真空濺鍍原理
真空濺鍍原理 濺鍍的原理如圖 [pic] 主要主要利用輝光放電(glow discharge)將氬氣(Ar)離子撞擊靶材(target)表面, 靶材的原子被彈出而堆積在基板表面形成薄膜。濺鍍薄膜的性質(zhì)、均勻度都比蒸鍍薄膜 來的好,但是鍍膜速度卻比蒸鍍慢很多。新型的濺鍍設(shè)備幾乎都使用強力磁鐵將電子成螺 旋狀運動以加速靶材周圍的氬氣離子化, 造成靶與氬氣離子間的撞擊機率增加, 提高濺鍍速率。一般金屬鍍膜大都采用直流濺鍍,而不導電的陶磁材料則使用RF交流濺鍍 ,基本的原理是在真空中利用輝光放電(glow discharge)將氬氣(Ar)離子撞擊靶材(target)表面，電漿中的陽離子會加速沖向作為被 濺鍍材的負電極表面，這個沖擊將使靶材的物質(zhì)飛出而沉積在基板上形成薄膜。 一般來說，利用濺鍍制程進行薄膜披覆有幾項特點：(1)金屬、合金或絕緣物均可做成薄 膜材料。(2)再適當?shù)脑O(shè)定條件下可將多元復雜的靶材制作出同一組成的薄膜。(3)利用 放電氣氛中加入氧或其它的活性氣體，可以制作靶材物質(zhì)與氣體分子的混合物或化合物 。(4)靶材輸入電流及濺射時間可以控制，容易得到高精度的膜厚。(5)較其它制程利于 生產(chǎn)大面積的均一薄膜。 (6)濺射粒子幾不受重力影響，靶材與基板位置可自由安排。(7)基板與膜的附著強度是 一般蒸鍍膜的10倍以上，且由于濺射粒子帶有高能量，在成膜面會繼續(xù)表面擴散而得到 硬且致密的薄膜，同時此高能量使基板只要較低的溫度即可得到結(jié)晶膜。(8)薄膜形成初 期成核密度高，可生產(chǎn)10nm以下的極薄連續(xù)膜。(9)靶材的壽命長，可長時間自動化連續(xù) 生產(chǎn)。(10)靶材可制作成各種形狀，配合機臺的特殊設(shè)計做更好的控制及最有效率的生 產(chǎn)。 一、DC Sputtering原理：(適合導體材料的濺鍍) [pic] 在真空濺鍍艙中，打入Ar，電極加數(shù)KV的直流電，因而產(chǎn)生輝光放電。 輝光放電將產(chǎn)生Ar( [pic])電漿，電漿中 [pic]因陰極電位降而加速(陰極帶負電荷)，沖撞target表面，使target表面粒子 濺射，濺射粒子沉積于substrate上，形成薄膜。 如何計算到substrate的濺射粒子數(shù)目呢?假設(shè)濺射到substrate的濺鍍粒子 總量Q，則 [pic]， [pic]: 常數(shù)， [pic]: target 的蒸發(fā)總量，P: 濺鍍用氣體壓力，d: target到substrate的距離。 [pic]， [pic]:target離子電流，e:電子電荷量，s:濺鍍速率，A:濺鍍物原子量，N : [pic]。 一般來說，濺鍍時的放電電流 [pic]， [pic]為放電壓，所以 [pic]， [pic]取決于target。 [pic] 所以濺鍍于substrate的量正比于濺鍍裝置消耗電力( [pic])，反比于氣體壓力及target到substrate的距離。 二、RF Sputtering原理：(適合所有固體材料之濺鍍) [pic] 如果　target為絕緣體，則由于target表面帶正電位(target接負電(陰極))，因而 造成靶材表面與陽極的電位差消失，不會持續(xù)放電，無法產(chǎn)生輝光放電效應(yīng)，所以 若將直流供電改為RF電源，則絕緣體的target亦可維持輝光放電。 接RF電源后，電漿中電子移動度將大于離子移動度，target表面累積過剩電子，t arget表面直流偏壓為負電位，如此即可濺鍍。 為使電力充分導入放電，在高周波電源及電極間插入阻抗匹配電路。阻抗匹配電路 與target電極間串聯(lián)電容器，絕緣體target也會激起負電位偏壓。此負電位約在高 周波濺鍍施加電壓的峰值(實效值的 [pic]倍)。 Target在水冷時同時施加RF高電壓，所以水冷配管要使用teflon等絕緣物，并用電 阻高的冷卻水，放電阻抗一般為1~10 [pic]，以將匹配電路整合成電源的50 [pic]。 