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
磁控溅射镀膜原理及工艺 摘要：真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术，在现实生产生活中有着广泛的应用。真空镀膜技术有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。这里主要讲一下由溅射镀 膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。 关键词：溅射；溅射变量；工作气压；沉积率。 绪论 溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用二极溅射设备如右图。 通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定在阴 极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶一定距 离。系统抽至高真空后充入（10～1）帕的气体（通 常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极 间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作 用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶 面逸出的靶原子称为溅射原子，其能量在1至几十 电子伏范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。 其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的 成就之一。它以溅射率高、基片温升低、膜-基结 合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点， 成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透 明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均 匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方 案。 1磁控溅射原理 溅射属于PDV（物理气相沉积）三种基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）中的一种。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区
磁控溅射镀膜简介 溅射薄膜靶材按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜相物理功能膜两大类。前者包括耐摩、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、光等功能薄膜材料靶材等, 具体应用在玻璃涂层(各种建筑玻璃、ITO透明导电玻璃、家电玻璃、高反射后视镜及亚克力镀膜), 工艺品装饰镀膜, 高速钢刀具镀膜, 切削刀具镀膜, 太阳能反光材料镀膜, 光电、半导体、光磁储存媒体、被动组件、平面显示器、微机电、光学组件、及各类机械耐磨、润滑、生物医学, 各种新型功能镀膜(如硬质膜、金属膜、半导体膜、介质膜、碳膜、铁磁膜和磁性薄膜等) 采用Cr，Cr-CrN等合金靶材或镶嵌靶材，在N2,CH4等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr,CrC,CrN等镀层。纯Cr的显微硬度为425～840HV，CrN为1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆、速率慢，而且会产生环境污染问题。 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。 TiN，TiC，Al2O3等膜层化学性能稳定，在许多介质中具有良好的耐蚀性，可以作为基体材料保护膜。溅射镀膜法和液体急冷法都能制取非晶态合金，其成分几乎相同，腐蚀特性和电化学特性也没有什么差别，只是溅射法得到的非晶态膜阳极电流和氧化速率略大。
