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磁控濺射鍍膜設備的磁控濺射技術為什么會被廣泛應用?

2021-08-04 11:04:40

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磁控濺射鍍膜設備的磁控濺射技術為什么會被廣泛應用?



磁控濺射技術得以廣泛的應用,是由該技術有別于其它鍍膜方法的特點所決定的。其特點可歸納為:可制備成靶材的各種材料均可作為薄膜材料,包括各種金屬、半導體、鐵磁材料,以及絕緣的氧化物、陶瓷等物質,尤其適合高熔點和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜在適當條件下多元靶材共濺射方式,可沉積所需組分的混合物、化合物薄膜;在濺射的放電氣中加入氧、氮或其它活性氣體,可沉積形成靶材物質與氣體分子的化合物薄膜;控制真空室中的氣壓、濺射功率,基本上可獲得穩定的沉積速率,通過精確地控制濺射鍍膜時間,容易獲得均勻的高精度的膜厚,且重復性好;濺射粒子幾乎不受重力影響,靶材與基片位置可自由安排;基片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,在成膜面會繼續表面擴散而得到硬且致密的薄膜,同時高能量使基片只要較低的溫度即可得到結晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生產厚度10nm以下的極薄連續膜。

 

一、磁控濺射工作原理:

磁控濺射屬于輝光放電范疇,利用陰極濺射原理進行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中,氬離子對陰極靶材產生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來后,沉積到元件表面形成所需膜層。磁控原理就是采用正交電磁場的特殊分布控制電場中的電子運動軌跡,使得電子在正交電磁場中變成了擺線運動,因而大大增加了與氣體分子碰撞的幾率。

 

1、濺射機理:

用高能粒子(大多數是由電場加速的氣體正離子)撞擊固體表面(靶),使固體原子(分子)從表面射出的現象稱為濺射。濺射現象很早就為人們所認識,通過前人的大量實驗研究,我們對這一重要物理現象得出以下幾點結論:

(1)濺射率隨入射離子能量的增加而增大;而在離子能量增加到一定程度時,由于離子注入效應,濺射率將隨之減小;

(2)濺射率的大小與入射粒子的質量有關:

(3)當入射離子的能量低于某一臨界值(閥值)時,不會發生濺射;

(4)濺射原子的能量比蒸發原子的能量大許多倍;

(5)入射離子的能量很低時,濺射原子角分布就不完全符合余弦分布規律。角分布還與入射離子方向有關。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度最大的方向。

(6)因為電子的質量很小,所以即使使用具有極高能量的電子轟擊靶材也不會產生濺射現象。由于濺射是一個極為復雜的物理過程,涉及的因素很多,長期以來對于濺射機理雖然進行了很多的研究,提出過許多的理論,但都難以完善地解釋濺射現象。

2、輝光放電:

輝光放電是在真空度約為一的稀薄氣體中,兩個電極之間加上電壓時產生的一種氣體放電現象。濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時的濺射效應,而整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎之上的,即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術所采用的輝光放電方式有所不同,直流二極濺射利用的是直流輝光放電,磁控濺射是利用環狀磁場控制下的輝光放電。

一個直流氣體放電體系,在陰陽兩極之間由電動勢為的直流電源提供電壓和電流,并以電阻作為限流電阻。在電路中,各參數之間應滿足下述關系:

V=E-IR

使真空容器中Ar氣的壓力保持一定,并逐漸提高兩個電極之間的電壓。在開始時,電極之間幾乎沒有電流通過,因為這時氣體原子大多仍處于中性狀態,只有極少量的電離粒子在電場的作用下做定向運動,形成極為微弱的電流,即圖(b)中曲線的開始階段所示的那樣。

隨著電壓逐漸地升高,電離粒子的運動速度也隨之加快,即電流隨電壓上升而增加。當這部分電離粒子的速度達到飽和時,電流不再隨電壓升高而增加。此時,電流達到了一個飽和值(對應于圖曲線的第一個垂直段)。

當電壓繼續升高時,離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來。在碰撞趨于頻繁的同時,外電路轉移給電子與離子的能量也在逐漸增加。一方面,離子對于陰極的碰撞將使其產生二次電子的發射,而電子能量也增加到足夠高的水平,它們與氣體分子的碰撞開始導致后者發生電離,如圖(a)所示。這些過程均產生新的離子和電子,即碰撞過程使得離子和電子的數目迅速增加。這時,隨著放電電流的迅速增加,電壓的變化卻不大。這一放電階段稱為湯生放電。

在湯生放電階段的后期,放電開始進入電暈放電階段。這時,在電場強度較高的電極尖端部位開始出現一些跳躍的電暈光斑。因此,這一階段稱為電暈放電。

在湯生放電階段之后,氣體會突然發生放電擊穿現象。這時,氣體開始具備了相當的導電能力,我們將這種具備了一定的導電能力的氣體稱為等離子體。此時,電路中的電流大幅度增加,同時放電電壓卻有所下降。這是由于這時的氣體被擊穿,因而氣體的電阻將隨著氣體電離度的增加而顯著下降,放電區由原來只集中于陰極邊緣和不規則處變成向整個電極表面擴展。在這一階段,氣體中導電粒子的數目大量增加,粒子碰撞過程伴隨的能量轉移也足夠地大,因此放電氣體會發出明顯的輝光。

