溅射镀膜原理及其应用

磁控溅射镀膜及其应用溅射原理溅射原理1.先让惰性气体（通常为Ar气）产生辉光放电现象产生带电的离子；2.带电离子经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电子，再撞击气体原子从而形成更多的带电离子；3.靶材原子携带着足夠的动能到达被镀物(基材)的表面进行沉积。溅射原理溅射沉积示意图溅射原理示意图溅射原理直流辉光放电的电压电流密度关系图溅射示意图溅射原理”巴邢曲线击穿电压UB：形成“异常辉光放电”的关键是击穿电压UB。UB主要取决于二次电子的平均自由程和阴阳极之间的距离。为了引起最初的“雪崩”，每个二次电子必须产生出约10～20个离子。若气压太低或者极间距离太小，二次电子撞到阳极之前，无法达到所需的电离碰撞次数。若气压太高或极间距离太大，气体中形成离子将因非弹性碰撞而减速，以至于当轰击阴极时，已无足够的能量产生二次电子。巴邢曲线溅射原理辉光电位分布示意图溅射原理磁控溅射原理”原理:为了提高离化率,增加溅射沉积的速率,在靶背面增加磁场是个有效的方法----电场与磁场的交互作用,使得二次电子在靶面做螺旋式运动,大大延长了二次电子的运动行程，从而大大增加了它同气体分子碰撞的机会，从而大大地提高了离化率，增加了溅射速率。二次电子在正交电磁场的运动二次电子在靶面的运动示意图磁控溅射原理磁控溅射具有以下两大优点：提高等离子密度，从而提高溅射速度；减少轰击零件的电子数目，因而降低了基材因电子轰击的温升。因此，该技术在薄膜技术中占有主导地位。磁控溅射阴极的最大缺点是：使用平面靶材是，靶材在跑道区形成溅射沟道，这沟道一旦贯穿靶材，则整块靶材即报废，因而靶材的利用率只有20-30%。不过，目前为了避免这个缺点，很多靶材采用圆柱靶材形式，靶材利用率得以大幅度提高。矩形平面靶安装结构示意图磁控溅射原理平衡磁场磁控溅射非平衡磁场磁控溅射磁控溅射原理孪生靶磁场分布示意图磁控溅射原理封闭非平衡磁场示意图溅射靶材”溅射靶材按形状分类：矩形平面靶才、圆形平面靶才、圆柱靶材；溅射靶材按成分分类：单质金属靶材、合金靶材、陶瓷靶材；溅射靶材溅射靶材溅射靶材”平面靶材利用率比较低，只有30%左右，沿着环形跑道刻蚀。靶材冷却与靶背板”靶功率密度与靶材冷却靶功率越大，溅射速率越大；靶允许的功率与靶材的性质及冷却有关；靶材采用直接水冷，允许的靶功率高。”靶背板使用场合：ITO、SiO2、陶瓷等脆性靶材及烧结靶材Sn、In等软金属靶；靶材太薄、靶材太贵。材质要求：导热性好—常用无氧铜，无氧铜的导热性比紫铜好；强度足够—太薄，容易变形，不易真空密封。结构：空心或者实心结构—磁钢不泡或泡在冷水中；厚度适当—太厚，消耗部分磁强；太薄，容易变形。靶材与背板的连接”靶材与背板的连接:压接：采用压条，一般为了提高接触的良好性，会增加石墨纸、Pb或者In皮;钎焊：一般使用软钎料的情况下，要求溅射功率小于20w/cm2;钎料常用In,In-Sn,Sn;导电胶：采用导电胶，导电胶需要耐高温，一般厚度0.02~0.05um”连接的要求：导热性好—允许的溅射功率提高，从而溅射速率提高；导电性好；机械性能—连接牢固；化学稳定性好—靶处于负高压，在水中容易产生电解反应，从而使得靶或背板受到腐蚀。磁控靶常用的永磁材料”铁氧体常用的铁氧体BaO.6Fe2O3和锶铁氧体SrO.6Fe2O3,一般以Fe2O3、BaCO3或SrCO3粉料经混合、预烧、压制成型和高温烧结而成。合理磁体形状为扁平状，短轴为磁化方向。铁氧体的特点：高矫顽力HC（KA/m），低剩磁Br(T),镀膜常用Y30（Br0.38~0.42T,HC160~216KA/m)使用温度范围：-40～85℃”钕铁硼合金（稀土永磁材料）典型成分：Nd2Fe14B制备：烧结或者粘结，常用烧结的Br1.18~1.48T,HC800~2400KA/m使用温度：可达240℃，一般不超过150℃；为避免在大气中氧化，表面常镀镍。