磁控溅射镀膜工艺介绍

磁控溅射镀膜工艺简介

王继2014-9

使chamber 达到真空条件，一

般控制在(2~5)E-5torr

chamber 内通入Ar （氩气），

并启动DC power

Ar 发生电离

Ar Ar+＋e -

在电场作用下，electrons （电

子）会加速飞向anode （阳极）

在电场作用下，Ar+会加速飞

向阴极的t a r g e t （靶材），

target 粒子及二次电子被击出，

前者到达substrate （基片）表

面进行薄膜成长，后者被加速至

阴极途中促成更多的电离。垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率的作用。

接地-V(DC )至真空泵

Ar 磁控溅射镀膜－溅射原理

磁控溅射镀膜－磁控阴极

相对蒸发镀，磁控溅射有如下的特点：

膜厚可控性和重复性好

薄膜与基片的附着力强

可以制备绝大多数材料的薄膜，包括合金，化合物等

膜层纯度高，致密

沉积速率低，设备也更复杂

按照电源类型可分为： 直流溅射：

中频溅射：

射频溅射：

不同溅射方式的比较

DC电源RF电源MF电源

可镀膜材料导电材料非导电材料非导电材料靶材形状平面单靶平面单靶孪生靶

频率0 HZ13.65MHZ24KHZ

可靠性好较好较好

磁控溅射镀膜

磁控溅射镀膜

反应溅射

在溅射镀膜时，有意识地将某种反应性气体如氮气，氧气等引入溅射室并达到一定分压，即可以改变或者控制沉积特性，从而获得不同于靶材的新物质薄膜，如各种金属氧化物、氮化物、碳化物及绝缘介质等薄膜。

直流反应溅射存在靶中毒，阳极消失问题，上个世纪80年代出现的直流脉冲或中频孪生溅射，使反应溅射可以大规模的工业应用。

反应溅射模拟图

中频孪生反应溅射

反应溅射的特点

反应磁控溅射所用的靶材料（单位素靶或多元素靶）和反应气体（氧、氮、碳氢化合物等）通常很容易获得很高的纯度，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

反应磁控溅射中调节沉积工艺参数，可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，从而达到通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。

反应磁控溅射沉积过程中基板温度一般不会有很大的升高，而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因而对基板材料的限制较少。

反应磁控溅射适合于制备大面积均匀薄膜，并能实现对镀膜的大规模工业化生产。

反应溅射的应用

现代工业的发展需要应用到越来越多的化

合物薄膜。

如光学工业中使用的TiO2、SiO2和TaO5等硬质膜。

电子工业中使用的ITO透明导电膜，SiO2、Si2N4和Al2O3等钝化膜、隔离膜、绝缘膜。 建筑玻璃上使用的ZNO、SnO2、TiO2、SiO2等介质膜

真空系统的基本知识

真空的定义：压力低于一个大气压的任何气态空间，采用真空度来表示真空的高低。

真空单位换算：1大气压≈1.0×105帕=760mmHg（汞柱）=760托

1托=133.3pa=1mmHg

1bar=100kpa

1mbar=100pa

1bar=1000mbar

TCO玻璃=Transparent Conductive Oxide 镀有透明导电氧化物的玻璃

TCO材料：

SnO2:F(FTO fluorine doped tin oxide氟掺杂氧化锡)

ZnO:Al(AZO aluminum doped zinc oxide铝掺杂氧化锌) In2O3:Sn(ITO indium tin oxide 氧化铟锡)

TCO薄膜的种类及特性

•TCO薄膜为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，晶粒取向单一。目前研究较多的是ITO、FTO和AZO。电阻率达10-4Ω•cm量级，可见光透射率为80%～90%。

•FTO(SnO2︰F)：电阻率可达5.0×10-4Ω•cm，可见光透过率＞80%。

•ITO(In2O3︰Sn)：电阻率可达7.0×10-5Ω•cm，可见光透过率＞85%。

•AZO(ZnO︰Al)：电阻率可达1.5×10-4Ω•cm，可见光透过率＞80%。

TCO薄膜的制备工艺

•薄膜的性质是由制备工艺决定的，改进制备工艺的努力方向是使制成的薄膜电阻率低、透射率高且表面形貌好，薄膜生长温度低，与基板附着性好，能大面积均匀制膜且制膜成本低。

•主要生产工艺：镀膜过程中有气压、基片温度、靶材功率、镀膜速度；刻蚀过程中有HCl浓度、刻蚀速度、刻蚀温度。

晶粒过大

缺陷增多 基片温度的影响

晶界散射多电阻率升高温度较低

薄膜晶粒小温度过高电阻率下降

温度过高晶粒过大

缺陷增多 沉积时间的影响

电阻率下降

电阻率升高

沉积时间延长薄膜厚度增加

透过率下降

沉积时间过长温度升高晶化率增加电阻率下降

溅射功率的影响

溅射功率增加溅射粒子增加粒子能量增加

溅射功率过高

薄膜致密性增加

膜层与基体粘附力增加溅射粒子能量过大

氩离子能量过大陶瓷靶易开裂

薄膜致密性下降

氩离子过多碰撞增多 氩气气压的影响

薄膜薄、晶化率低薄膜晶化率低氩气气压过低氩离子少溅射原子少氩气气压过高