讲稿4

物理涂镀技术（材料08级）山东建筑大学+—第三节溅射镀膜蒸发镀离子枪溅射镀生产上常用该方法第三节溅射镀膜•一、原理•1、溅射现象这种固体表面的原子获得了入射离子能量而脱离固体表面，进入空间的现象称为溅射1离子2入射离子的反射3电子发射4中性原子和分子的放出5正离子放出6负粒子的放出7光子能量8气体放出9气体分解放出10被溅射粒子的返回结晶变化扩散一、原理1、溅射现象两种观点：（1）动能转变为热能——局部高温——蒸发（2）入射粒子的动能传给靶材原子——逸出原子序数溅射离子的原子序数与溅射系数的关系离子能量均为45kVNeArKrXe一、原理1、溅射现象2、溅射系数:每个离子溅射出的原子数---原子/离子气体的选择：较高的溅射系数不与靶材发生化学反应没有污染资源丰富（1）溅射系数与离子种类的关系Ar•一、原理1、溅射现象•2、溅射系数（1）溅射系数与离子种类的关系•（2）溅射系数与溅射粒子能量阈值？？离子注入效应一、原理1、溅射现象2、溅射系数（1）溅射系数与离子种类的关系（2）溅射系数与溅射粒子能量（3）溅射系数与溅射气体的压强气体散射效应引起的。气体散射效应：溅射出的靶材原子与气体分子碰撞返回靶材•不同元素靶材的溅射系数是不同的，其中Cu、Ag、Au、Pd（钯）的最大。一、原理1、溅射现象2、溅射系数（1）溅射系数与离子种类的关系（2）溅射系数与溅射粒子能量（3）溅射系数与溅射气体的压强（4）溅射系数与靶材种类和结构的关系一、原理1、溅射现象2、溅射系数（1）溅射系数与离子种类的关系（2）溅射系数与溅射粒子能量（3）溅射系数与溅射气体的压强（4）溅射系数与靶材种类和结构的关系3、辉光放电（1）辉光放电现象1．阿斯顿暗区（电子速度低）2．阴极辉区（电子速度高、激发）3．阴极（克鲁克斯）暗区（电子速度更高、电离）4．负辉区（电子速度低、激发、电子与离子复合）5．法拉第暗区（电场弱，电子速度低、不激发）6．正柱区（等离子区，正负离子数量相等）7．阳极暗区（正离子被阳极排斥，浓度降低，无光）8．阳极辉区（电子被阳极加速，速度高、激发）阴极位降区•辉光放电可产生Ar气正离子Ar+，有了Ar+就有了入射离子（轰击靶材的炮弹），从而可产生溅射。所以，生产上采用辉光放电进行溅射镀膜。•阴极位降区非常重要，是理解溅射镀膜原理的关键点。+—蒸发镀离子枪溅射镀生产上常用该方法一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电（1）辉光放电现象（2）辉光放电安伏特性汤姆逊放电（残余电子和带电粒子）自持放电负电阻区正常辉光放电区（辉光逐渐覆盖阴极表面电流逐渐加大）异常辉光放电区（电流大）弧光放电区（电流大，电弧焊）A、阴极溅射工作区辉光放电可产生Ar气正离子Ar+，有了Ar+就有了入射离子（轰击靶材的炮弹），从而可产生溅射。希望炮弹（入射离子）越多越好、炮弹（入射离子的能量）的轰击力越大越好一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电（1）辉光放电现象（2）辉光放电安伏特性（3）辉光放电与阴极溅射电流大就可电离的气体分子多，入射正离子（炮弹）就多、电压高，入射正离子在负极的吸引下的加速的就快，入射离子（炮弹）的能量就大。溅射区域一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电（1）辉光放电现象（2）辉光放电安伏特性（3）辉光放电与阴极溅射A阴极溅射工作区B靶座保护在靶座的外面加一层阳极罩，使其与带负电的靶座之间小于阴极位降区，就不会产生辉光放电，也就不会产生溅射。从而将靶座保护起来。安放靶材的底座被离子轰击产生溅射怎么办？