真空溅射镀膜技术.ppt

真空溅射镀膜技术,目录,一、溅射镀膜的相关概念二、溅射的基本原理三、溅射镀膜的类型四、溅射镀膜相关外包厂简介五、溅射镀膜案例分析,表面技术工程是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性技术，薄膜技术和涂层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。薄膜技术是表面工程三大技术之一。一般把小于25um大于100nm的膜层称为薄膜，大于25um的膜层称为厚膜。小于100nm的膜层称为纳米薄膜。真空镀膜是薄膜技术的最具潜力的手段，也是纳米技术的主要支撑技术。所谓纳米技术，如果离开了真空镀膜，它将会失去半壁江山。,真空镀膜分为(蒸发镀膜)、(离子镀膜)、(溅射镀膜)和(化学气相沉积)四种形式,按功能要求可分为(装饰性镀膜)和(功能性镀膜)。溅射是指荷能粒子轰击(固体表面），使(固体原子或分子）从表面 射出的现象。利用溅射现象沉积薄膜的技术叫(溅射镀膜)。3中性原子在室温下的热运动能约为(0.026eV);4蒸发源蒸发出来的原子能量约(0.1eV)。5、溅射镀膜的特点正确的是:(A,B,C,D)A.任何物质均可以溅射，尤其是高溶点，低蒸气压的元素和化合物。B金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状都可以作为靶材。C溅射氧化物等绝缘材料和合金时可制得与靶材料相近的薄膜和组分均匀的合金膜、超导膜。D溅射膜与基板的附着性好；6.(沉积)和(刻蚀)是溅射过程的两种应用。7.靶材有(烧结)和(热压)两种。(热压靶材)含有大量的气体。(预溅射)可以使这些气体得到释放后被抽走。b.对一个纯金属靶来说，它的表面会有一层(氧化物)，要想获得纯金属膜，必须将这层氧化物去掉；c.对合金或化合物靶，也必须作(预溅射)，使靶面露出新材料。,2.荷能粒子 是指具有一定动能的电子、光子、重粒子（质子、中子、离子、原子）。如果它们以足够的能量与固体表面碰撞，但又不足以发生核反应，这时所发生的种种次级反应是近代真空技术感兴趣的内容。1）在可控热核反应真空空间，从等离子体内所逃逸的核能离子撞击器壁表面，产生气相杂质。严重地影响等离子体的浓度和温度。2）高能加速器交叉储存环要求良好的超高真空环境，然而，加速粒子对壁面的轰击脱附出气，会破坏已近达到的真空度；,3）重粒子对材料的溅射剥蚀是溅射粒子泵、溅射镀膜、离子刻蚀的基本工作依据；4）氩氧混合辉光放电、氩离子轰击是获得清洁表面的有效手段；5）电子轰击加热、电子轰击分解是电离规、电真空器件电极出气的重要方法之一。6）软X射线光电流、电子诱导脱附是影响电离规测量下限的因素。用这些粒子以及热、强电场为探针作用于固体表面，然后分析出射粒子的状况，已获得固体表面的丰富信息，这就是上个世纪七十年代发展起来的表面分析技术。,3.现代表面分析技术的手段：1）透射电子显微镜EM)和扫描电子显微镜（SEM)；2）声学成象和声显微镜(SAM)；3)扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜AFM)；4)X光衍射仪；5)低能电子衍射仪(LEED)；6)俄歇电子能谱(AES)；7)X射线光电子能谱(XPS)；8）二次离子质谱仪(SIMS)；9）卢瑟福背散射能谱分析(RBS)；10）沟道技术；11）热波检测和热波成象技术。,4.粒子的能量：1）中性原子在室温下的热运动能约为0.026eV;2）蒸发源蒸发出来的原子能量约0.1eV。3）对入射粒子能量小于30eV，只发生背散射、轻的溅射和原子位移。4）溅射出的原子能量在5-40eV,5）溅射时入射原子的能量一般在30-3000eV;6）离子镀中轰击离子的能量一般在50-5000eV。7）入射粒子能量在3104-106eV主要发生非弹性碰撞，高激发能级变得很普遍，电离作用明显，辐射探伤即在此区域。