磁控溅射靶材中毒
浅谈磁控溅射镀膜工艺中的反应溅射

浅谈磁控溅射镀膜工艺中的反应溅射信义玻璃(天津)有限公司陈大伟摘要:本文介绍了磁控溅射镀膜工艺、磁控溅射设备、非反应溅射与反应溅射:反应溅射是一个非常复杂的过程。
重点对反应溅射中的“直流氧化溅射”、“阳极消失效应”、“靶材中毒现象”、“磁滞效应现象”、“金属模式”、“过渡模式”、“反应模式”、“反应溅射磁滞效应特征曲线”进行分析。
在生产过程中,掌握反应溅射工艺的特点,合理控制溅射过程中的工艺参数,准确判断溅射工艺中的异常现象,利用有效的手段进行调整,才能达到高效的溅射速率以及高质量的膜层性能,防止不良溅射现象的出现。
0引言磁控溅射镀膜是目前离线镀膜玻璃生产最重要的方式之一.其生产溅射工艺非常复杂.其中包含直流和交流溅射的控制模式,平面阴极、旋转阴极的溅射设备,惰性和反应的工作气体以及适当的低气压环境等方面。
在生产过程中不同的磁控阴极、材料、气氛等又会有不同的工艺控制模式,其中包含非反应溅射以及反应溅射,而反应溅射中又涉及到靶材溅射的金属模式、磁滞效应、中毒模型等,这些均会影响到膜层组分、溅射效率、成膜质量及性能等方面。
在实际的生产过程中.掌握磁控溅射工艺的特点,合理控制溅射过程中的工艺参数,准确判断溅射工艺中的异常现象并做出及时的处理.对最终高质量高效率成膜控制具有重大意义。
1磁控溅射简介1.1溅射工艺磁控溅射是物理气相沉积(PVD)的一种,是一种十分有效的薄膜沉积方法。
上世纪70年代广泛发展起来的磁控阴极溅射法可以在玻璃上沉积出高质量的用于控制光线和太阳能的膜层。
简单地讲,就是在磁场约束及增强下的等离子体中的工作气体离子,在阴极电场的加速下,轰击刻蚀阴极上的靶材,使材料源的离子从靶材表面上脱离崩射出来,然后沉积附着在基片上。
溅射镀膜过程是将基片置-4-于有特殊设计的阴极和工作气体的真空腔室中来实现的,在阴极上施加负电压,当真空腔体内达到适当的条件进行等离子体辉光放电(图1)。
带正电的气体离子受到带负电的阴极靶材表面的吸引,正原子对负电位的靶材的撞击非常强烈,使得靶材上的原子从表面崩射出来并沉积在玻璃上,从而形成一层原子依次排列的薄膜(图2)。
ITO靶材的毒化机理研究现状

15 升 温速 率对 I O靶 材影 响 . T
时。随着保温时间增加 , 靶材的密度先增加后 降低 ,
在保 温 15h时相对 密度 达 到 最 大值 。这 可 能是 由 . 于保 温 时 间过 短 时 闭 孑 数量 较 多 , L 使得 烧 结 试 样 密 度 较 低 。随着 保温 时 间延 长 , 结 体 缓 慢 收缩 , 孔 烧 小 逐渐 消失 , 隙数 量减 少 , 孔 密度 增 大 。 当保 温 时 间超 过 15h时 , 度 开 始 下 降 , 可 能 是 由 于 在 160 . 密 这 0
在高温下发生 反应分 解。若在烧 结气 氛 中加入 臭 氧, 就能缓解 S O 分解 。 n2
1 3 烧结 温 度对 I O靶 材 影响 . T
实验表 明 【 , 结 温 度 对 I O靶 材 密 度 的影 响 烧 T 很大 , 相对 密度 随着 温度 的升高 而 增 大 , 而 影 响 到 从 靶 材 的毒化 时 间 。温 度 为 10 0c 对应 的密 度 达 0 C时
结时质点迁移距离较短 , 因而烧结体相对密度提高。 此 外 , 坯 中的气 孔对烧 结 体具 有 较大 的影 响 , 大 压 较
尺 寸气 孔 的存 在 一 方 面加 大 颗 粒 扩 散距 离 , 一 方 另 面减 小气 孑 收缩 的推动 力 , 而不利 于烧 结致 密 化 。 L 因 因此 , 形压 力 较 小 时 , 坯 的密 度 小 , 气 孔 直 径 成 压 且
1 1 I O粉体 中添加 P A对 I O靶材 的影 响 . T V T 王弱 J 的研 究 发 现 : V 添 加 越 多 , 坯 越 易 P A 素 脱模 。 10 . %的 P A获 得 的靶 材 最 致 密 。 P V VA为 05 .%时 , 素坯 外 沿 部分 颜 色 较 中心 浅 , 明压 力 损 说 失导 致 坯 体 内外 存 在 较 大 密 度 差 。 P VA 为 10 .% 时, 素坯 无 明显 色差 , 明坯 体密 度分 布 平均 。P 表 VA
磁控溅射原理

百科名片磁控溅射原理:电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。
氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。
二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长,在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,远离靶材,最终沉积在基片上。
磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
电子的归宿不仅仅是基片,真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。
但一般基片与真空室及阳极在同一电势。
磁场与电场的交互作用( E X B drift)使单个电子轨迹呈三维螺旋状,而不是仅仅在靶面圆周运动。
至于靶面圆周型的溅射轮廓,那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。
磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射,多弧镀靶源,离子源,等离子源等都在次原理下工作。
所不同的是电场方向,电压电流大小而已。
磁控溅射的基本原理是利用 Ar一02混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下,被加速的高能粒子轰击靶材表面,能量交换后,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,转移到基体表面而成膜。
磁控溅射的特点是成膜速率高,基片温度低,膜的粘附性好,可实现大面积镀膜。
该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。
磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。
磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。
当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后,并不直接飞向阳极,而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。
磁控溅射法的工作原理

(R, A)n1MnnO3n+1
二、锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应
1.钙钛矿锰氧化物基本的晶格
一般泛指的锰氧化物(Manganites)是基于钙钛矿结构来说 的,它的通式可以写为:(R, A)n1MnnO3n+1(其中R 为稀土元素, A 为碱土元素) ,通常也称作Ruddlesden-Popper(RP)相。在 RP化合物中,“n”代表MnO6 八面体顺着晶体[001]方向堆 垛的层数。如图1所示,单层 n = 1 的(R,A)2 MnO4化合物具有 二维的K2NiF4 结构,由一层MnO6八面体层和一层(R/A,O)交替 堆垛组成。n =2的双层(R,A)3Mn2O7和n = 3的三层(R,A)4Mn3O10化合 物分别有两层MnO6 八面体和三层 MnO6八面体与一层 (R/A,O)交 替堆垛组成。n =∞的化合物 (R,A)MnO3 具有无穷层的三维钙钛 矿结构。其中结构为(R,A)Mn2O7和 (R,A)MnO3的部分化合物表现出 CMR效应。
极化度 、电场E、诱导偶极矩m三者之间的关系:
E
拉曼和红外是否活性判别规则: (1) 相互排斥规则: 凡具有对称中心的分子,具
有红外活性(跃迁是允许),则其拉曼是非活性(跃迁是 禁阻)的;反之,若该分子的振动对拉曼是活性的,则 其红外就是非活性的。
层状晶格图形如下
2. CMR效应 CMR效应存在于钙钦矿结构的掺杂锰氧化物中。不
同于GMR和TMR依赖于人工制备的纳米结构,钙钦矿锰 氧化物的CMR效应是大块材料的体效应。由于其磁电 阻值特别巨大,为了区别于金属多层膜中的GMR效应, 人们将这种钙钦矿结构中的磁电阻效应冠之以超大磁 电阻效应(eolossalMagnetoresistanee),简称CMR效 应。CMR的一个显著特征是在磁相变的同时伴随着金 属到绝缘态的转变,并且磁电阻的陡然变化通常发生 在居里点()附近,一旦温度偏离居里点,磁电阻迅速 下降。这种极大的磁电阻效应实际上暗示了锰氧化物 材料中自旋一电荷间存在着强烈的关联性。现在己经 确认,锰氧化物具有电子的强关联特性,其CMR机理, 与铜氧化物的高温超导电性是一样的,是多电子强关 联系统中十分有趣和困难的问题。
溅射

关于溅射发布时间:2010-4-28溅射一、溅射的基本内容:1、定义:所谓溅射,就是这充满腔室的工艺气体在高电压的作用下,形成气体等离子体(辉光放电),其中的阳离子在电场力作用下高速向靶材冲击,阳离子和靶材进行能量交换,使靶材原子获得足够的能量从靶材表面逸出(其中逸出的还可能包含靶材离子)。
