真空溅镀原理
真空溅镀原理 溅镀的原理如图 [pic] 主要主要利用辉光放电(glow discharge)将氩气(Ar)离子撞击靶材(target)表面, 靶材的原子被弹出而堆积在基板表面形成薄膜。溅镀薄膜的性质、均匀度都比蒸镀薄膜 来的好,但是镀膜速度却比蒸镀慢很多。新型的溅镀设备几乎都使用强力磁铁将电子成螺 旋状运动以加速靶材周围的氩气离子化, 造成靶与氩气离子间的撞击机率增加, 提高溅镀速率。一般金属镀膜大都采用直流溅镀,而不导电的陶磁材料则使用RF交流溅镀 ,基本的原理是在真空中利用辉光放电(glow discharge)将氩气(Ar)离子撞击靶材(target)表面，电浆中的阳离子会加速冲向作为被 溅镀材的负电极表面，这个冲击将使靶材的物质飞出而沉积在基板上形成薄膜。 一般来说，利用溅镀制程进行薄膜披覆有几项特点：(1)金属、合金或绝缘物均可做成薄 膜材料。(2)再适当的设定条件下可将多元复杂的靶材制作出同一组成的薄膜。(3)利用 放电气氛中加入氧或其它的活性气体，可以制作靶材物质与气体分子的混合物或化合物 。(4)靶材输入电流及溅射时间可以控制，容易得到高精度的膜厚。(5)较其它制程利于 生产大面积的均一薄膜。 (6)溅射粒子几不受重力影响，靶材与基板位置可自由安排。(7)基板与膜的附着强度是 一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续表面扩散而得到 硬且致密的薄膜，同时此高能量使基板只要较低的温度即可得到结晶膜。(8)薄膜形成初 期成核密度高，可生产10nm以下的极薄连续膜。(9)靶材的寿命长，可长时间自动化连续 生产。(10)靶材可制作成各种形状，配合机台的特殊设计做更好的控制及最有效率的生 产。 一、DC Sputtering原理：(适合导体材料的溅镀) [pic] 在真空溅镀舱中，打入Ar，电极加数KV的直流电，因而产生辉光放电。 辉光放电将产生Ar( [pic])电浆，电浆中 [pic]因阴极电位降而加速(阴极带负电荷)，冲撞target表面，使target表面粒子 溅射，溅射粒子沉积于substrate上，形成薄膜。 如何计算到substrate的溅射粒子数目呢?假设溅射到substrate的溅镀粒子 总量Q，则 [pic]， [pic]: 常数， [pic]: target 的蒸发总量，P: 溅镀用气体压力，d: target到substrate的距离。 [pic]， [pic]:target离子电流，e:电子电荷量，s:溅镀速率，A:溅镀物原子量，N : [pic]。 一般来说，溅镀时的放电电流 [pic]， [pic]为放电压，所以 [pic]， [pic]取决于target。 [pic] 所以溅镀于substrate的量正比于溅镀装置消耗电力( [pic])，反比于气体压力及target到substrate的距离。 二、RF Sputtering原理：(适合所有固体材料之溅镀) [pic] 如果　target为绝缘体，则由于target表面带正电位(target接负电(阴极))，因而 造成靶材表面与阳极的电位差消失，不会持续放电，无法产生辉光放电效应，所以 若将直流供电改为RF电源，则绝缘体的target亦可维持辉光放电。 接RF电源后，电浆中电子移动度将大于离子移动度，target表面累积过剩电子，t arget表面直流偏压为负电位，如此即可溅镀。 为使电力充分导入放电，在高周波电源及电极间插入阻抗匹配电路。阻抗匹配电路 与target电极间串联电容器，绝缘体target也会激起负电位偏压。此负电位约在高 周波溅镀施加电压的峰值(实效值的 [pic]倍)。 Target在水冷时同时施加RF高电压，所以水冷配管要使用teflon等绝缘物，并用电 阻高的冷却水，放电阻抗一般为1~10 [pic]，以将匹配电路整合成电源的50 [pic]。 假设溅镀装置流入target电流密度为 [pic] [pic] C: 电浆与target间的静电容量， [pic]为target表面电位对时间的变化量。 Note: RF的频率不可过高，否则会不易对target供给电力。 [pic]增加的话，则越容易产生溅镀。(也就是说在越短的时间内表面 负电位增加越多的话，越容易溅镀，所以在RF供电频率容许范围内， 增加RF频旅可增加成膜率) 三、溅镀注意事项： 3.1 溅镀时若欲增加成膜率，以提高cycle time，通常以加大溅镀电压或降低Ar流量(减少Ar压力)行之，但Ar流量若过低将产生无 法形成辉光放电的危险，故最好还是以调整溅镀功率及电压为准。 3.2 当靶材变薄后，由于靶与透明片距离增加，所以成膜率将减少，请适时调整成膜率。 3.3 当仅溅镀一种材质的靶材时，请尽量降低透明片的温度以使溅镀粒子打到透明片上不致 得到过多能量，因而破坏键结，又反弹回去(适用于CD、DVD)。但在镀多层膜时，镀第二 层以上时即需提高温度以使溅镀面温度与尽量与溅镀粒子温度接近，增加界面间的平整 性(适用于CD-RW、DVD-RAM)。 3.4 Ar流量过高会造成溅镀面粗糙或是孔洞增加，故请千万要适量。 真空溅镀机真空系统常见故障及排除分析 一、真空溅镀机原理 真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换，把镀膜材料的原子从固体（靶） 表面撞出并放射出来。放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流，后者凝聚并形成镀层 。