H,He原子的能量达105eV即发生核反应，对重粒子发生核反应的原子能量为106eV,对溅射镀膜一般用氩作入射离子，原因有:1)经济;2)可避免与靶材起化学反应。5.溅射的作用,在预溅射时，在靶面的正前方应有一个活动挡板挡住基片使其免遭污染。2）衬底的预处理 a.任何材料在装入真空室之前都要进行化学清洗或适当的除尘处理；b.在沉积膜之前，如果将基片接负电位，利用辉光放电，气体离子可对基片进行轰击实现溅射清洗：一可清除表面的吸附气体、各种污染物和氧化物；二可 除掉粘附力弱的淀积粒子；三可使其表面增加活性使沉积膜与基片之间的附着力增加。3）溅射的刻蚀作用 溅射可以实现微米、亚微米和纳米级的微细加工。a.溅射刻蚀：待刻蚀的样品作为阴极，辉光放电,产生的Ar+以高能量打到阴极晶片上，实现刻蚀。刻蚀时晶片必须水冷且对晶片冷却必须有效。磁头Ion milling刻蚀深度在50-200nm范围内。b.离子束刻蚀：有一个独立产生离子的离子源系统，产生的离子可以聚焦成细束，可以通过摆动和移动系统由计算机控制进行无掩膜的刻蚀。c.等离子刻蚀：是以化学反应为主兼有物理作用的刻蚀工艺。它是在溅射时通如活性气体，通常选用含有一种或多种卤族原子的分子气体用于等离子体腐蚀硅、硅化物和一些金属。如计算机磁头的加工，其基材主要是陶瓷材料Al2O3 TiC,采用RIE(活化离子刻蚀），通如Ar、CF4、C2F6等气体，与Al2O3TiC反应，即是以化学反应为主兼有物理刻蚀的工艺。,C.溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度高。它不存在真空蒸镀无法避免的坩埚污染现象。D.膜厚可控性和重复性好。放电电流和靶电流可分别控制。缺点：1）设备复杂，需高压装置。2）基板温度高，易受杂质影响。3）速率底。蒸镀为：0.15um/min,溅镀为：0.010.5/min.由于射频技术和磁控溅射技术的发展，在实现快速溅射和降低基板温度方面已获得了很大进步。,二、溅射的基本原理 要实现溅射镀膜，关键是要获得高能量的离子，高能量的离子从哪里来？溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是 建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。辉光放电分为 1）无光放电 2）汤森放电 3）辉光放电 4）非正常辉 光放电 5）弧光放电,V,Ar,+,-,Ar+,e,1）无光放电：宇宙射线在电场下加速形成极小的电流，中性分子开始电离，不发光。2）汤森放电：电压增加后，更多气体分子被电离，电流可在电压不变下增加。3）辉光放电：当电压继续增大后，电压突然降低，电流突然增大，气体被击穿，出现带有颜色的辉光。4）非正常辉光放电：电流增大，电压升高。,1.直流辉光放电,5）弧光放电：极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。由于正常辉光放电的电流密度仍比较小，所以溅射均在非正常辉光放电的区域进行。2.正常与异常辉光放电,a.阿斯顿暗区:由于从冷阴极发射的电子只有1eV，很少发生电离碰撞，所以在阴极附近形成阿斯顿暗区。,b.阴极辉光：加速电子碰撞气体分子，激发态的分子衰变与进入该区的离子复合造成的。c.克鲁斯克暗区：穿过阴极辉光区后不易复合，又出现一个暗区。,d.负辉光区：电子速度增大引起电离产生大量正离子，使电子与正离子复合几率增多产生明亮辉光。e.法拉第暗区：多数较大能量的电子丧失能量使其为暗区。f.正离子柱区域。经法拉力暗区后，形成电子与正离子密度相等的区域。再溅射过程中，基板常处于负辉光区。、,3.辉光放电阴极附近的分子状态 与溅射有关的重要问题有两个：一是在克鲁斯克暗区周围所形成的正离子冲击阴极；二是当两极板间的电压不变而改变两极间的距离时，主要发生变化的是由等离子体构成的阳极光柱部分的长度，而由阴极到负辉光区的距离是几乎不改变的。