一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电（1）辉光放电现象（2）辉光放电安伏特性（3）辉光放电与阴极溅射A阴极溅射工作区B靶座保护有时改变参数靶座保护会失灵：增大阴阳极间的电压增大Ar气压然而：减小阴阳极间的电压减小Ar气压工作辉光熄灭？溅射停止抽真空10-3Pa—，通Ar气1-10Pa，通电1-5kV，辉光放电，Ar气被电离，Ar+被靶材（负极）吸引，轰击靶材，靶材原子被溅射出来，飞向工件，在件表面沉积成膜。一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电（1）辉光放电现象（2）辉光放电安伏特性（3）辉光放电与阴极溅射A阴极溅射工作区B靶座保护4、直流二极溅射镀膜原理当靶的结构确定之后，k—结构因数就确定了。当气体（Ar)和靶材确定下来之后，S—溅射系数就定了，可调整的参数为电压、电流和气体压强，都是有限的，所以，通过调整这三个参数，最多能使R提高2-3倍。平方厘米每秒）原子/SJ(Rk式中k—结构因数，S—溅射系数，J—入射离子流密度一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源（1）溅射速率：溅射区域•不是有效的办法！•什么是有效的办法？随着入射粒子的能量的增加，高能量的溅射原子数量增多，但溅射原子的能量增加不多，约为10eV。相比之下，蒸发镀中的蒸汽原子为0.1eV。一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源（1）溅射速率（2）溅射原子的能量约10eV一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源（1）溅射速率（2）溅射原子的能量（3）合金膜沉积1直接用合金靶溅射2几种纯材料拼成复合靶3多靶221121SASANN•蒸发镀的真空度为10-3Pa，λ=10L•溅射镀的真空度为1-10Pa,λ=0.1-1L•所以，大多数溅射原子从溅射源（靶材）到工件的路上要发生碰撞，不能直接到达工件。一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源（1）溅射速率（2）溅射原子的能量（3）合金膜沉积2）溅射原子的迁移•好？还是坏？•尽管也损失能量（影响不大），但主要是好！•因为产生了散射效应——绕镀性好•同蒸发镀：吸附—核—岛—网—膜一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源(气化）（1）溅射速率（2）溅射原子的能量（3）合金膜沉积2）溅射原子的迁移3）成膜过程•不同点：沉积时溅射原子能量大——件表温度高，膜致密，附着力强。•(1)提高沉积速率措施•—提高溅射速率、增大靶表面积和减小靶件距•(2)膜厚分布•—增大靶表面积、减小靶件距和增大压强可使膜厚均匀•（3）膜层组织结构和性能一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源(气化）2）溅射原子的迁移3）成膜过程一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源(气化）2）溅射原子的迁移3）成膜过程5、三极四极溅射镀膜原理（略）靶材要想被溅射，必须接负电，才能吸引Ar+来轰击----意味着靶材必须是导电的物质，如果非金属膜，怎么办？6、射频溅射镀膜原理（溅射镀非金属膜）射频溅射原理：抽真空—通氩气---同射频交流电（13.56mHz)---氩气被电离---Ar+笨重跟不上电场的变化在原地振动，而电子跟得上电场的变化----由于非金属靶材面积小，电容耦合后电子密度大----于是在靶材形成负电位----吸引Ar+来轰击---所以产生溅射进行镀膜。