镀膜知识25

►1、气体放电►2、辉光放电►3、气体电离►4、磁控溅射►5、沉积技术目录•气体放电•干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。1、气体放电•由中性原子、分子组成的气体，一般情况下是不导电的。由于自然界存在的各种辐射（宇宙射线、紫外线、放射性元素产生的γ射线等）使气体电离，出现了微量原始电荷（原始载流子）。在近地面的大气中其浓度约为1000离子偶/cm3。于是在直流高压电场下，低压（稀薄）气体中的电子被加速向阳极运动，并碰撞气体原子、分子，使之不断被电离产生新电子、离子——自激（或次级）载流子。上述过程中产生的正离子在电场加速下轰击阴极，造成二次电子发射并维持放电过程，于是，气体就具备了导电性能。随着放电电流的加大，放电逐渐增强，从汤森放电过渡为辉光放电、弧光放电。这后两种放电就是所谓“自持”放电，即在没有外电离源情况下也能维持的放电。•2.1正常辉光放电•正常辉光放电是一种稳定的自持放电，对应着伏安特性曲线的EF段。正常辉光放电时，从阴极到阳极辉光的光强度分布是不均匀的。从阴极至阳极的整个放电空间可分为八个区，依次为：阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区。•阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区这三个区域之和称为阴极位降区，其区域宽度之和称为阴极位降区长度dk，dk若再加上负辉区宽度，则称为阴极放电长度。阴极位降区是维持辉光放电不可缺少的条件。辉光放电时阴阳两极之间各区的电压降并不均匀，阴极位降区电压陡降，其它区电压降比较平稳。2、辉光放电•2.2异常辉光放电•离子渗氮时应把工作状态调节在伏安特性曲线的异常辉光放电区，即图中的FG段，这时放电电流密度随电流成比例增大，电场更加畸变，此时阴极位降和阴极位降区既和气压有关，还于电流密度有关，阴极全部布满辉光。与正常辉光放电相比，异常辉光放电具有更大的电流、电压，也提供了工件升温和进行气相反应、阴极溅射等所必需的能量条件。•辉光的颜色因气体种类不同而异，氢呈淡蓝色，氮呈紫红色，氨呈紫蓝色。•气体电离•气体受到电场或热能的作用，就会使中性气体原子中的电子获得足够的能量，以克服原子核对它的引力而成为自自电子，同时中性的原子由于失去了带负电荷的电子而变成带正电荷的正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程叫做气体电离3、气体电离•磁控溅射是在二极溅射基础上发展起来的溅射技术。与二极溅射是靶材接电源负极，工件接电源正极。•镀膜线采用孪生靶，互为阴阳极。•前提：将真空室抽到10-3pa本底真空度后，充工作气体Ar至3～7×10-1pa真空度。•介绍：磁控溅射靶材下面放置的磁钢使磁场强度水平分量与靶阴极电场垂直，即电磁场正交。磁控溅射靶面的电子在正交电磁场洛伦兹力的作用下，在靶面附近作旋转线运动，电子运动轨迹增长，碰撞几率增加，Ar气离化率增加，电流密度提高530mA/cm2,溅射速率提高，沉积速率提高达600nm/min。它克服了阴极溅射速率低和由于电子轰击使工件温度升高的致命弱点。4、磁控溅射•原理：•接通电源后，靶表面产生辉光放电，Ar被电离，Ar+在电场内受到电场的作用，加速飞向阴极，撞击阴极——靶，将靶材成分的原子或原子团撞击下来，这些原子或原子团就向外溅落，铝原子与氮气发生反应生成氮化铝，落到内管外壁上形成膜层材料成分（铜原子或不锈钢原子不与氮气反应，以原子或原子团形式落到内管外壁上，形成膜层材料成分），同时氩离子自身被阴极中和，又形成Ar分子，通过调整Ar的密度——工作压强以及电流强度，可以调整Ar电离出氩离子密度，从而调整膜层材料溅射的快慢和配比，即调整膜层材料的透射比。圆柱靶溅射辉光放电图•要点：•1、真空度本底≤3～8×10-3pa左右•Ar气压力≤3～7×10-1pa左右•2、水平磁场强度0.03～0.06T（300～600GS）•3、靶材为孪生靶，互为阴阳极•4、靶电压为300～600V（一般情况）•5、通电后Ar气电离•6、Ar+离子在阴极电场作用下，轰击阴极靶面，使靶材表面溅射，具有足够能量的靶材原子沉积到工件上，形成细小的核心，长成非常细密的膜层。•5.1溅射产额及其影响因素•溅射产额：单位离子入射到表面后产生的原子数，单位：原子数/离子，也叫溅射率或溅射系数。决定阴极被剥离的速度，并在很大程度上决定薄膜的沉积速率。溅射产额与入射离的能量、质量、种类、入射角度及被溅材料的种类有关。•5.2影响溅射粒子能量的因素•1、入射离子的能量对溅射粒子的影响：增大入射离子的能量会使溅射粒子的能量相应增加。在低压强状态下，增加溅射功率是提高入射离子能量的有效途径。如果压强太高，溅射原子在离开靶表面向基体运动的过程中就会与室内的气体分子发生碰撞，降低溅射原子的能量；5、沉积技术•2、入射离子质量对溅射粒子的影响：质量大的正离子产生的溅射原子具有大的平均能量；•3、正离子入射角对溅射粒子能量的影响:入射角改为60°轰击把表面，溅射粒子能量就会提高。•5.3溅射沉积速率•沉积速率与诸多因素有关可定性的表示为•q=CSI•q为沉积速率，C为常数，S为溅射产额，I为放电电流。凡是影响溅射产额的因素都对沉积速率有影响，溅射产额是个必要条件，诸多因素中，最主要的有几个：•1、外加功率对沉积速率的影响：阴阳极的距离确定、放电处于反常辉光放电区（电压升高电流加大）条件下，沉积速率与加在阴极上的功率成正比；•2、沉积速率与放电电流的关系：提高放电电流的最有效途径是适当提高溅射气体压强；•3、基体与阴极靶之间的相对位置：在不影响阴极暗区的前提下，阴阳极间的距离越近，沉积速率越大。（但厚薄均匀性下降，--指靶及基体固定不变时）•4、气体压强对沉积速率的影响：沉积速率与气体压强不是线性关系，低气体压强时，正离子少，溅射产额低，沉积速率低；随气体压强升高，正离子增多，溅射产额提高，沉积速率上升；在某一个气体压强时达到最大值；继续提高气体压强，沉积速率开始下降。