溅射镀膜原理及其应用

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1、磁控溅射镀膜及其应用博士精密机械技术研发处2009.06.11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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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