電流的繼續增加將使得輝光區域擴展到整個放電長度上,同時,輝光的亮度不斷提高。當輝光區域充滿了兩極之間的整個空間之后,在放電電流繼續增加的同時,放電電壓又開始上升。上述的兩個不同的輝光放電階段常被稱為正常輝光放電和異常輝光放電階段。異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經常采用的放電形式,因為它可以提供面積較大、分布較為均勻的等離子體,有利于實現大面積的均勻濺射和薄膜沉積。 

3、磁控濺射:

   平面磁控濺射靶采用靜止電磁場,磁場為曲線形。其工作原理如下圖所示。電子在電場作用下,加速飛向基片的過程中與氫原子發生碰撞。若電子具有足夠的能量(約為30eV)。時,則電離出Ar+并產生電子。電子飛向基片,Ar+在電場作用下加速飛向陰極濺射靶并以高能量轟擊靶表面,使靶材發生濺射。在濺射粒子中,中性的靶原子(或分子)沉積在基片上形成薄膜。二次電子e1在加速飛向基片時受磁場B的洛侖茲力作用,以擺線和螺旋線狀的復合形式在靶表面作圓周運動。該電子e1的運動路徑不僅很長,而且被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區域內。在該區中電離出大量的Ar+用來轟擊靶材,因此磁控濺射具有沉積速率高的特點。隨著碰撞次數的增加,電子e1的能量逐漸降低,同時,e1逐步遠離靶面。低能電子e1將如圖中e3那樣沿著磁力線來回振蕩,待電子能量將耗盡時,在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低,傳給基片的能量很小,使基片溫升較低。在磁極軸線處電場與磁場平行,電子e2將直接飛向基片。但是,在磁控濺射裝置中,磁極軸線處離子密度很低,所以e2類電子很少,對基片溫升作用不大。

磁控濺射的基本原理就是以磁場改變電子運動方向,束縛和延長電子的運動路徑,提高電子的電離概率和有效地利用了電子的能量。因此,在形成高密度等離子體的異常輝光放電中,正離子對靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效,同時受正交電磁場的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時才能沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點的機理。

二、磁控濺射的應用:

1、磁控濺射的優點:

 (1)操作易控。鍍膜過程,只要保持工作壓強、電功率等濺射條件相對穩定,就能獲得比較穩定的沉積速率。

 (2)沉積速率高。在沉積大部分的金屬薄膜,尤其是沉積高熔點的金屬和氧化物薄膜時,如濺射鎢、鋁薄膜和反應濺射TiO2、ZrO2薄膜,具有很高的沉積率。

 (3)基板低溫性。相對二極濺射或者熱蒸發,磁控濺射對基板加熱少了,這一點對實現織物的上濺射相當有利。

 (4)膜的牢固性好。濺射薄膜與基板有著極好的附著力,機械強度也得到了改善。

 (5)成膜致密、均勻。濺射的薄膜聚集密度普遍提高了。從顯微照片看,濺射的薄膜表面微觀形貌比較精致細密,而且非常均勻。

 (6)濺射的薄膜均具有優異的性能。如濺射的金屬膜通常能獲得良好的光學性能、電學性能及某些特殊性能。

 (7)易于組織大批量生產。磁控源可以根據要求進行擴大,因此大面積鍍膜是容易實現的。再加上濺射可連續工作,鍍膜過程容易自動控制,因此工業上流水線作業完全成為可能。

 (8)工藝環保。傳統的濕法電鍍會產生廢液、廢渣、廢氣,對環境造成嚴重的污染。不產生環境污染、生產效率高的磁控濺射鍍膜法則可較好解決這一難題。

2、磁控濺射應用:

   磁控濺射目前是一種應用十分廣泛的薄膜沉積技術,濺射技術上的不斷發展和對新功能薄膜的探索研究,使磁控濺射應用延伸到許多生產和科研領域。

  (1)在微電子領域作為一種非熱式鍍膜技術,主要應用在化學氣相沉積(CVD)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長困難及不適用的材料薄膜沉積,而且可以獲得大面積非常均勻的薄膜。包括歐姆接觸的Al、Cu、Au、W、Ti等金屬電極薄膜及可用于柵絕緣層或擴散勢壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質薄膜沉積。

  (2)磁控濺射技術在光學薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導電玻璃等方面也得到應用。在透明導電玻璃在玻璃基片或柔性襯底上,濺射制備SiO2薄膜和摻雜ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜,使可見光范圍內平均光透過率在90%以上。

  (3)在現代機械加工工業中,利用磁控濺射技術制作表面功能膜、超

硬膜,自潤滑薄膜,能有效的提高表面硬度、復合韌性、耐磨損性和抗高溫化學穩定性能,從而大幅度地提高涂層產品的使用壽命。

磁控濺射除上述已被大量應用的領域,還在高溫超導薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發揮重要作用。

三、總結

    磁控濺射技術由于其顯著的優點成為工業鍍膜主要技術之一。在未來的研究中,新技術向工業領域的推廣、磁控濺射技術與計算機的結合已成為一個研究方向,如何利用計算機來控制精確鍍膜過程,利用計算機來模擬鍍膜時的磁場、溫度場、以及氣流分布,必將能給濺射鍍膜過程提供可靠的數據支持,也是經濟有效的方法。


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