因而是由辉光放电产生的正离子撞击阴极，把阴极原子溅射出来，这就是一般的溅射法。,阴极与阳极间的距离至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。4.低频交流辉光放电 因其频率低于50kHz，离子有足够的活动性和充分的时间在每个半周期内建立直流辉光放电，只是两个电极交替成为阴极和阳极。5.射频辉光放电 在一定的气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。两个重要特征：1）在辉光放电空间产生的电子获得了足够的能量，足以产生碰撞电离；2）电极并不需要是导体，因而可以溅射包括介质材料在内的任何材料。,6、溅射过程 1）溅射过程：入射离子与靶材碰撞，使其获得的能量超过其结合能使靶原子溅射。2）溅射离子的迁移过程：入射离子轰击被 镀材料后会产生电子发射、离子发射、中性原子或分子发 射、辐射溅射、气体解气、背反射、注入、扩散、加热等现象。靶材受到轰击所以逸出的粒子中，正离子由于反向电场的作用不能到达基片，其余的离子均会向基片迁移。,3）溅射离子成膜的相关问题：（1）淀积速率：是指从靶材上溅射出来的物质，在单位时间内淀积到基片上的厚度。（2）淀积薄膜的纯度：真空室的残余气体是影响薄膜纯度的主要因素。解决的方法是：a.提高真空室的真空度（10-310-1Pa较合适）。b.增加送氩量。（3）淀积过程中的污染 a.真空室壁和其它零件可能有吸附气体、水气和二氧化碳。淀积时冷却；在抽气过程中进行高温烘烤。b.扩散泵的油回流。加阻尼器；用高真空阀门为节气阀；用阻尼器+涡轮分子泵代替扩散泵。c.基片表面的颗粒。淀积前对基片进行彻底清洗。,（4）成膜过程中的溅射条件控制 a.应选择溅射率高、对靶材呈惰性、价廉、高纯的溅射气体。b.应注意溅射电压和基片电位对薄膜特性的严重影响。c.基片温度直接影响膜层的生长及特性。d.靶材中杂质和表面氧化物等不纯物质是污染薄膜的重要因素。在溅射之前对靶进行预溅射是使靶表面净化的有效手段。e.电场、磁场、气氛、靶材、基片、温度、几何结构、真空度等的影响也不可忽视。,7.溅射机理 1）热蒸发理论 2）动量转移理论 低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是靶动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的连锁式碰撞，如果某个原子得到的能量大于原子的结合能，就会从固体表面被溅射出来。,8.溅射特性：溅射阈值：指靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。溅射率：平均每个正离子能从阴极打出的原子数。溅射率与哪些因素有关？（1）靶材料：随靶材原子序数增大而增大。（2）入射离子能量：溅射原子的能量：一般为500-5000eV，原子量越大，溅射率越高。（3）入射离子种类：原子量越大，则溅射率越高。（4）入射离子角度：（5）靶材温度：主要与靶材的升华能相关的某温度值有关。,9.溅射原子的能量和速度的特点：1）重元素靶材有较高的逸出能量，轻元素靶材则有较高的逸出速度。2）溅射率较高的靶材通常有较低的平均原子逸出能量。3）原子逸出能量随入射离子质量线性增加。4）原子逸出能量随入射离子能量增大而增大，达1keV时平均逸出能量逐渐趋于恒定值。5）在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量。靶材的结晶趋向与晶体结构对逸出能量影响不大。,10.溅射原子的角度分布：热峰蒸发理论认为：溅射原子角度分布符合余弦定律，与入射离子方向无关，但是：1）低能离子轰击时逸出原子的分布不遵从余弦分布规律；2）垂直于靶表面方向逸出的原子数少于按余弦分布时应有的逸出数。