靶材制备工艺”制备工艺”真空熔炼铸造—成型（锻、轧、拉伸）”靶材杂质含量低、密度高，能做大型靶，对对于熔点和密度相差较大的两种（或以上）的金属，难以获得成分均匀的合金靶材；”粉末冶金”热压、热等静压、真空热压，用于制备高熔点或化合物靶材，靶材成分均匀，但杂质含量高，密度不易做高。”热喷涂靶材质量对镀膜的影响”纯度取决于薄膜特性的要求合金与化合物靶要求成分均匀化致密度1.溅射成膜过程中，靶材内部孔隙存在的气体突然释放造成微粒飞溅，使膜不致密，表面粗糙，缺陷增加；”2.密度较低的靶材易脆裂；”3.晶粒尺寸：靶材通常为多晶结构，晶粒大小：um~mm量级；晶粒小的溅射速率大；晶粒尺寸相差不大的，沉积膜的均匀性较好；”4.结晶结构”5.使用过程中靶材状况的变化随着靶材使用时间的延长，除出现“跑道”外，还会出现：表面晶粒变粗，靶面出现“瘤”的多少与大小取决于靶材的原始质量和溅射工艺参数。离子源离子源磁控溅射常见技术”直流磁控溅射直流磁控溅射是在直流二极溅射的基础上，在靶材后面安放磁钢。可以用来溅射沉积导电膜，而且沉积速度快；但靶材若为绝缘体的话，将会迅速造成靶材表面电荷积累，从而导致溅射无法进行。所以对于纯金属靶材的溅射，均采用直流磁控溅射，如溅射SUS、Ag、Cr、Cu等。磁控溅射常见技术”中频磁控溅射常用来进行反应溅射，如金属氧化物、氮化物及碳化物等，将少许反应性气体N2,O2,C2H2等同惰性气体Ar2一起输入到真空腔中，使反应气体与靶材原子一起于基材上沉积。对于一些不易找到块材料制成靶材的镀膜或陶瓷靶材在溅镀后，薄膜成分易偏离原靶材成分，也可通过反应沉积来获得改善。美国著名公司AE（AdvancedEnergy)开发出中频孪生靶溅射电源，现在，这项技术被广泛应用于市场。例如：将反应气体N2加入到Ar2中溅射Cr，便可获得CrN镀层。反应溅射原理如右图所示。磁控溅射常见技术”射频磁控溅射用来进行介质膜的溅射，如在玻璃上镀ITO膜之前需镀上一层SiO2扩散隔离层,该SiO2膜就是采用射频溅射。通常在溅镀过程中辉光放电中的离子撞击到阴极时，会与阴极的电子中和，使得溅射现象可以继续进行。但若靶材本身不导电的话，离子撞击到靶材上没有电子中和，正电荷一直累积，便与后来的离子排斥，这会造成取代直流电源，便可解决此离子撞击现象的停顿。高周波电源问题。磁控溅射常见技术”偏压溅射磁控在基片上加100－300V的负电压，使得Ar2＋轰击靶材的同时也轰击基片的膜层，使用偏压具有以下作用：1.改善附着力：1）将沉积过程中附着力不好的晶粒打掉；2）促进膜层与基片的扩散，增加扩散层的厚度。2.提高耐磨性能：偏压的使用使得膜层更致密。3.改善膜层结构：偏压使得膜层由柱状晶变为更好的球状晶粒。但偏压也有缺点：1.偏压的使用会降低沉积速率。2.过大的偏压使用会增加膜层的内应力。磁控溅射常见问题”阳极消失”“打火””“靶中毒””内应力”靶材成分偏离”砂孔溅射镀膜的步骤”溅射镀膜一般有以下几步：1.放置膜料及装入产品2.抽真空：包括粗抽和精抽，一般真空度达到6.0-3以上；3.辉光清洗：通入惰性气体（一般为Ar),真空度1Pa左右，打开辉光清洗电源，清洗偏压及时间由素材表面状况及附着力要求决定。4.镀膜5.破真空，取产品：镀膜完成后，（待工艺要求，有时候会充入氩气冷却）对真空室充入大气，待达到大气压，打开真空室门取出产品。磁控溅射工业应用”磁控溅射在PVD行业是应用及研究最广泛的，在装饰、工模具镀膜、太阳能、幕墙玻璃、半导体、显示屏等许多行业都有广泛的应用。在此对以上某几个方面的应用做简单介绍。1.装饰镀1.1装饰镀材料（基材）金属：SUS、钢基合金、锌基合金等；玻璃、陶瓷；塑料：ABS、PVC、PC、尼龙等；柔性材料：布，泡沫塑料、钢带等。1.2装饰膜种类金属基材装饰镀膜层：TiN、ZrN、TiC、CrNx、TiCN、CrCN、TiOx等玻璃、陶瓷装饰镀膜层：Au、Cr、TiN、ZrN等塑料基材装饰镀膜层：Al、Cu、SUS、ITO、TiO2等柔性材料装饰镀膜层：Al、ITO、TiO2等磁控溅射工业应用1.3部分金属基材装饰膜颜色金属基材装饰膜的种类及色调很多，下表列举了部分金属基材装饰膜的种类及颜色。