这一整个的动力学过程,就叫做溅射。
入射离子轰击靶面时,将其部分能量传输给表层晶格原子,引起靶材中原子的运动。
有的原子获得能量后从晶格处移位,并克服了表面势垒直接发生溅射;有的不能脱离晶格的束缚,只能在原位做振动并波及周围原子,结果使靶的温度升高;而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲,将其临近的原子碰撞移位,反冲继续下去产生高次反冲,这一过程称为级联碰撞。
级联碰撞的结果是部分原子达到表面,克服势垒逸出,这就形成了级联溅射,这就是溅射机理。
当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时,动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略,这就是线性级联碰撞2、溅射的四要素:①:靶材物质②:电磁场③:底物④:一整套完整配备的镀膜设备3、溅射收益:3.1、离子每一次撞击靶材时,靶材所释放出的靶材原子。
3.2、影响溅射收益的因素:①:等离子体中离子动能②:入射离子的入射角度3.3、最大溅射收益的决定因素:①:入射角度在45°-50°左右②:取决于靶材物质3.4、入射角度的影响因素①:由电场决定②:靶材表面于入射源的相对角度4、溅射率:4.1、定义:每单位时间内靶材物质所释放出的原子个数4.2、溅射率的影响因素①:离子动能(取决于电源电压和气体压力)②:等离子密度(取决于气体压力和电流)4.3、统计学公式:Rs(统计学)=d/t。
注:溅射原子溢出角度大部分在0~10度之间,因此在腔室内所有区域都可能被镀上一层膜,久之会产生污染。
所以真空溅射腔室内必须进行定期清洁。
二、溅射种类:1、反应溅射:氧化物,氮化物作为沉积物质现象:①:靶材分子分裂,其于工艺气体离子发生反应,形成化合物②:膜层性能改变③:靶材有可能中毒2、二极溅射(见下图):二极溅射是一种经典的标准溅射技术,其中等离子体和电子均只沿着电场方向运动。
薄膜的制备及其特性测试

图1 双靶反应磁控溅射原理图 如图,双靶法同时安装两块靶材互为阴阳极进行轮回溅射镀膜 如图,
1.4、射频反应磁控溅射 1.4、
在一定气压下,在阴阳极之间施加交流电压,当其频率 增高到射频频率时即可产生稳定的射频辉光放电。射频辉光 放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量, 所以减小了放电对二次电子的依赖,并且能有效降低击穿电 压。射频电压可以穿过任何种类的阻抗,所以电极就不再要 求是导电体,可以溅射任何材料,因此射频辉光放电广泛用 于介质的溅射。频率在5~30MHz都称为射频频率。
透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标, 透光率是透明薄膜的一项非常重要的光学性能指标,透光 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示, 率是指以透过材料的光通量与入射的光通量之比的百分数表示,在 测试中采用相对测量原理,将通过透明薄膜的光通量记为T2 T2, 测试中采用相对测量原理,将通过透明薄膜的光通量记为T2,在没 有放入透明薄膜的光通量记为T1 那么薄膜的透光率为: T1, 有放入透明薄膜的光通量记为T1,那么薄膜的透光率为: Tt =T2/T1⊆ 其中,T1,T2均为测量相对值 均为测量相对值) =T2/T1⊆100% (其中,T1,T2均为测量相对值) 一般用来测量透过率的仪器有透过率雾度测试仪和分光光 度计法, 度计法,其原理图分别如下
1.5、化学气相沉积(CVD)法 (CVD) 1.5、化学气相沉积(CVD)法
化学气相沉积是一种化学气相生长法,简称CVD(Chemical V apor Deposition)技术。这种技术是把含有构成薄膜元素的一种 或几种化合物质气体供给基片,利用加热等离子体、紫外光乃至 激光等能源,借助气体在基片表面的化学反应(热分解或化学合 成)生成要求的薄膜。例如下图是利用化学气相沉淀法制备ITO的 原理结构图
磁控溅射镀膜原理及工艺

磁控溅射镀膜原理及工艺扌商要:真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术,在现实生产生活中有着广泛的 应用。
真空镀膜技术有三种形式,即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。
