ion Plating，利用真空條件下的弧光放電進(jìn)行鍍膜,1)弧光放電,特

20、征——低電壓~20V；大電流10~100A；負(fù)特性I↑V↓；成膜快機(jī)制——大量正離子轟擊陰極局部，使其局部加熱到高溫，形成熱電子發(fā)射和金屬熱蒸發(fā)，金屬蒸汽大量電離后形成離子鞘層，大大降低陰極位降，提高放電電流。 發(fā)射電子和金屬蒸汽的地方，溫度最高，電場(chǎng)最強(qiáng)，逸出功最小。 現(xiàn)象：小弧豆，灼坑，邊緣尖端放電，導(dǎo)致輝點(diǎn)轉(zhuǎn)移，滾動(dòng)可達(dá)150m/s，后部弧光散開(kāi)。,2）裝置電弧靶，基體間放電電壓20V左右，

21、電流10~100A。引弧裝置，放電電壓150~200V陰極輝點(diǎn)處電流密度可達(dá)106~107A/cm2，所以電弧靶要水冷、磁控。對(duì)磁場(chǎng)的要求：水平場(chǎng)——壓??；垂直場(chǎng)——束弧3）特點(diǎn)不是真正的離子鍍（因?yàn)闊o(wú)基片負(fù)偏壓），但是，是有大量正離子存在的蒸發(fā)鍍。沉積速率大，用于鍍厚膜。強(qiáng)度也較高，用于鍍硬膜。有液滴噴射現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。靶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以多個(gè)同時(shí)工作（多弧鍍）典型應(yīng)用——多弧鍍膜機(jī)。鍍TiN（刀具、鋼板、裝飾仿金）,

22、5.3離子束沉積,Ion Beam Deposition,1）定義利用離化的粒子束流（離子束）參與基片上的沉積過(guò)程2）特征基片接負(fù)電位，鍍膜過(guò)程中，基片及膜層一直受到高能離子束的轟擊。3）分類離子束（束流）沉積——膜材直接以離子束的形式沉積在基片上離子束輔助沉積——鍍膜過(guò)程中，工作氣體的離子束轟擊基片和膜層,思考題,與_______相比,磁控濺射鍍膜具有”三低一高”的特點(diǎn),是指________________.射頻濺射鍍膜

23、的主要用途是_________.___________靶可以有效解決______濺射鍍膜的靶中毒和_______問(wèn)題.鍍膜機(jī)的工作方式有周期式、_______和________.,中國(guó)觸摸屏網(wǎng)（http://www.51touch.com),56,中國(guó)觸摸屏網(wǎng) —— 無(wú)“觸”不在,您下載的該觸摸屏技術(shù)文檔來(lái)自于中國(guó)觸摸屏網(wǎng)( http://www.51touch.com/ )What you are downloading are

24、 from China Touchscreen Site: ( http://www.51touch.com/ ) 中國(guó)觸摸屏網(wǎng)四大版塊： 觸摸屏論壇： http://bbs.51touch.com/觸摸屏供求商機(jī)： http://b2b.51touch.com/招聘/找工作求職： http://bbs.51touch.com/forum-12-1.html觸摸屏行業(yè)雜志：

25、http://www.51touch.com/emag/1. 觸摸屏論壇：中國(guó)觸摸屏網(wǎng)論壇是觸控面板人討論觸摸屏技術(shù)，解決觸摸屏技術(shù)問(wèn)題，發(fā)布觸摸屏產(chǎn)品供求信息，了解觸摸屏市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，觸摸屏廠商招聘和找工作求職的第一平臺(tái)。 2. 觸摸屏供求商機(jī)：免費(fèi)發(fā)布觸摸屏相關(guān)產(chǎn)品：觸控面板、觸摸屏材料、觸摸屏設(shè)備、觸摸屏一體機(jī)、人機(jī)界面、大屏幕顯示器、廣告機(jī)、金融自助設(shè)備、薄膜開(kāi)關(guān)、電子顯示屏等 3. 招聘/找工作求職