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磁控溅射镀膜技术
发布:2021-7-12
磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片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,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。

一、磁控溅射工作原理:
磁控溅射属于辉光放电范畴,利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中,氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹,使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动,因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。
 
1、溅射机理:
用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶),使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。溅射现象很早就为人们所认识,通过前人的大量实验研究,我们对这一重要物理现象得出以下几点结论:
(1)溅射率随入射离子能量的增加而增大;而在离子能量增加到一定程度时,由于离子注入效应,溅射率将随之减小;
(2)溅射率的大小与入射粒子的质量有关:
(3)当入射离子的能量低于某一临界值(阀值)时,不会发生溅射;
(4)溅射原子的能量比蒸发原子的能量大许多倍;
(5)入射离子的能量很低时,溅射原子角分布就不完全符合余弦分布规律。角分布还与入射离子方向有关。从单晶靶溅射出来的原子趋向于集中在晶体密度最大的方向。
(6)因为电子的质量很小,所以即使使用具有极高能量的电子轰击靶材也不会产生溅射现象。由于溅射是一个极为复杂的物理过程,涉及的因素很多,长期以来对于溅射机理虽然进行了很多的研究,提出过许多的理论,但都难以完善地解释溅射现象。
2、辉光放电:
辉光放电是在真空度约为一的稀薄气体中,两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。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的,即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同,直流二极溅射利用的是直流辉光放电,磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。
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如图所示为一个直流气体放电体系,在阴阳两极之间由电动势为的直流电源提供电压和电流,并以电阻作为限流电阻。在电路中,各参数之间应满足下述关系:
V=E-IR
使真空容器中Ar气的压力保持一定,并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时,电极之间几乎没有电流通过,因为这时气体原子大多仍处于中性状态,只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动,形成极为微弱的电流,即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。
随着电压逐渐地升高,电离粒子的运动速度也随之加快,即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时,电流不再随电压升高而增加。此时,电流达到了一个饱和值(对应于图曲线的第一个垂直段)。
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当电压继续升高时,离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时,外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面,离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射,而电子能量也增加到足够高的水平,它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离,如图(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子,即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时,随着放电电流的迅速增加,电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。
在汤生放电阶段的后期,放电开始进入电晕放电阶段。这时,在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此,这一阶段称为电晕放电。
在汤生放电阶段之后,气体会突然发生放电击穿现象。这时,气体开始具备了相当的导电能力,我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时,电路中的电流大幅度增加,同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿,因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显著下降,放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段,气体中导电粒子的数目大量增加,粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大,因此放电气体会发出明显的辉光。
电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上,同时,辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后,在放电电流继续增加的同时,放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式,因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体,有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。 
3、磁控溅射:
   平面磁控溅射靶采用静止电磁场,磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。电子在电场作用下,加速飞向基片的过程中与氢原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV)。时,则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片,Ar+在电场作用下加速飞向阴极溅射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。二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用,以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子e1的运动路径不仅很长,而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区中电离出大量的Ar+用来轰击靶材,因此磁控溅射具有沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加,电子e1的能量逐渐降低,同时,e1逐步远离靶面。低能电子e1将如图中e3那样沿着磁力线来回振荡,待电子能量将耗尽时,在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低,传给基片的能量很小,使基片温升较低。在磁极轴线处电场与磁场平行,电子e2将直接飞向基片。但是,在磁控溅射装置中,磁极轴线处离子密度很低,所以e2类电子很少,对基片温升作用不大。
 
  
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                     磁控溅射工作原理图
磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向,束缚和延长电子的运动路径,提高电子的电离概率和有效地利用了电子的能量。因此,在形成高密度等离子体的异常辉光放电中,正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效,同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理。
二、磁控溅射的应用:
1、磁控溅射的优点:
 (1)操作易控。镀膜过程,只要保持工作压强、电功率等溅射条件相对稳定,就能获得比较稳定的沉积速率。
 (2)沉积速率高。在沉积大部分的金属薄膜,尤其是沉积高熔点的金属和氧化物薄膜时,如溅射钨、铝薄膜和反应溅射TiO2、ZrO2薄膜,具有很高的沉积率。
 (3)基板低温性。相对二极溅射或者热蒸发,磁控溅射对基板加热少了,这一点对实现织物的上溅射相当有利。
 (4)膜的牢固性好。溅射薄膜与基板有着极好的附着力,机械强度也得到了改善。
 (5)成膜致密、均匀。溅射的薄膜聚集密度普遍提高了。从显微照片看,溅射的薄膜表面微观形貌比较精致细密,而且非常均匀。
 (6)溅射的薄膜均具有优异的性能。如溅射的金属膜通常能获得良好的光学性能、电学性能及某些特殊性能。
 (7)易于组织大批量生产。磁控源可以根据要求进行扩大,因此大面积镀膜是容易实现的。再加上溅射可连续工作,镀膜过程容易自动控制,因此工业上流水线作业完全成为可能。
 (8)工艺环保。传统的湿法电镀会产生废液、废渣、废气,对环境造成严重的污染。不产生环境污染、生产效率高的磁控溅射镀膜法则可较好解决这一难题。
2、磁控溅射应用:
   磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。
  (1)在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。
  (2)磁控溅射技术在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面也得到应用。在透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜,使可见光范围内平均光透过率在90%以上。
  (3)在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术制作表面功能膜、超
硬膜,自润滑薄膜,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。
磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。
三、总结
    磁控溅射技术由于其显著的优点成为工业镀膜主要技术之一。在未来的研究中,新技术向工业领域的推广、磁控溅射技术与计算机的结合已成为一个研究方向,如何利用计算机来控制精确镀膜过程,利用计算机来模拟镀膜时的磁场、温度场、以及气流分布,必将能给溅射镀膜过程提供可靠的数据支持,也是经济有效的方法。


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