轰击粒子一般是重惰性气体离子，最常用的是氩。镀层物质变成蒸气相是通过一原子 规模的机械过程（动量交换）需在真空仓内的均匀磁电场内实现，通常采用直流放电， 它不是化学过程或热过程，而且装置中的磁性区域可防止等离子体与基材接触，因此对 基材几乎没有热形响。适合应用于产生光学反射击镀层，通常溅镀室内真空镀达到3×10 -3~3×10-5 bar才可使系统正常工作。 二、常用光盘反射层溅涂机 在现今光盘生产线中应用最为广泛的镀层溅渡机，有balzers（德国）公司及singu lus（瑞士）公司所生产。两者区别在于承载基材的托盘座一个是相互成空间90°，另一 是在同一平面上，因此其转换结构及排气方式都有所不同。 三、常见真空系统故障及分析、排除方式 因溅涂需在真空仓内实现，因此真空仓内真空度保持尤为重要。真空系统包括真空 仓，初级、前级真空泵、分子泵，旁路阀及排气、抽气阀、真空检测探头等。以下是常 见故障分析及排除方法。 |现象 现象 |可能原因 |解决办法 | |前级真空度达不到 |① 同上①与④ |① 同上①与④ | | |② 前级真空探头有油 |② 清洁之 | | |③ 前级真空阀无打开 |③ | | | |检查旁路阀及压缩气体供应 | |初级真空仓内达不到要求的真空|① 真空仓门未关好 |① 关好真空仓门并启动 | |度 |② 旁通阀没有打开 |② 检查控制系统及压缩气 | | |③ 真空仓门的密封圈泄 |③ | | |漏或被弄脏 |检查密封圈，必要时清洁或更| | |④ 初级泵油位太低或油 |换之 | | |内有杂质 |④ 加油或换油 | | |⑤ 系统含排水 |⑤ | | |⑥ 前级真空检测头被弄 |排水，检查有否漏水，更换相| | |脏 |关密封件 | | |⑦ 无压缩气 |⑥ 清洁真空检测头 | | | |⑦ 检查气体供应 | |最高级真空达不到 |真空仓门密封不良 |关好密封门 | | |进气阀打开 |检查24V电路及阀芯是否漏气 | | |系统内含水 |，必要时更换气阀 | | |在托盘转换期间有少许减 |查泄漏来源更换密封件，如轴| | |弱 |封等。 | | |分子泵不工作 |做一个泄漏测试，必须时更换| | |真空泵温度过高 |气弹簧及相关气阀。 | | |真空探头检测不准确 |检查水流量及电源 | | | |检查水冷系统 | | | |清洁真空检测探头。 | 四、故障实例的分析与排除 1、现象：在抽真空时总达不到要求的真空度（如应达到3.0×10-4bar；但检测结果 总在5.0×10-4bar处停留，检查各级真空泵均无问题，且没有任何泄漏现象，并且通常是 系统更换阴级罩后，重启动时发生。 2、分析：真空泵，既无异样，又无泄漏，应检查真空探头，因在生产过程中，铝粉 沉积在真空仓内会弄脏真空探头，令其检测结果与实际值有差别。 3、解决办法：令系统在不工作状态，小心拆下真空探头，用专用工具拆下钨丝清洁 ，重装后OK。 真空技术在信息薄膜加工中的应用 近半个世纪的历史表明,电子学器件的发展对人类社会起了很大的推动作用,每一种新 的电子器件出现都对科学技术和生产的发展起了积极的促进作用。电子管的诞生是真空 科学技术充分发展的结果。微电子器件的发展是基于材料的超纯和微细加工高精技术的 提高,其中很多加工过程都与真空技术有关。微电子器件是现代高速计算机和个人计算机 的基础,当今在某些发达国家,微电子和计算机工业已经超过了能源、材料、交通和钢铁 工业而占国民经济产值的第一位。在电子工业和计算机工业的发展中,真空科学与技术做 出了重要贡献。 未来的家电中将主要为新的四大件:具有多媒体的彩电、计算机和音响组合体的多功能信 息系统;具有真空冷冻和真空保鲜功能的电冰箱;具有真空脱水功能的洗衣机以及具有监 控室内空气新鲜程度的空调器。这些家用电器中,有的直接应用真空技术,有的间接利用 真空技术得到的加工成果。因为不论是计算机,还是各种自动化电器,它们的基础是微电 子器件。其中最重要的是在规模集成电路。现今提起微电子器件几乎是家喻户晓,老幼皆 知,因为它在现今人类社会的生产和生活中的作用是任何其它工业产品不能与之相比的。 微电子器件的发展,将推动人类社会更快地进步。微电子器件的发展趋势是大规模集成电 路,集成度越来越高,也就是芯片上的功能元件尺寸越来越小。其规律是莫尔（Moore）定 律所描述的,每18个月同样大小芯片上的元件数增加一倍。过去20年是这样,电子学家预 言,未来的15年仍是这样。莫尔定律讲的是硅片上的元件密度,这是描述大规模集成电路 进行信息加工能力的参量,按照IBM公司1994年发表的特殊报告讲到的关于奇妙的芯片:元 件的尺寸越小,芯片的功能越大。信息存储密度106bit／cm2，可存下一篇30页论文;108 bit／cm2,能存300页的书10本;1010bit／cm2,存1000本书;1012bit／cm2,存10万本书,对 于一块3.5＂磁盘可存入500万本书是可能的。这几乎是我国目前省级图书馆的全部藏书 。由这个估算可见存储密度的提高,其芯片的功能是极其惊人的。这只是量变的推算,应 该考虑到量变到质变产生的功能飞跃。1012bit／cm2称为超高密度信息存储,主要是数字 0和1的存储,安是纳米电子学的基础。每个信息存储点的尺寸小于10nm,它含有的原子数 有限。作为功能点与传统的元件相比,它的特征是体积更小（
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