3）对不同的把材，角分布与余弦分布的偏差也不相同；4）溅射原子的逸出方向与晶格结构有关。5）单晶靶材可观察到溅射原子明显的择优取向；而多晶固体显示一种余弦分布。,五、溅射镀膜的类型 1.二极溅射 被溅射的靶和成膜的基板及其固定架构成了溅射的两个极即二极溅射。靶材必须是导体。特点：1）结构简单；2）可大面积制得均匀薄膜；3）放电电流随压强和电压的变化而变化。缺点：1）溅射参数不易独立控制，工艺重复性差。2）薄膜纯度较差；3）基片温升高，淀积速率低；4）靶材必须是良导体。,2.三极或四极溅射 它是在二级溅射的基础上附加一个热阴极及稳定极，提高了参数的可控性和工艺重复性。可实现低气压，低电压溅射。可控制靶电流，也可进行射频溅射。缺点：1.基板的温升较高；2.灯丝寿命短；膜层有污染现象。3.不适于反应镀膜。,3.偏压溅射 它与二极溅射的区别在于基片上施加一固定直流偏压，0-500V内使基片对阳极处于正或负电位：1）镀膜时随时清除可能进入薄膜表面的气体，有利于提高薄膜纯度；2）可除掉粘附力弱的淀积粒子；3）淀积前可对基片进行轰击清洗，使表面净化，从而提高了薄膜的附着力。,4.射频溅射 利用射频辉光放电产生溅射所需正离子。对射频电压，上半周电子可以飞向靶表面中和正电荷实现绝缘材料的溅射，并在靶面迅速积累大量电子呈负电位，导致在射频电压的正半周时也引起离子轰击靶材。用途：适合作绝缘膜，半导体膜，如SiO2,Al2O3玻璃膜等，也可溅射金属膜。,5.磁控溅射 电子e在电场E作用下，在飞向基板的过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，是靶材发生溅射。磁场与电场正交，并与阴极表面平行，通过磁场束缚和延长电子的运动轨迹来提高离化率，减少电子与基板的轰击，实现低温高速溅射。,磁控溅射源主要有三种：1）柱状磁控溅射源：适于制作大面积溅射膜，在工业上应用较广泛。2）平面磁控溅射源：圆形的可以制成小靶，矩形的可以制成大靶。其结构简单，造价低，通用性强，应用最广。3）溅射枪：其结构较复杂，一般配行星式夹具使用。特点：靶材利用率高；膜厚分部均匀；靶功率密度大；易于更换靶材。,6.对象靶溅射：两个靶对象放置，阳极放置在靶面垂直部位，和磁场一起起到约束等离子体的作用。电子在向阳极运动过程中受磁场的作用，两靶上有较高负偏压，部分电子几乎沿直线运动，到对面靶的阴极区被减速，然后又反方向加速运动。对象靶溅射具有溅射速率高，基板温度低，可淀积磁性薄膜等优点。,7.反应溅射:反应溅射中产生一股强大的又在能游离原子团组成的离子流伴随作溅射出来的靶原子从阴极靶流向基片，在基片上克服与薄膜生长有关的激活能且形成化合物。它是在氩气中加入适量活性反应气体如O2、N2等可获得新的化合物薄膜，如：氧化物（Al2O3），氮化物（TiN），碳化物(TiC)，硅化物（SiO2)等。在很多情况下，只要简单地改变溅射时反应气体与惰性气体的比例，就可改变薄膜的性质。,8.离子束溅射（又称粒子束沉积）由大口径离子束发生源引出惰性气体离子（Ar+Xe+等），使其照射在靶上产生溅射作用，利用溅射出的离子淀积在基片上制得薄膜。优点：1）气体杂质少，纯度较高；2）基片的温升低；3）可对制膜条件进行独立严格控制，重复性好；4）适于镀多成分薄膜；5）各种粉末、介质材料，金属材料和化合物材料均可溅射。溅射镀膜共有11种方式。,9.溅射方法的比较 9.1二极溅射：构造简单，可大面积镀制均匀薄膜，放电电流随压强和电压的改变而变化。,9.2三极或四极溅射 可实现低气压，低电压溅射，可独立控制放电电流和轰击靶的离子能量。可控制靶电流，也可实现射频溅射。,9.3 磁控溅射（高速低温溅射）在于靶表面平行的方向系加磁场，利用电场与磁场正交的磁控管原理，减少电子对基板的轰击，实现高速低温溅射。9.4 对象靶溅射 两个靶对向放置，在垂直于靶的表面方向加磁场，可以对磁性材料等进行高速低温溅射。