假設(shè)濺鍍裝置流入target電流密度為 [pic] [pic] C: 電漿與target間的靜電容量， [pic]為target表面電位對時間的變化量。 Note: RF的頻率不可過高，否則會不易對target供給電力。 [pic]增加的話，則越容易產(chǎn)生濺鍍。(也就是說在越短的時間內(nèi)表面 負電位增加越多的話，越容易濺鍍，所以在RF供電頻率容許范圍內(nèi)， 增加RF頻旅可增加成膜率) 三、濺鍍注意事項： 3.1 濺鍍時若欲增加成膜率，以提高cycle time，通常以加大濺鍍電壓或降低Ar流量(減少Ar壓力)行之，但Ar流量若過低將產(chǎn)生無 法形成輝光放電的危險，故最好還是以調(diào)整濺鍍功率及電壓為準。 3.2 當靶材變薄后，由于靶與透明片距離增加，所以成膜率將減少，請適時調(diào)整成膜率。 3.3 當僅濺鍍一種材質(zhì)的靶材時，請盡量降低透明片的溫度以使濺鍍粒子打到透明片上不致 得到過多能量，因而破壞鍵結(jié)，又反彈回去(適用于CD、DVD)。但在鍍多層膜時，鍍第二 層以上時即需提高溫度以使濺鍍面溫度與盡量與濺鍍粒子溫度接近，增加界面間的平整 性(適用于CD-RW、DVD-RAM)。 3.4 Ar流量過高會造成濺鍍面粗糙或是孔洞增加，故請千萬要適量。 真空濺鍍機真空系統(tǒng)常見故障及排除分析 一、真空濺鍍機原理 真空鍍膜是借助高能粒子轟擊所產(chǎn)生的動量交換，把鍍膜材料的原子從固體（靶） 表面撞出并放射出來。放在靶前面的基材攔截濺射出來的原子流，后者凝聚并形成鍍層 。轟擊粒子一般是重惰性氣體離子，最常用的是氬。鍍層物質(zhì)變成蒸氣相是通過一原子 規(guī)模的機械過程（動量交換）需在真空倉內(nèi)的均勻磁電場內(nèi)實現(xiàn)，通常采用直流放電， 它不是化學過程或熱過程，而且裝置中的磁性區(qū)域可防止等離子體與基材接觸，因此對 基材幾乎沒有熱形響。適合應(yīng)用于產(chǎn)生光學反射擊鍍層，通常濺鍍室內(nèi)真空鍍達到3×10 -3~3×10-5 bar才可使系統(tǒng)正常工作。 二、常用光盤反射層濺涂機 在現(xiàn)今光盤生產(chǎn)線中應(yīng)用最為廣泛的鍍層濺渡機，有balzers（德國）公司及singu lus（瑞士）公司所生產(chǎn)。兩者區(qū)別在于承載基材的托盤座一個是相互成空間90°，另一 是在同一平面上，因此其轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及排氣方式都有所不同。 三、常見真空系統(tǒng)故障及分析、排除方式 因濺涂需在真空倉內(nèi)實現(xiàn)，因此真空倉內(nèi)真空度保持尤為重要。真空系統(tǒng)包括真空 倉，初級、前級真空泵、分子泵，旁路閥及排氣、抽氣閥、真空檢測探頭等。以下是常 見故障分析及排除方法。 |現(xiàn)象 現(xiàn)象 |可能原因 |解決辦法 | |前級真空度達不到 |① 同上①與④ |① 同上①與④ | | |② 前級真空探頭有油 |② 清潔之 | | |③ 前級真空閥無打開 |③ | | | |檢查旁路閥及壓縮氣體供應(yīng) | |初級真空倉內(nèi)達不到要求的真空|① 真空倉門未關(guān)好 |① 關(guān)好真空倉門并啟動 | |度 |② 旁通閥沒有打開 |② 檢查控制系統(tǒng)及壓縮氣 | | |③ 真空倉門的密封圈泄 |③ | | |漏或被弄臟 |檢查密封圈，必要時清潔或更| | |④ 初級泵油位太低或油 |換之 | | |內(nèi)有雜質(zhì) |④ 加油或換油 | | |⑤ 系統(tǒng)含排水 |⑤ | | |⑥ 前級真空檢測頭被弄 |排水，檢查有否漏水，更換相| | |臟 |關(guān)密封件 | | |⑦ 無壓縮氣 |⑥ 清潔真空檢測頭 | | | |⑦ 檢查氣體供應(yīng) | |最高級真空達不到 |真空倉門密封不良 |關(guān)好密封門 | | |進氣閥打開 |檢查24V電路及閥芯是否漏氣 | | |系統(tǒng)內(nèi)含水 |，必要時更換氣閥 | | |在托盤轉(zhuǎn)換期間有少許減 |查泄漏來源更換密封件，如軸| | |弱 |封等。 | | |分子泵不工作 |做一個泄漏測試，必須時更換| | |真空泵溫度過高 |氣彈簧及相關(guān)氣閥。 | | |真空探頭檢測不準確 |檢查水流量及電源 | | | |檢查水冷系統(tǒng) | | | |清潔真空檢測探頭。 | 四、故障實例的分析與排除 1、現(xiàn)象：在抽真空時總達不到要求的真空度（如應(yīng)達到3.0×10-4bar；但檢測結(jié)果 總在5.0×10-4bar處停留，檢查各級真空泵均無問題，且沒有任何泄漏現(xiàn)象，并且通常是 系統(tǒng)更換陰級罩后，重啟動時發(fā)生。 2、分析：真空泵，既無異樣，又無泄漏，應(yīng)檢查真空探頭，因在生產(chǎn)過程中，鋁粉 沉積在真空倉內(nèi)會弄臟真空探頭，令其檢測結(jié)果與實際值有差別。 3、解決辦法：令系統(tǒng)在不工作狀態(tài)，小心拆下真空探頭，用專用工具拆下鎢絲清潔 ，重裝后OK。 真空技術(shù)在信息薄膜加工中的應(yīng)用 近半個世紀的歷史表明,電子學器件的發(fā)展對人類社會起了很大的推動作用,每一種新 的電子器件出現(xiàn)都對科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展起了積極的促進作用。電子管的誕生是真空 科學技術(shù)充分發(fā)展的結(jié)果。微電子器件的發(fā)展是基于材料的超純和微細加工高精技術(shù)的 提高,其中很多加工過程都與真空技術(shù)有關(guān)。微電子器件是現(xiàn)代高速計算機和個人計算機 的基礎(chǔ),當今在某些發(fā)達國家,微電子和計算機工業(yè)已經(jīng)超過了能源、材料、交通和鋼鐵 工業(yè)而占國民經(jīng)濟產(chǎn)值的第一位。在電子工業(yè)和計算機工業(yè)的發(fā)展中,真空科學與技術(shù)做 出了重要貢獻。 未來的家電中將主要為新的四大件:具有多媒體的彩電、計算機和音響組合體的多功能信 息系統(tǒng);具有真空冷凍和真空保鮮功能的電冰箱;具有真空脫水功能的洗衣機以及具有監(jiān) 控室內(nèi)空氣新鮮程度的空調(diào)器。這些家用電器中,有的直接應(yīng)用真空技術(shù),有的間接利用 真空技術(shù)得到的加工成果。因為不論是計算機,還是各種自動化電器,它們的基礎(chǔ)是微電 子器件。其中最重要的是在規(guī)模集成電路?，F(xiàn)今提起微電子器件幾乎是家喻戶曉,老幼皆 知,因為它在現(xiàn)今人類社會的生產(chǎn)和生活中的作用是任何其它工業(yè)產(chǎn)品不能與之相比的。 微電子器件的發(fā)展,將推動人類社會更快地進步。微電子器件的發(fā)展趨勢是大規(guī)模集成電 路,集成度越來越高,也就是芯片上的功能元件尺寸越來越小。其規(guī)律是莫爾（Moore）定 律所描述的,每18個月同樣大小芯片上的元件數(shù)增加一倍。過去20年是這樣,電子學家預 言,未來的15年仍是這樣。莫爾定律講的是硅片上的元件密度,這是描述大規(guī)模集成電路 進行信息加工能力的參量,按照IBM公司1994年發(fā)表的特殊報告講到的關(guān)于奇妙的芯片:元 件的尺寸越小,芯片的功能越大。信息存儲密度106bit／cm2，可存下一篇30頁論文;108 bit／cm2,能存300頁的書10本;1010bit／cm2,存1000本書;1012bit／cm2,存10萬本書,對 于一塊3.5＂磁盤可存入500萬本書是可能的。這幾乎是我國目前省級圖書館的全部藏書 。由這個估算可見存儲密度的提高,其芯片的功能是極其驚人的。這只是量變的推算,應(yīng) 該考慮到量變到質(zhì)變產(chǎn)生的功能飛躍。1012bit／cm2稱為超高密度信息存儲,主要是數(shù)字 0和1的存儲,安是納米電子學的基礎(chǔ)。每個信息存儲點的尺寸小于10nm,它含有的原子數(shù) 有限。作為功能點與傳統(tǒng)的元件相比,它的特征是體積更?。?br /> 真空濺鍍原理