一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理5、三极四极溅射镀膜原理（略）6、射频溅射镀膜原理（溅射镀非金属膜）7、磁控溅射镀膜的基本原理当靶的结构确定之后，k—结构因数就确定了。当气体（Ar)和靶材确定下来之后，S—溅射系数就定了，可调整的参数为电压、电流和气体压强，都是有限的，所以，通过调整这三个参数，最多能使R提高2-3倍。平方厘米每秒）原子/SJ(Rk式中k—结构因数，S—溅射系数，J—入射离子流密度一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源（1）溅射速率：溅射区域•不是有效的办法！•谁是有效的办法？溅射区域7、磁控溅射镀膜的基本原理平方厘米每秒）原子/SJ(Rkk—结构因数，S—溅射系数，J—入射离子流密度1）基本原理：要想提高J—入射离子流密度，就必须提高Ar的电离率---就必须提高电子与Ar的碰撞率。因为由辉光放电的安伏特性曲线可知,电流（电子的多少）基本不变，只有靠增加电子的飞行距离来提高碰撞率。只有靠增加电子的飞行距离来提高碰撞率：在电场的垂直方向加一个磁场，使电子发生偏转，就不能走直线，于是就使电子飞行距离大为增加，提高了碰撞率。R=kSJ(原子/每平方厘米每秒）比直流二极提高了10-40倍。2）磁控溅射的溅射速率R大（10-40倍）3）磁控溅射的基片温升小4）磁控溅射镀膜的改进类型（略）•第三节溅射镀膜小结：•一、原理1、溅射现象•2、溅射系数(四个方面：离子种类、粒子能量、气体压强、靶材种类）•3、辉光放电（阴极位降区：当阴阳极间距小于阴极位降区，辉光灭，保护靶座）4、直流二极溅射镀膜原理•1）溅射源（1）溅射速率（2）溅射原子的能量（膜附着力好）（3）合金膜沉积•2）溅射原子的迁移（绕镀性好）•3）成膜过程(核岛网膜）•5、三极四极溅射镀膜原理（略）•6、射频溅射镀膜原理（溅射镀非金属膜）•7、磁控溅射镀膜的基本原理（控制电子飞行，离化率高，溅射速率高）•第三节溅射镀膜•一、原理二、溅射镀膜设备•总体结构同蒸发镀设备：•设备分类：•1、单室间歇式：实验或小规模生产，效率低•2、多室式：步进连续生产，大规模生产，效率高•3、卷绕式：柔性基体镀膜，效率很高二、溅射镀膜设备具体结构：（相同点）•抽真空系统及其检测、•壳体（不锈钢、碳钢）、•加热、•离子轰击、•挡板、•工件支架等二、溅射镀膜设备溅射镀-----靶（磁控）及其电源具体结构：（不同点）蒸发镀-----蒸发源及其加热电源1、溅射靶的结构1)直流和射频溅射靶二、溅射镀膜设备两种靶结构基本相同，只是绝缘材料不同（高高频阻抗），有的设备屏蔽罩（靶座保护罩）通冷却水1、溅射靶的结构1）直流和射频溅射靶2）平面磁控靶二、溅射镀膜设备圆形平面磁控靶矩形平面磁控靶•磁铁安排方式二、溅射镀膜设备•平面靶的具体结构二、溅射镀膜设备靶座带负电—靶座保护罩带正电+是否应绝缘？水直接冷却靶---直冷式效果好但靶材更换不便二、溅射镀膜设备•平面靶的磁场分布刻蚀的原因？二、溅射镀膜设备•平面靶靶材的刻蚀电子受控于磁场，在刻蚀处聚集，于是负电位增大，吸引Ar+最多，当然溅射的就严重了。刻蚀环沟二、溅射镀膜设备刻蚀环沟特点是：靶表面积大，沉积速率高，靶材利用率高。有刻蚀环沟存在，如何消除？二、溅射镀膜设备1、溅射靶的结构1）直流和射频溅射靶2）平面磁控溅射靶3）同轴圆柱形磁控溅射靶电场方向磁场方向让磁轴芯沿轴线定期移动。二、溅射镀膜设备1、溅射靶的结构1）直流和射频溅射靶2）平面磁控溅射靶3）同轴圆柱形磁控溅射靶4）S枪磁控溅射靶（略）思考题•1、阴极位降区怎样产生的？有什么特性？位降区尺寸受哪些因素影响？•2、溅射靶座保护的原理是什么？•3、何谓溅射速率？哪些因素分别怎样影响溅射系数？•4、如何溅射沉积合金膜？•5、磁控靶为什么能明显地提高溅射速率？•6、磁控靶靶材表面为什么形成刻蚀环？Thanksforyourattention!