讲稿5

物理涂镀技术（材料10级）山东建筑大学一、原理1、溅射现象2、溅射系数3、辉光放电1)阴极溅射工作区2)靶座保护4、直流二极溅射镀膜原理1）溅射源(气化）(1)(2)溅射原子10eV，蒸发原子0.1eV。(3)合金膜沉积（合金靶、复合靶、多靶）2）溅射原子的迁移蒸发镀的真空度为10-3Pa，λ=10L溅射镀的真空度为1-10Pa,λ=0.1-1L-------------绕镀性好-----------------3）成膜过程（吸附—核—岛—网—膜）溅射区域平方厘米每秒）原子/SJ(Rk一、原理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？旋转圆柱磁控溅射靶•申请号/专利号：200710022233•本发明提供一种旋转圆柱磁控溅射靶，包括极靴、永磁体、中空圆柱靶材和芯轴，永磁体沿圆柱靶材的轴向嵌于极靴内，永磁体为长永久磁条和短永久磁条，极靴上设有用于安装长永久磁条和短永久磁条的定位槽，长永久磁条和短永久磁条分别安装在对应的定位槽内；长永久磁条和短永久磁条沿极靴圆周方向交替分布，从而组成多路条形磁体，长短永久磁条的极性相反，极化方向垂直于溅射阴极中心轴线，极靴两端的磁环与长短永久磁条构成闭合跑道形磁力线。本发明实现放电等离子体的低气压化、高密度化和均匀化，保证辉光放电时形成一个闭合的电子跑道，使得溅射稳定进行，膜层表面质量好、膜层致密；靶材消耗均匀，靶材利用率较高。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）2、部分国产设备（自学）二、溅射镀膜设备1、溅射靶的结构2、部分国产设备三、溅射镀膜工艺及应用1、溅射镀膜工艺二、溅射镀膜设备1、溅射靶的结构2、部分国产设备三、溅射镀膜工艺及应用1、溅射镀膜工艺2、溅射镀膜的应用通氮气或氨气反应得到，硬度可达2000HV，可使刀具的寿命提高数倍本次课小结•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）2、部分国产设备•三、溅射镀膜工艺及应用1、溅射镀膜工艺2、溅射镀膜的应用主要内容中频溅射简介（频率范围处于10~80KHz）在直流反应磁控溅射的过程中，对金属靶而言，随着注入溅射室中的反应气体流量FR的增加，溅射速率会发生突然的跌落。发生这种突变的原因是：a由于FR的不断增加，靶面上形成了一层化合物，此时相应的溅射产额远小于纯金属靶时的溅射产额；b化合物的二次电子发射系数一般高于金属，因此入射离子的能量很大一部分消耗于激发化合物层的二次电子发射，并使这些二次电子加速，相应地入射离子用于轰击靶的能量减小，溅射产额因此大幅度降低，出现此现象称为靶中毒。由于靶面形成化合物层造成靶面的电荷积累，巨大的放电电流集中在靶面上很小的区域(1～50μm的范围)，导致放电称为打火现象。为了得到较高的溅射产额，解决靶中毒和打火问题，采用中频替代直流电源，孪生对靶替代单靶。当靶上所加的电压处于负半周时，靶面被正离子轰击溅射；而在正半周时，等离子体中的电子被加速到达靶面，中和了靶面上绝缘层上累积的正电荷，从而抑制了打火。而且由于消除了普通直流反应磁控溅射中的“阳极消失”现象而使溅射过程得以稳定地进行。第四节离子镀国内外发展现状11963年，美，Mattox研制成功直流二极离子镀试验装置。我国在上世纪80年代才逐渐推广开来，到目前应用广泛。1970年后出现了磁控溅射技术，1975年前后商品化的磁控溅射设备供应于世，大大地扩展了溅射技术应用的领域。到了80年代，溅射技术才从实验室应用技术真正地进入工业化大量生产的应用领域。离子镀的种类2直流二极离子镀活性反应离子镀空心阴极离子镀热阴极离子镀电弧离子镀磁控溅射离子镀本节内容工艺离子镀原理设备一、离子镀原理1、直流二极离子镀是从蒸发镀的基础上发展起来的蒸发源电源辉光放电区工件。。。。。。。。。1)原理：抽真空至高真空，通入Ar气至1Pa左右，接通电源V1，产生辉光放电，再接通电源V2，使蒸发材料蒸发，蒸气原子穿过等离子辉光放电区，一部分被电离，另一部分被碰撞成高能中性粒子，这些正离子和高能中性粒子高速飞向工件表面成膜。1、直流二极离子镀蒸发源电源辉光放电区工件。。。。。。。。。1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染A、成膜前件表遭离子轰击得到清洗B、成膜时，由于沉积粒子（离子或原子）能量高(45-500eV)产生离子注入和伪扩散效应，在膜-基间形成扩散层。1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染A、镀膜离子沿电力线沉积于工件侧面和背面（不是主要原因，因为离化率仅为2%。B、沉积成膜时，在5Pa左右，气体粒子自由程短，镀膜离子或原子碰来碰去，产生了散射。1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密细小（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染A、镀膜粒子能量高，在基体表面迁移能力强，成核率高，晶粒细小。B、沉积成膜时，镀膜粒子能量高，轰击掉结合不牢的原子和吸附的气体杂质，在轰击下，晶粒难以长大。1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密细小（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染A、通入反应气体，可得到化合物膜。B、利用活性反应离子镀，可在非导电基体上镀膜。1、直流二极离子镀1）原理2）特点（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密细小（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染离子镀技术不使用有毒气体，也不产生有毒气体和废物，是无公害的工艺技术。思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？平面靶--------圆形平面靶矩形平面靶孪生平面靶圆柱靶思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？刻蚀的原因？•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。刻蚀环沟思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？抽真空至高真空，通入Ar气至1Pa左右，接通电源V1，产生辉光放电，再接通电源V2，使蒸发材料蒸发，蒸气原子穿过等离子辉光放电区，一部分被电离，另一部分被碰撞成高能中性粒子，这些正离子和高能中性粒子高速飞向工件表面成膜。直流二极离子镀原理蒸发源电源辉光放电区工件。。。。。。。。。思考题•1、射频溅射的原理是什么？•2、磁控溅射的原理是什么？•3、磁控靶有哪些形式？•4、刻蚀沟是怎样产生的？怎消除或减弱？•5、二极离子镀的原理是什么？•6、离子镀有什么特点？（1）膜附着性能好（2）绕镀性好（3）镀层组织均匀致密（4）镀膜材料和基体材料广泛（5）无污染7、请画