在高温、低温、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。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。虽然MoS2膜可用化学反应镀膜法制作，但是溅射镀膜法得到的MoS2膜致密性好，附着性优良。MoS2溅射膜的摩擦系数很低，在0.02～0.05范围内。MoS2在实际应用时有两个问题:一是对有些基体材料如Ag,Cu,Be等目前还不能涂覆;二是随湿度增加，MoS2膜的附着性变差。在大气中使用要添加Sb2O3等防氧化剂，以便在MoS2表面形成一种保护膜。 溅射法可以制取聚四氟乙烯膜。试验表明，这种高分子材料薄膜的润滑特性不受环境湿度的影响，可长期在大气环境中使用，是一种很有发展前途的固体润滑剂。其使用温度上限为5OoC，低于-260oC时才失去润滑性。 MoS2、聚四氟乙烯等溅射膜，在长时间放置后性能变化不大，这对长时间备用、突然使用又要求可靠的设备如防震、报警、防火、保险装置等是较为理想的固体润滑剂。 内容来源：宝钢代理商https://www.doczj.com/doc/0b15024971.html, 欢迎多多交流！！！
黑色实验总结 1、材料对比 ⑴ TiC TiC是最常见、最经济的一种黑色硬质膜。颜色可以做到比较深，耐磨性能也很好，但其色调不够纯正，总是黑中略带黄色。并且由于钛的熔点相对较低，在溅射时易出现大的颗粒，使其光令度不易得到改善。防指印的能力也不好，擦后变黄、变朦。 ⑵ CrC CrC的总体色调相对TiC要好，虽然达不到TiC那样黑，但更纯正，带白。由于铬在溅射时直接由固态直接变为气态，故虽然铬的溅射系数很大，膜层沉积速率很快，但其光令度却比TiC好。防指印性能也比TiC好。Cr为脆性材料，膜层的残余应力对耐磨性能的影响尤为重要。 ⑶ TiAlC 由于铝有细化晶粒的作用，所以TiAlC膜层的光令度和防指印的能力均较好。但是铝的熔点很低，要求铝靶的冷却效果要好，施加在铝靶上的功率也不能太大。从TiAlC膜层本身来说，也要求铝的含量要低，不然不够黑。但如果铝靶的功率太低，很容易中毒。建议采用平面铝靶或使用一定铝含量的铝钛合金靶材。 ⑷ TiCrAlC TiCrAlC是用小平面靶试电的，结果光令度和防指印的能力很好，这可能有两个原因：①材料本身的光令度和防指印的能力较好；②采用平面靶轰击打底。其耐磨能力也比较好，这可能是由于：①TiCrAl靶材致密；②TiCrAlC本身比较耐磨；③小平面靶的功率密度比较高，溅射出的粒子能量较高，故膜层致密。 ⑸ TiCN TiCN是一种硬度与耐磨性能较好的薄膜，其颜色甚至可以比TiC更黑，手摸起来不光滑，有粘粘的感觉，但防指印的能力却很好，擦后不会变色，也不会变朦。 2、实验机配置 ⑴ 电源 ① AE中频电源 AE电源的精度很高，对靶材的要求不高，电源自我保护的能力比较强，也因此对真空度等外界条件的要求更苛刻，易灭辉。镀出的CrC膜层光令度与防指印的效果较好，但颜色黑中带蓝。耐磨性能也是试过的电源中最好的。 ② 新达中频电源 新达电源的功率比较大，可以并机使用的它的一大优势。镀出的CrC膜层很黑，但带白，耐磨能力比AE电源镀出的膜层要查差。 ③ 盛普中频电源 盛普电源的稳定性相对其它电源来说要差一些，实际功率不大。镀出的CrC膜层略显黄色，
PVD镀膜工艺 PVD镀膜工艺 1.装饰件材料（底材） (1)金属。不锈钢、钢基合金、锌基合金等。 (2)玻璃、陶瓷。 (3)塑料。abs、pvc、pc、sheet、尼龙、水晶等。 (4)柔性材料。涤纶膜、pc、纸张、布、泡沫塑料、钢带等。 2.装饰膜种类 (1)金属基材装饰膜层：tin、zrn、tic、crnx、ticn、crcn、ti02、al等。 (2)玻璃、陶瓷装饰膜层：tio2、cr2o3、mgf2、zns等。 (3)塑料基材装饰膜层：ai、cu、ni、si02、ti02、ito、mgf2。 (4)柔性材料装饰膜层：al、lto、ti02、zns等。 3.部分金属基材装饰膜颜色 金属基材装饰膜的种类和色调很多。表1为部分金属基材装饰膜的种类及颜色。 表1 部分金属基材装饰膜的种类及颜色膜层种类 色调 tinx 浅黄、金黄、棕黄、黑色 tic 浅灰色、深灰色 ticxny
赤金黄色、玫瑰金色、棕色、紫色 tin+ au 金色 zrn 金黄色 zrcxny 金色、银色 tio2 紫青蓝、绿、黄、橙红色 crnx 银白色 tixal-nx 金黄色、棕色、黑色 tixzral-nx 金黄色 3.装饰膜的镀制工艺 一．金属件装饰膜镀制工艺 比较成熟的镀膜技术有电弧离子镀、磁控溅射离子镀和复合离子镀。下面分别从各类镀膜技术中选取一种具有代表性的典型镀制工艺进行介绍。 1)用电弧离子镀的方法为黄铜电镀亮铬或镍手表壳镀制ticn膜。 采用小弧源镀膜机和脉冲偏压电源； (1)工件清洗、上架、入炉
