磁控溅射和电弧离子镀技术和应用介绍

脉冲弧源
电弧离子镀的设备
国产
俄罗斯
欧洲
电弧离子镀的设备
国产
电弧离子镀的工艺问题
电弧离子镀工艺的几个问题:
大颗粒的喷射 靶材利用率 放电稳定性
大颗粒的排除 沉积速率 沉积均匀性
弧斑运动的控制
轴对称磁场 动态可控磁场
磁场 旋转磁场
等离子体传输的控制
磁场增强 磁过滤wenku.baidu.com
电弧离子镀的大颗粒问题
薄膜/涂层的种类及应用
• 电子工业：电极、电阻膜、电介质膜、绝缘膜、 透明导电膜、超导膜等。
• 光学工业：荧光膜、反射膜、增透膜、干涉膜 等。
• 机械工业：硬化膜、耐热膜、耐腐蚀膜等。 • 能源工业：聚热膜、防反射膜、透射膜等。 • 传感器：热敏、气敏、压敏、氧气传感器、红
外线传感器等。 • 其它：装饰膜等。
circular trajectory
TMF=0 G
TMF=10 G TMF=20 G
TMF=30 G
弧
弧
斑
斑
尺
速
寸
度
TMF=0 G
TMF=15 G
TMF=30 G
轴对称磁场对弧斑运动的影响
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 轴对称磁场
TMF=0 G
TMF=15 G
TMF=30 G
锥形坑
平整下凹
磁控溅射的应用--超硬涂层
用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面， 摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、 耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、 模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般 可使刀具寿命提高3～10倍。
磁控溅射的应用--固体润滑薄膜
• 在高温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作 的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状 物质等固体润滑剂。
氧化铟锡 (ITO); 掺铝氧化锌 (ZAO); ITO/Ag/ITO; TiO2/Ag/TiO2; ITO/ZnO;SiO2/ITO
磁控溅射的应用--透明导电薄膜
液晶显示器 触摸屏
太阳能电池
磁控溅射的应用--透明导电薄膜
有机/柔性电致发光器件(OLED)
磁控溅射的应用--透明导电薄膜
除霜防雾
磁场约束遮挡过滤： –等离子体发射方向与镀膜方向垂直； –束径不受限制，但沉积率比较低；
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 脉冲偏压
–通过对基片施加脉冲偏压减少等 离子体中的颗粒沉积；
原理：利用等离子体尘埃带负电 的特点，通过脉冲偏压的动态等 离子体壳层控制尘埃颗粒沉积；
特点： –沉积效率降低比较小； –可以实现化合物的低温沉积； –可以改善薄膜的力学性能； –特别大的颗粒过滤效果不理想；
电弧离子镀的应用--装饰镀膜
电弧离子镀的应用--装饰镀膜
电弧离子镀的应用--刀模具表面强化
电弧离子镀的应用--刀模具表面强化
电弧离子镀的应用--刀模具表面强化
电弧离子镀的应用--刀模具表面强化
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电弧源：靶(导电材料)+约束磁场+弧电极+触发电极 优点：沉积速度快；膜基结合力高；薄膜致密度高； 绕镀性好等。
电弧离子镀的特点
技术特点： – 工艺环境友好，不产生任何污染，设备占地面积小； – 涂层表面光滑，粗糙度小于0.1 μm； – 涂层硬度高，1400-5000HV； – 涂层耐磨性能良好，摩擦系数可小于0.3； – 涂层致密，针孔率可小于0.5%，耐腐蚀性能良好； – 涂层耐氧化温度为500-900 ℃ ； – 涂层与基材结合力好，可达50N； – 涂层出现局部破损后可修复 缺点： 1.大颗粒污染 2.相对较高的沉积温度(200-350℃) 3.薄膜内应力大（原因在于传统工艺采用恒 定的直流负偏压，薄膜生长是在荷能粒子（离子）的连 续轰击下进行的）。
磁控溅射的历史
1842年Grove发现阴极溅射现象； 1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜； 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀制金膜作为导电
