ITO真空溅射镀膜专题培训课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ITO真空溅射镀膜,教学重点：溅射镀膜原理；磁控溅射靶；靶的磁场分布计算；典型镀膜机,4.1,溅射技术,Sputtering Technique,1,）定义：,溅射用荷能粒子（气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象及过程。,被轰击物体处于负电位，故称为“阴极溅射”。,溅射镀膜中，被轰击物体称为“靶”。,2),理论,蒸发论动能论，温度论；,溅射论动量论；,混合论。,3,）参数,溅射率,=,溅射出的靶材原子数,/,入射正离子数,影响因素：,靶材成分原子序数大，大；,入射正离子种类惰性气体大，常用氩气,Ar,；,正离子入射角度,7080,时有最大值；,P92 Fig 4-4,靶材温度低温时不变，高温时剧增；,P92 Fig 4-5,4,）特点：,可控性好，重复性好；,膜的附着强度高：溅射粒子能量高几,十几,eV,，对比,蒸发粒子,0.,几,eV,；,可形成伪扩散层；,等离子体的清洗和激活基体表面作用；,附着不牢的粒子被清除掉。,膜材成分广泛：靶材种类块体、颗粒、粉体；单质、化合物、混合物；,膜材成分单质膜、化合物膜、混合物膜、多层膜、反应膜；,组分基本不变，偏析小，不受熔点限制；,成膜速率比蒸发镀膜低，基片温升高，受杂质气体影响严重。,5,）方式：,（普通）直流溅射二级溅射、,三级或四级溅射,（直流）磁控溅射,高频溅射射频溅射,反应溅射,要点：弹粒子入射成分,惰性气体,Ar,+,来源,气体放电,要求,处于溅射能量阈,低压气体环境（输运过程的要求）,4.2,直流溅射镀膜,D.C.Sputtering Technique,1,）二极溅射,原理：异常辉光放电产生正离子,结构：,镀膜室,基片架及基片,溅射靶,加热装置（促进发射电子）,充气系统工作气体,Ar,气，反应气体,抽气系统本底真空,10,-3,Pa,，,工作真空,110Pa,电气系统放电电源,缺点：,参数不能单独控制，,靶材必须为良导体，且易于发射电子,沉积速率低,基片温升高（电子轰击）,2,）三极（四极）溅射,结构,阴极、阳极间形成放电，产生等离子体，,其中的正离子轰击低电位的靶（第三极），,将其溅射沉积在对面的基片上（无电位）。,加稳定性电极（第四极）,改进：放电不依赖阴极的二次电子发射，,正离子、溅射速率由热阴极的发射电流来控制,可控性和重复性好,4.3,（直流）磁控溅射镀膜,Magnetron Sputtering Technique,利用磁场控制电子的运动,1）,磁控原理：电子在静止电磁场中的运动,电子速度：,V,/,平行于,B,的速度分量，产生漂移运动；,V,垂直于,B,的速度分量，产生回旋运动；合成螺旋运动,回转半径,回转周期,无平行电场时的节距：,有平行电场时的节距：,B/E,，且,B,、,E,均匀,B,、,E,反向,电子被加速,电子回旋的螺距增大,B,、,E,同向,电子被减速,电子回旋的螺距减小,有正交电场时的运动,B,E,且,B,、,E,均匀,摆线轨迹（直线运动与圆周运动的合成）,电子在第三轴方向行走，在,E,方向仅有限高度,摆线轨迹（旋轮线半径）,m,式中,e,电子电荷量,C,；m电子质量kg；,B磁感应强度T；E电场强度V/m。,应用实例：平面电极均匀正交电磁场,平面磁控靶,同轴圆柱电极径向电场轴向磁场,同轴圆柱靶,磁控的目的：,利用磁场的束缚效应，使电子轨迹加长，使放电可以在较低的电压和气压条件下维持。,磁控溅射的特点：,电子利用率高，低气压、低电压下能产生较多正离子溅射速率高；,电子到达基片时是低能状态，升温作用小基片温度低；,放电集中于靶面；,沉积速率大。,1）,磁控靶,设计要点：产生均匀正交电磁场，电场，磁场。关心水平磁场的强度和分布。,磁场形成封闭回路，电子在其中循环飞行。,防止非靶材成分的溅射，加屏蔽罩。屏蔽间隙,2r,e,结构形式:,107 Fig4-15,圆平面靶,矩形平面靶,同轴圆柱靶,S,枪（圆锥靶）,旋转圆柱靶（柱形平面靶）,特殊结构靶,3,）工作特性及参数,电流电压特性：,低压等离子体放电,电压，电流；,气压,p,，放电电压,U,，电流,I,；,与靶的结构有关。,沉积速率：单位时间成膜厚度,q,r,nm/min,相对沉积速率与气压的关系,P110 Fig4-19,沉积速率与靶电流的关系,P110 Fig4-21,沉积速率与靶基距的关系,P110 Fig4-20,功率效率,=,沉积速率（,nm/min,）,/,靶功率密度（,W/cm,2,）,最大功率密度,功率过大会引起靶开裂、升华、熔化。,是限制沉积速率的重要因素；水冷系统的主要设计依据,4.4,射频溅射镀膜,R.F.