膜层种类色调TiNx浅黄、金黄、棕黄、黑色TiC浅灰色、深灰色、黑色TiCxNy赤金黄色、玫瑰金色、棕色、紫色TiN+Au金色ZrN金黄色ZrCxNy金色、银色TiO2紫青蓝、绿、黄、橙红色CrNx银白色TixAlNx金黄色、棕色、黑色TiZrAlNx金黄色磁控溅射工业应用各种颜色在色度学中可以用色空间值L、a、b值来表示。L－－明亮度：L越大，表示较白，L越小，表示较黑；a－－红与绿：a越大，表示较红，a越小，表示较绿；b－－黄与蓝：b越大，表示较黄，b越小，表示较蓝。例如，TiN仿金色的L,a,b值在65～70、1.5~3、25~30之间。TiC黑膜的L,a,b值在30～40、-1.0~2.0、-1.0~2.0之间。磁控溅射工业应用”1.磁控溅射离子镀技术为黄铜电镀亮铬的卫生洁具镀制ZrN膜介绍采用基材为锆的非平衡磁控溅射靶和中频电源，以及脉冲偏压电源。1.1抽真空本底真空为6.0x10-3~5.0x10-3,加热温度为150度左右。1.2轰击清洗真空度：通入氩气真空度保持在2～3Pa。轰击偏压：800～1200V，脉冲占空比20～75％。轰击时间：10～15min。1.3镀膜1)沉积锆底层真空度：通入氩气，真空度保持在5.0x10-1Pa。靶电压：400～550V，靶功率15～30W/CM2。脉冲偏压：300～400V，占空比20％。镀膜时间：5～10min。磁控溅射工业应用2)镀ZrN膜真空度：通入氮气，真空度保持在（3～5）x10-1Pa。靶电压：400～550V，靶功率20～30W/CM2。脉冲偏压：150～200V，占空比80％。镀膜时间：20～30min。由于磁控溅射技术中金属离化率较低，不容易进行反应沉积，获得化合物膜层的工艺范围较窄。可采用气体离子源将反应气体离化，扩大反应沉积的工艺范围。也可以采用柱状弧源产生的等离子体作为离化源，柱状弧源还是辅助镀膜源。1.4冷却镀膜结束后，首先关闭靶电源、偏压电源，然后关闭气源、停转架。工件在镀膜室中冷却到100度以下，向镀膜室充入大气，取出工件。磁控溅射工业应用”2.工模具镀膜本节简单介绍高速钢刀具增寿膜PVD镀膜工艺。基材为高速钢刀具采用直流磁控溅射和中频磁控溅射的多个平面非平衡磁控溅射靶。2.1真空度本底真空度为(5.0~6.0)x10-3Pa，加热温度为200～300度。2.2辉光及Ti离子轰击清洗镀膜室充入氩气，真空度保持在2Pa，偏压800V，占空比30％。直流溅射钛靶电流20A，电压400～480V，轰击时间为20～30min。2.3镀钛底层偏压：250～300V，占空比：30％。通氩气，真空度为5x10-1Pa。直流溅射钛靶：电压400～480V，电流20A；时间：30min。磁控溅射工业应用2.4沉积TiAlN通入氮气，真空室镀膜真空度为5x10-1Pa。偏压：150～250V，占空比80％。两台中频溅射钛铝靶电源：电压450V，电流20A。镀制时间：240～350min,膜层厚度3～4min。2.5冷却镀膜结束后，首先关闭靶电源、偏压电源，然后关闭气源、停转架。工件在镀膜室中冷却到100度以下，向镀膜室充入大气，取出工件。磁控溅射工业应用”3.太阳能光－热转换能效薄膜的镀制工艺采用磁控溅射技术在玻璃管上镀制AlN-Al膜的镀制工艺。3.1安装玻璃管。玻璃管经清洗、烘干后，及时安装在工件转架上。3.2抽真空本底真空度为(5.0~6.0)x10-3Pa。3.3镀膜镀铝膜真空度：通入氮气，真空室镀膜真空度为5x10-1Pa。镀AlN膜：采用中频磁控进行反应溅射获得AlN膜。用计算机控制氩气和氮气的流量，可以获得多层的AlN-Al膜，一般镀15层，有优异的太阳能光谱选择吸收特性。磁控溅射工业应用”4.手机视屏减反射膜的镀制工艺介绍在保护屏表面采用磁控溅射方法分别镀上高折射率的T