底层以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅射； 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射
阴极； 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续溅射镀膜装置镀
旋转磁场 弯曲磁场 轴对称磁场 拱形磁场 尖角磁场
＋
＝ 动态磁场
磁场位形 横向分量 纵向分量
创新点：1. 弧源头 2.弧斑运动速度提高 3. 纵/横向磁场均匀分布
电弧离子镀大颗粒问题的解决
多极磁芯
难点: 1. 线包的发热 2. 磁芯耐涡流损耗
传统弧源
新型弧源
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 旋转横向磁场
磁控溅射的种类
成膜条件：1、靶材 2、Ar 3、周围的真空环境
反应类型
非反应溅射
电源类型 反应溅射
直流磁控溅射 中频磁控溅射 射频磁控溅射
磁控溅射的种类
• 传统磁控溅射
电电流流密密度度>~ 5m01.1mAmA/Ac/mc/cmm222
• 非平衡磁控溅射
S
S
基基靶板板材
等离子体
等基离板子体
• 闭合场非平衡磁控溅射
Distance from center, cm
Distance from center, cm
轴对称磁场位形
磁场横向分量分布
磁场纵向分量分布
轴对称磁场控制的离子镀弧源设计
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 轴对称磁场
random motion
chrysanthemum
spiral pattern
薄膜/涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀)及应用
雷浩
薄膜/涂层的概念与特点
概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依 靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料。薄膜(Films)：厚度 < 1m,如光电功 能薄膜等；涂层(Coatings)：厚度 ≥ 1m,如硬质 涂层、防护涂层等。
薄膜/涂层特征： 1）厚度 （纳米，微米，毫米） 2）有基体支撑（不是单独存在的） 3）特殊的结构和性能（与块体材料相区别） 4）特殊的形成方式
薄膜/涂层的概念与特点与分类
应用： 光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成电路薄 膜、防护功能薄膜。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半导体、化 合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄膜，复合 薄膜。
电弧离子镀的历史
19世纪，美国发明家爱迪生提出利用真空电弧进行 镀膜的设想，并申请了美国专利；
20世纪50年代B.Vodra, H. Wroe等在真空冶炼时明确指 出真空电弧完全可以用于表面薄膜的沉积制备；
20世纪60年代日本真空技术研究所利用真空 交流电弧沉 积金属薄膜；
20世纪70年代苏联购买了日本的技术，发展了电弧离子 镀技术；
等等离离子子体体 靶靶材材
NN 靶SS材 NN
优点：稳定性、重复性、均匀性、低温
种类：化合物、合金、梯度膜、多层膜
磁控溅射的靶材
磁控溅射镀膜设备与等离子体
磁控溅射的应用
溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分 为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者 包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化 薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括 电、磁、声、光等功能薄膜材料等。
20世纪80年代美国多弧公司购买了苏联技术，实现了产 业化，并在西方得到了迅速发展；
20世纪80年代后，我国引进了大量设备和技术。此后， 该技术得到了迅速发展。
电弧离子镀的设备
真空电弧蒸发源及电弧离子镀设备
电弧离子镀常用的弧源和靶材结构
轴向磁场控制的圆形小弧源
俄罗斯弧源
可控电弧蒸发源 柱状弧源 矩形平面大弧源
热 蒸 发
磁 控 溅 射
电 弧 离 子 镀
物理气相沉积(PVD)