这里主要讲一下由溅射镀膜技术发展来的嫌控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。
关键i 司:溅射;溅射变量;工作气压:沉积率。
绪论溅射现象于1870年开始用于镀膜技术,1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生 产。
常用二极溅射设备如右图。
通常将欲沉积的材料制成板材-靶,固定在阴 极上。
基片置于正对靶而的阳极上,距靶一定距离。
系统抽至高真空E 充入(10〜1)帕的气体(通常 为氫气),在阴极和阳极间如几千伏电压,两极间 即产生辉光放电。
放电产生的正离子在电场作用下 飞向阴极,与靶表面原子碰撞,受碰撞从靶而逸出 的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏 范围内。
溅射原子在基片表面沉积成膜。
其中磁控 溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一。
它以溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装 置性能稳定、操作控制方便等优点,成为镀膜工业 应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、 柔性基材卷绕镀等对大而积的均匀性有特别苛刻 要求的连续镀膜场合)的首选方案。
1磁控溅射原理溅射属于PDV (物理气相沉积)三种基本方法:真空蒸发、溅射、离子镀(空心阴极离子 镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀)中的一种。
礁控溅射的工作原理是指电子在电场E 的作用下,在飞向基片过程中与氮原子发生碰撞, 使其电离产生出Ar 正离子和新的电子;新电子飞向基片,Ar 正离子在电场作用下加速飞向阴极 靶,并以高能量轰击靶表而,使靶材发生溅射。
在溅射粒子中,中性的靶原子或分子沉积在基 片上形成萍膜,而产生的二次电子会受到电场和礁场作用,产生E (电场)XB (磁场)所指的 方向漂移,简称EXB 漂移,其运动轨迹近似于一条摆线。
若为环形磁场,则电子就以近似摆线 形式在靶表而做圆周运动,它们的运动路径不仅很长,而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区 域内,并且在该区域中电离出大量的Ar 正离子来轰击靶材,从而实现了高的沉积速率。
Al-AlN选择性吸收涂层性能分析及光学模拟

Al-AlN选择性吸收涂层性能分析及光学模拟杨沐晖;夏建业;郭廷伟;黄健【摘要】研究了双层Al-AlN吸收层加减反射层结构膜系,并对这种结构膜系涂层性能进行分析和模拟,在模拟得到单层Al-AlN层的膜厚和填充因子基础上,工艺优化制备得到的Al-AlN选择性吸收涂层吸收率达到0.942,100℃发射率为0.044,聚光比为1条件下,光热转换效率为0.89.【期刊名称】《太阳能》【年(卷),期】2012(000)017【总页数】3页(P37-39)【关键词】Al-AlN;选择性吸收涂层;填充因子;吸收率;发射率【作者】杨沐晖;夏建业;郭廷伟;黄健【作者单位】常州博士新能源科技有限公司;常州博士新能源科技有限公司;常州龙腾太阳能热电设备有限公司;常州龙腾太阳能热电设备有限公司【正文语种】中文一引言太阳能选择性吸收涂层是一种高效吸收太阳能热辐射的薄膜材料,属于太阳能热利用技术。
目前,国内用于太阳能热水器上的选择性吸收材料很多,有Al-AlN、SS-AlN等复合材料。
Al-AlN选择性吸收涂层是目前应用最为广泛的吸热材料之一。
这种传统渐变结构膜系的选择性吸收涂层吸收率良好,但发射率也较高[1] 。
章其初等人[2] 提出双金属-介质选择性吸收膜系结构,这种涂层由金属层、两层金属-介质吸收层和减反射层构成。
使用的金属材料主要有Au、Ag、Cu、Al、Ni等,用以提高膜层的红外光谱反射率,降低膜层发射率;电介质-金属吸收层由金属含量不同的高、低金属填充因子金属-介质层组成;减反射层有AlN、Al2O3、SiO2等。
本文采用双金属-介质选择性吸收膜系结构,研究了Al-AlN选择性吸收涂层材料的光热性能。
选择性吸收涂层金属-介质层是主要的吸热层,对Al-AlN单层膜的反射率光谱进行模拟分析,得到膜厚及填充因子。
实验以模拟的数据为标准,通过多次优化实验,得到高吸收率和低发射率的Al-AlN选择性吸收涂层。
二实验方法本实验采用衡阳SCS-850型镀膜机。
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磁控溅射中靶中毒是怎么回事,一般的影响因素是什么?