工件在入炉之前要经过超声波清洗、酸洗和漂洗三道工序。 首先是在超声波清洗槽中放入按使用要求配制的金属清洗剂，利用超声波进行脱脂、清洗。清洗之后，进行酸洗，它可以中和超声波清洗时残余的碱液，还能起到活化处理的作用。然后进行漂洗以彻底除去酸液，漂洗时必须采用去离子纯净水或蒸馏水。经过三洗后，即时进行烘干，温度一般控制在100℃左右，时间为1h左右。也可以风吹干后马上人炉。 (2)镀膜前的准备工作 ①清洁真空镀膜室。用吸尘器将真空镀膜室清洁一遍。当经过多次镀膜时，真空镀膜室的内衬板还需作定期清洗，一般是半个月清洗一次。 ②检查电弧蒸发源。工作前，要确保电弧蒸发源发源安装正确，绝缘良好，引弧针控制灵活,程合适，恰好能触及阴极表面。 ③检查工件架的绝缘情况。工件架与地之间的绝缘必须须良好，负偏压电源与工件架的接触点点必须接触良好。 以上几项工作确保没有问题后，才可以关闭真空镀膜室的门，进行抽气和镀膜。 (3)抽真空 真空抽至6.6 x 10-3pa。开始是粗抽，从大气抽至5pa左右，用油扩散泵进行细抽。在粗抽时，可以烘烤加热至150℃。伴随镀膜室温度的升高，器壁放气会使真空度降低，然后又回升，等到温度回升到6.6 x 10-3pa时方可进行镀膜工作。 (4)轰击清洗 ①氩离子轰击清洗
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。
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。
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
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 课程设计论文 ITO透明导电薄膜的磁控溅射法制备工艺 学院名称: 材料学院 专业班级: 无机光电0902 学生姓名: 张亚平 指导教师姓名: 李保家 指导教师职称： 2012 年 6 月
摘要: 铟锡氧化物(简称ITO) 是In2O3掺Sn的半导体材料, 其薄膜由于具有优良的导电性和光学性能,引起了人们的广泛关注，随着薄膜晶体管(TFT)，液晶显示( LCD)，等离子显示(PCD)等高新技术的不断发展，现今工业上以制备均匀的大面积ITO薄膜为热点。本文介绍了透明导电薄膜的定义及其导电机理，并就其中一种应用十分广泛的材料ITO进行了介绍，详细讲解了利用磁控溅射法制备ITO纳米透明导电薄膜，分析其结构及其光电性能，利用透射电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)对薄膜的的结构、形貌和电化学性质进行表征，并对其发展进行了展望。 关键词：氧化铟锡薄膜（ITO）；直流磁控溅射法；制备工艺
1 引言 透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透明率的一种薄膜，透过性的标准是透过率60%以上，导电性的标准是表面电阻在1010Ω·cm 以下[1]。透明导电薄膜的种类主要有金属膜、氧化物膜、多层复合膜和高分子膜等， 其中氧化物薄膜占主导地位。透明导电氧化物( TCO) 薄膜主要包括In 、Sn 、Zn 、Cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜。1907年Badeker 首先制备并报道了 CdO 透明导电薄膜， 将物质的透明性和导电性这一矛盾统一起来。在随后的几十年中，人们发现和研究了多种材料的 TCO 薄膜，并不断扩大它们的用途。目前研究人员主要集中在对SnO2基、In 2O 3基以及ZnO 基透明导电膜的研究[2]。 2 透明导电薄膜的导电机理 2.1 透明度 透明导电膜的透明度主要取决于膜的光纳N =n - i k 和光学厚度nd 。在基底的光纳N g =n g －ik g ，和透明光波的波长认确定的条件下，由光学薄膜的理论可计算出单层膜的透光率[3] *))(() (4000C B N C B N N R N T g e ++= (1) 式中N 0是光波入射介质的光纳，R e (N g ) 是基底光纳的实部，B 和C 是膜系特征矩阵的元素。 ?? ??????????=??????g N i N i C B 1c o s s i n /)s i n (c o s δδδδ (2) ()3cos )/2(θλπδnd = (3) 式中θ是折射角。一般情况 下 N 0= 1，N g =1.5 2，nd =λ/2，θ = 0o 。 In 2O 3-x 膜的光纳 N =n -i k ，其中n =2，在一定的工艺条件下和在可见光谱区域内，左k →O ，代入公式(1)可计算出 In 2O 3-x 膜对可见光的积分透光率T =90％。理论计算的结果与实测的结果非常接近。In 2O 3-x 膜的短波吸收限在0.38μm ，掺入适量的SnO 2后吸收限可推移到0.35μm 。 为了提高透明导电膜的透光率，将单层的膜再与一种或几种光学介质膜组