定义：薄膜材料通过物理方法输运到基体表面 代表技术：蒸发镀膜、溅射沉积、电弧离子镀、 离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、离子束沉积、 团簇沉积等。 技术特点：沉积温度低、工作气压比较低
磁控溅射 (Magnetron Sputtering)的介绍
弧斑运动对靶材刻蚀利用率的影响
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 动态拱形磁场
磁场位形
拱形磁场位形随电流比的变化
动态拱形磁场控制的离子镀弧源设计
电弧离子镀大颗粒问题的解决
永磁铁
电磁线圈
传统弧源(轴对称磁场)
俄罗斯弧源(纵向磁场)
静态/准静态磁场
电弧离子镀大颗粒问题的解决
解决大颗粒喷射的新思路 弧斑运动速度和分布 磁场位形设计
概念：利用气体放电产生的正离子在电场作用下轰击作为 阴极的靶，使靶材中的原子（或分子）逸出并沉积到基板 表面上形成所需要的膜。在阴极靶面上造一个正交的磁场， 使得电离的几率增加，就成为了磁控溅射。
磁控溅射的特点
优点： 涂层致密质量好；可控制涂层厚度；电子对于衬底 的轰击能量小；可获得理想纳米涂层；原子沉积 缺点： 沉积速度较慢；需要高真空状态；方向性较强
薄膜和涂层的制备方法
湿式成膜 干式成膜
电镀 化学镀 微弧氧化 溶胶-凝胶膜
涂敷法（喷涂、甩胶、浸涂）
热浸渗（化学热处理）、热扩散法 电阻热蒸发
物理气相沉积 （PVD）
真空蒸发镀 溅射沉积
电子束蒸发 激光蒸发
电弧离子镀
化学气相沉积 （CVD）
等离子体增强CVD(PECVD) 辉光CVD，热丝CVD
薄膜和涂层的制备方法
制集成电路的鉭膜，首次实现溅射镀膜产业化； 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用； 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中频单靶磁控溅射，
发展为中频双靶磁控溅射； 1986年Kirchhoff 等申请双靶磁控溅射方法的专利； 1986年Window发明了非平衡溅射,有广阔的应用前景 1994年德国Leybold的孪生靶系统正式投入生产；
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 双层挡板屏蔽
(a)
靶材
基板
(b)
10m
双层挡板
特点：
–物理屏蔽；
10m
–沉积速率降低；
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 轴对称磁场
Transverse magnetic field, Gs
Normal magnetic field, Gs
Distance from center, cm Distance from center, cm
TMF=0
TMF=10~20G
I=6A
60-110Hz 110-170Hz 170-250Hz 100-160Hz 160-250Hz
I=11A
旋转磁场对弧斑运动的影响规律
电弧离子镀的应用
20世纪80年代，随着电弧离子镀技术在工具上的应用，刀具 镀膜后使用寿命提高了3-10倍，因此引发了一场工具革命， 电弧离子镀几乎取代了所有其他的离子镀形式，成为应用最 为广泛的镀膜技术之一。 应用领域：广泛应用于耐磨、耐腐蚀、表面装饰等领域。
• 常用的固体润滑剂有软金属(Au，Ag，Pb，Sn等)， 层状物质（MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等）， 高分子材料（尼龙、聚四氟乙烯等）等。
• 其中溅射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。
磁控溅射的应用--透明导电薄膜
• 厚度：几十～几百纳米 • 透明性：与玻璃接近 • 导电性：与金属接近 • 种类：
产生大颗粒喷射主要根源
1、弧斑随机运动速度慢 2、弧斑自身电磁产生的磁收缩力 3、放电离子轰击形成的反作用力
大颗粒，行业难题！
电弧离子镀大颗粒问题的解决
电弧离子镀的改进 磁过滤
磁镜过滤方法： –通过磁场对电子运动的控制实现 对等离子体的控制； –可以显著降低薄膜中的大颗粒； –沉积效率降低明显、束径受磁镜 限制；
保温、隔热
磁控溅射的应用--透明导电薄膜
电磁屏蔽
雷达隐身
电弧离子镀(Arc Ion Plating)的介绍
电弧离子镀 (Arc Ion Plating, AIP)或称之为阴极真 空弧沉积（Cathodic vacuum Arc Deposition, CAD）， 是在真空环境下利用电弧放电 蒸发作为镀料粒子源 实现离子镀的一种方法，是离化率最高的离子镀形式。