(Radio Frequency)Sputtering Coating,1,）原理：,解决绝缘材料的溅射,A,+,入射轰击，维持,10,-7,s,电位抵消，反转电极,e,入射中和，维持,10,-9,s,，电荷中和,射频电源：频率,13.56MHz,正负半周各在,10,-7,s,左右,特点：气体极易被击穿，所以击穿（破裂）电压和放电电压仅为直流溅射,2,）装置,射频二极溅射,射频磁控溅射二者区别：溅射靶有无磁场,P119,，,Fig4-32,3,）电源,射频源,13.56MHz,电阻电容耦合,关键解决屏蔽问题：电源问题,同轴传输导线；靶；,室体用导体,观察窗金属网或旋转挡板,4,）脉冲溅射,4.5,反应溅射镀膜,Reaction Sputtering Coating,1,）定义：,溅射镀膜时，有目的地充入反应性气体，从而在基体上得不同于靶材的薄膜成分,2,）原理机制,由于反应性气体的分压较低，所以气相反应很少，固相反应为多数,其中：靶面反应,反应条件是反应气体气压较高时，,基体表面反应,反应气体气压较低时,3,）参数：改变反应气体与工作气体的比例，可以改变膜层成分,如由金属导电膜半导体膜绝缘膜,反应气体压力过高，会导致靶中毒，在靶面形成氧化物，使沉积速率大大下降。,4,）中频溅射孪生中频靶,解决采用反应溅射制备化合物类介质膜存在的问题：,金属氧化物沉积过程中，有靶中毒、阳极消失、靶面和电极打火问题。,4.6,磁场计算,Calculation of Magnetic Field Distribution,磁控靶设计的关键，直接影响靶材利用率和总体发射特性膜厚分布均匀性,1,）磁荷法,永磁体端面有分离磁荷,2,）等效电流法,永磁体侧面有等效电流,4.7,典型磁控溅射镀膜机,Typical Coating Equipment by Magnetron Sputtering,1,）间歇式（周期式），单室镀膜机,P113 Fig4-23,室门的结构：钟罩式，前开门式，上开盖（盒）式,靶的布置：,中心圆柱靶，两侧矩形靶，下面圆平面靶，,S-,靶,工件架结构：,旋转行星架，自转，公转，避免周期相同,2,）半连续式,多室镀膜机，有进出料室，,P114,，,Fig4-24,批式装料出料，进料、预热、镀膜、冷却、出料，闸阀过渡,枚叶式,柔性加工系统,3,）连续式：镀膜玻璃生产线，,5,，,7,，,9,，,11,室，,P115,，,Fig4-25,第五章,真空离子镀和离子束沉积,Ion Plating&Ion-beam Deposition,5.1,真空离子镀,Ion Plating,1,）定义,沉积于基体上的膜材粒子中，有部分粒子是以离子形式入射沉积的。,特征：基片处于相对负电位，,基片及膜层在镀膜过程中始终受到高能离子（膜材离子、气体离子）的轰击,2,）原理、结构,蒸发,+,放电,工作程序：抽本底真空,10,-3,Pa,充气，工作真空,10,-1,1Pa,基片加负电压，放电，离子轰击、清洗,大量蒸发，少量离化，沉积成膜,指标：膜材粒子的离化率,3,）离子轰击的作用：适合于强度膜,清洗,基片及膜层表面去除气体和污物,激活表面和膜层，提高结合能力,提高膜层质量,促进表面迁移；消除“阴影效应”；使膜层均匀；细化晶核；,形成伪扩散层；钉扎效应。,绕射现象，基片的背面、孔洞中，都可以成膜，用于复杂形状元件的镀膜,剥离作用，去掉膜层中吸附不牢的粒子（也降低了沉积速率）,成膜条件,沉积,剥离,4,）离子镀装置,不同的蒸发源,+,不同的离化源（放电等离子体）,蒸发源电阻加热，电子束加热，感应加热,放,电源靶二极直流放电，阴阳极放电，基片第三极负偏压,例如：,HCD,枪,5,）工艺参数,有了更多的可调节参数,蒸发速率,放电参数,U,偏压，,P,气压（等离子体的强度），,源基距,d,涉及碰撞几率和电离几率,基片的偏压离子轰击程度,基片的温度成膜条件,沉积速率可通过改变蒸发率和溅射剥离率的配比进行调节,5.2,真空电弧离子镀（多弧镀）,Arc Ion Plating,也称多弧离子镀,Multi-Arc Ion Plating,，利用真空条件下的弧光放电进行镀膜,1)弧光放电,特征低电压,20V,；大电流,10100A,；负特性,I,V,；成膜快,机制大量正离子轰击阴极局部，使其局部加热到高温，形成热电子发射和金属热蒸发，金属蒸汽大量电离后形成离子鞘层，大大降低阴极位降，提高放电电流。,发射电子和金属蒸汽的地方，温度最高，电场最强，逸出功最小。,现象：小弧豆，灼坑，边缘尖端放电，导致辉点转移，滚动可达,150m/s,，后部弧光散开。,2）,装置,电弧靶，基体间放电电压,20V,左右，电流,10100A,。,引弧装置，放电电压,150200V,阴极辉点处电流密度可达,10,6,10,7,A/cm,2,，所以电弧靶要水冷、磁控。,对磁场的要求：水平场压弧；垂直场束弧,3）,特点,不是真正的离子镀（因为无基片负偏压），但是，是有大量正离子存在的蒸发镀。,沉积速率大，用于镀厚膜。强度也较高，用于镀硬膜。有液滴喷射现象，应尽量避免。,靶的结构简单，可以多个同时工作（多弧镀）,典型应用多弧镀膜机。镀,TiN,（刀具、钢板、装饰仿金）,5.2,离子束沉积,Ion Beam Deposition,1）,定义,利用离化的粒子束流（离子束）参与基片上的沉积过程,2）,特征,基片接负电位，镀膜过程中，基片及膜层一直受到高能离子束的轰击。,3）,分类,离子束（束流）沉积膜材直接以离子束的形式沉积在基片上,离子束辅助沉积镀膜过程中，工作气体的离子束轰击基片和膜层,本章结束,Thank You,