A:第一:靶面金属化合物的形成。
由金属靶面通过反应溅射工艺形成化合物的过程中,化合物是在哪里形成的呢?由于活性反应气体粒子与靶面原子相碰撞产生化学反应生成化合物原子,通常是放热反应,反应生成热必须有传导出去的途径,否则,该化学反应无法继续进行。
在真空条件下气体之间不可能进行热传导,所以,化学反应必须在一个固体表面进行。
反应溅射生成物在靶表面、基片表面、和其他结构表面进行。
在基片表面生成化合物是我们的目的,在其他结构表面生成化合物是资源的浪费,在靶表面生成化合物一开始是提供化合物原子的源泉,到后来成为不断提供更多化合物原子的障碍。
第二:靶中毒的影响因素
影响靶中毒的因素主要是反应气体和溅射气体的比例,反应气体过量就会导致靶中毒。
反应溅射工艺进行过程中靶表面溅射沟道区域内出现被反应生成物覆盖或反应生成物被剥离而重新暴露金属表面此消彼长的过程。
如果化合物的生成速率大于化合物被剥离的速率,化合物覆盖面积增加。
在一定功率的情况下,参与化合物生成的反应气体量增加,化合物生成率增加。
如果反应气体量增加过度,化合物覆盖面积增加,如果不能及时调整反应气体流量,化合物覆盖面积增加的速率得不到抑制,溅射沟道将进一步被化合物覆盖,当溅射靶被化合物全部覆盖的时候,靶完全中毒。
第三:靶中毒现象
(1)正离子堆积:靶中毒时,靶面形成一层绝缘膜,正离子到达阴极靶面时由于绝缘层的阻挡,不能直接进入阴极靶面,而是堆积在靶面上,容易产生冷场致弧光放电---打弧,使阴极溅射无法进行下去。
(2)阳极消失:靶中毒时,接地的真空室壁上也沉积了绝缘膜,
到达阳极的电子无法进入阳极,形成阳极消失现象。
第四:靶中毒的物理解释
(1)一般情况下,金属化合物的二次电子发射系数比金属的高,靶中毒后,靶材表面都
是金属化合物,在受到离子轰击之后,释放的二次电子数量增加,提高了空间的导通能力,降低了等离子体阻抗,导致溅射电压降低。
从而降低了溅射速率。
一般情况下磁控溅射的溅射电压在400V-600V之间,当发生靶中毒时,溅射电压会显著降低。
(2)金属靶材与化合物靶材本来溅射速率就不一样,一般情况下金属的溅射系数要比化合物的溅射系数高,所以靶中毒后溅射速率低。
(3)反应溅射气体的溅射效率本来就比惰性气体的溅射效率低,所以反应气体比例增加后,综合溅射速率降低。
第五:靶中毒的解决办法
(1)采用中频电源或射频电源。
(2)采用闭环控制反应气体的通入量。
(3)采用孪生
e a h e i 靶(4)控制镀膜模式的变换:在镀膜前,采集靶中毒的迟滞效应曲线,使进气流量控制在产生靶中毒的前沿,确保工艺过程始终处于沉积速率陡降前的模式。
C:靶中毒是由于在溅射过程中带正电的离子聚集在靶表面,没有得到中和,出现靶表面负偏压逐步下降,最后干脆罢工不工作了,这就是靶中毒现象。
E: 污渍影响不大~打火是有绝缘部位造成的,一般是局部中毒或者赃物。
靶材中毒是因为
功率密度太低,相对于过量的反应气体不能及时蒸发掉(或溅射),会残留靶材表面,造成导电性能下降,从而进入中毒状态。
轻者无法起辉光,重者报废电源~。