,9.5 射频溅射 为制取绝缘薄膜，如SiO2Al2O3玻璃薄膜等而研制，也可溅射金属。9.6反应溅射 在氩其中混入适量活性气体如O2、N2等，制作阴极物质的化合物薄膜，如TiN、SiC、AlN、Al2O3等。9.7偏压溅射 镀膜过程中同时清除基片上轻质量的带电粒子，从而使基片中不含有不纯气体（H2O、N2等）。,9.8 非对称交流溅射 在振幅大的半周期内对靶进行溅射，在振幅小的半周期内对堆基片进行离子轰击，清除吸附的气体，以获得高纯度薄膜。9.9离子束溅射 在高真空下，利用离子束溅射镀膜，是非等离子体状态下的成膜过程。靶接地电位也可。,9.10 吸气溅射 利用对溅射粒子的吸气作用，除去不纯气体，能获得高纯度薄膜。10.溅射膜厚的均匀性 膜厚均匀性是衡量膜厚质量和镀膜装置性能的一个重要指标。提高膜厚均匀的方法：1）优化靶材与基板的距离；2）改变基片的运动方式；3）增加挡板机构；4）实施膜厚监控。,四、相关外包廠真空鍍膜情况简介 相关外包廠较多，这里仅选几家典型的作一介绍。第一家：1.拥有法国、美国、德国制造的装饰性功能的镀膜机；2.多真空室连续箱式镀膜机；3.光学双旋转磁控反应溅射镀膜机；主要应用于钟表、首饰、眼镜、刀具、手机外壳、面板、玻璃等的真空镀膜。第二家：1.一条立式溅射镀膜连续自动生产线；2.一条卧式溅射镀膜连续自动生产线；3.一条大型卧式溅射镀膜连续自动生产线；4.另有一检测实验室，可进进行膜厚测试，盐雾测试，高低温测试等检测手段。,该厂既可进行装饰性的外观镀膜，也可进行功能性镀膜，如抗电磁辐射干扰的金属膜（EMI)，为诺基亚指定厂商。第三家 1.热蒸镀机；2.电子束蒸镀机；3.两条低温连续式真空溅射镀膜机；4.一条卷杨式溅镀机。可进行各种计算机按钮按键、手机外壳、面板等的镀膜。另外还由一些真空镀膜厂商，这里不在一一介绍。五、案例分析 富士康有许多需要真空镀膜的产品，我们表面技术处经常被要求解决各事业处遇到的各种真空镀膜问题，下面举几个例子作一简要分析：,1.手机外壳真空镀膜的白点问题 8910手机可真空溅射镀膜厚表面出现白点，为解决这一问题，我们对清洗和镀膜制程进行了调查：三氯乙烯超声波 三氯乙烯 硫酸浸 冷水喷淋 氨水中和 冷水喷淋 除蜡水振,除蜡水,DI水喷淋,DI水振I,DI水振II,DI水振III,IPA振,烘干,真空镀膜流程：对要求比较高的真空镀膜产品来说，镀膜前的清洗工序非常重要。清洗不干净就不可能镀除高质量的薄膜。为解决清洗问题，我们在超声波清洗前加了一个手工刷洗工序，但效果不明显，这是因为刷子上的毛的直径约为0.3mm,而附着在机壳表面的尘埃直径在um级以下，这有如大象要去攻击一只蚂蚁很难有效。为充分利用现有设备，减少设备的投入和制程的变更，最后采用重复进自动线清洗的办法效果明显。,进炉,Ar+轰击,预热,镀Ti,镀TiN,镀TiC,出炉,右图为富士康一注塑成形的手机壳，为防电磁波辐射，外包厂在其内表面镀了一层EMI金属膜，Cu+不锈钢（Stainless steel）.最近Q37专案的导风板Waveguid零件也曾尝试用真空镀膜来解决EMI的问题。外包厂 用低温等离子体溅射镀膜来满足客户的要求。,2.EMI真空镀膜问题,3.真空溅射镀膜螺钉头起泡问题 今年3月9、10号，MPE发现真空镀 EMI后手机壳的螺钉头表面膜层起泡。我们分析的原因是有的螺钉头表面比正常螺钉粗糙，易储存脏物、锈蚀，导致镀膜时等离子体局部打火、过热，膜层受热不均而产生气泡。解决方法是：1）增加来料表面状况的检验；2）加强镀膜前的表面清洗。,4.镀光学反射膜的问题 最近接到两个案子，一个是鸿准给国内的一家手机厂作的手机面板，另一个是MPE作的一个手机面板，均要求在面板上镀一层光学反射膜，希望反射镜面均匀，无针孔，无杂质、附着力好。在可见光波段，反射率最高的金属反射膜是Ag,但Ag易硫化产生产晦暗，所以一般镀Al作反射膜，保护膜可用SiO2、Al2O3、MgF2等。大多数外包厂镀的膜附着力通不过测试，只有少数厂达要求。,