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磁控溅射镀膜技术的发展及应用

发布时间:2018-11-02浏览次数:载入中...
      近年来,随着新材料的开发,尤其是薄膜材料的发展和应用,带动控溅射沉积技术的飞速发展,在科学研究领域和工业生产中有着不可替代的重要作用。本文主要介绍了控溅射沉积镀膜技术的工艺过程及其发展情况,各种主要磁控溅射镀术的特点,并介绍磁控溅射技术在各个领域的主要应用。
      溅射镀膜过程主要是将欲沉积成薄膜的材料制成靶材,固定在溅射沉积系统的阴极上,待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上。溅射系统抽至高真空后充入氩气等,在阴极和阳极之间加载高压,阴阳极之间会产生低压辉光放电。放电产生的等离子体中,氩气正离子在电场作用下向阴极移动,与靶材表面碰撞,受碰撞而从靶材表面溅射出的靶材原子称为溅射原子,溅射原子的能量一般在一至几十电子伏范围,溅射原子在基片表面沉积而后成膜。溅射镀膜就是利用低气压辉光放电产生的氩气正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材,把靶材中的原子或分子等粒子溅射出而沉积到基片或者工件表面,形成所需的薄膜层。但是溅射镀膜过程中溅射出的粒子的能量很低,导致成膜速率不高。
      磁控溅射技术是为了提高成膜速率在溅射镀膜基础上发展起来的,在靶材表面建立与电场正交的磁场,氩气电离率从 0.3%一0.5%提高到了5%一6%,这样就解决了溅射镀膜沉积速率低的问题,是目前工业上精密镀膜的主要方法之一。可制备成磁控溅射阴极靶材的原料很广,儿乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下,沉积速度快,膜层致密且与基片附着性好,非常适合于大批量且高效率的工业化生产。

1. 磁控溅射的工艺流程
在磁控溅射过程中,具体工艺过程对薄膜性能影响很大,主要工艺流程如下:
(l)基片清洗,主要是用异丙醇蒸汽清洗,随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干,以去除表面油污;
(2)抽真空,真空须控制在2 × 104 Pa以上,以保证薄膜的纯度;
(3)加热,为了除去基片表面水分,提高膜与基片的结合力,需要对基片进行加热,温度一般选择在150 ℃~200 ℃之间;
(4)氩气分压,一般选择在0.01一lPa范围内,以满足辉光放电的气压条件;
(5)预溅射,预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜,以免影响薄膜质量;
(6)溅射,氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下,高速轰击靶材,使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜;
(7)退火,薄膜与基片的热膨胀系数有差异,结合力小,退火时薄膜与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力。
2. 磁控溅射镀膜技术的发展
      近年来磁控溅射技术发展非常迅速,代表性方法有平衡平衡磁控溅射、反应磁控溅射、中频磁控溅射及高能脉冲磁控溅射等等。
平衡磁控溅射:即最传统的磁控溅射技术,将永磁体或电磁线圈放到在靶材背后,在靶材表面会形成与电场方向垂直的磁场。在高压作用下氩气电离成等离子体,Ar+离子经电场加速轰击阴极靶材,靶材二次电子被溅射出,且电子在相互垂直的电场及磁场作用下,被束缚在阴极靶材表面附近,增加了电子与气体碰撞的几率,即增加了氩气电离率,使氩气在低气体下也可维持放电,因而磁控溅射既降低了溅射气体压力,同时也提高了溅射效率及沉积速率。但传统磁控溅射有一些缺点,比如:低气压放电产生的电子和溅射出的靶材二次电子都被束缚在靶面附近大约60 mm的区域内,这样工件只能被安·放在靶表面50一100 mm的范围内。这样小的镀膜区间限制了待镀工件的尺寸,较大的工件或装炉量不适合传统方法。
      反应磁控溅射:随着表面工程技术的发展,越来越多地用到各种化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通过溅射来制备化合物薄膜,也可在溅射金属或合金靶材时,通人一定的反应气体,通过发生化学反应制备化合物薄膜,后者被称为反应磁控溅射。一般来说纯金属作为靶材和气体反应较容易得到高质量的化合物薄膜,因而大多数化合物薄膜是用纯金属为靶材的反应溅磁控射来制备的。
中频磁控溅射:这种镀膜方法是将磁控溅射电源由传统的直流改为中频交流电源。在溅射过程中,当系统所加电压处在交流电负半周期时,靶材被正离子轰击而溅射,而处于正半周期时,靶材表面被等离子体中的电子轰击而溅射,同时靶材表面累积的正电荷被中和,打弧现象得到抑制。中频磁控溅射电源的频率通常在10一80 kHz之间,频率高,正离子被加速的时间就短,轰击靶材时的能量就低,溅射沉积速率随之下降。中频磁控溅射系统一般有两个靶,这两个靶周期性轮流作为阴极和阳极,一方面减小了基片溅伤;另一方面也消除了打弧现象。
      高能脉冲磁控溅射:自瑞典科学家首次采用高能脉冲作为磁控溅射的供电模式并沉积了Cu薄膜后,HPPMS自以其较高的金属离化率在近几年受到广泛关注,高能脉冲磁控溅射技术是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术,由于脉冲作用时间短,其平均功率不高,这样阴极不会因过热而增加靶冷却的要求。它的峰值功率是普通磁控溅射的100倍,约为1000- 3000 W/cm2,等离子体密度可以高达1018 m-3数量级,溅射材料离化率极高,溅射Cu靶可达70%,且这个高度离子化的束流不含大颗粒,生成的薄膜致密,性能优异。
3. 磁控溅射镀膜技术的应用
      磁控溅射镀膜技术主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品来沉积金属或化合物薄膜从而获得光亮、美观、经济的塑料、陶瓷表面金属化制品。装饰、灯具、家具、玩具、工艺美术、装璜等生活领域的制膜技术通常用磁控溅射方法,该方法还应用于军事保护膜、光学产品、磁记录介质、电路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防锈抗蚀等工业领域。
      磁控溅射不仅应用于科研及工业领域,已延伸到许多日常生活用品,主要应用在化学气相沉积制膜困难的薄膜制备。磁控溅射技术在制备电子封装及光学薄膜方面已有多年,特别是先进的中频非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜、透明导电玻璃等方面得到应用。透明导电玻璃目前应用广泛,如电视电脑平板显示器件、电磁微波与射频屏蔽装置及器件、太阳能电池等。另外,在光学存储领域中磁控溅射镀膜技术也发挥着很大的作用。再者,该制膜技术在表面功能薄膜、自润滑薄膜、超硬薄膜等方面的应用也很广泛。
      除上述已被大量应用的领域外,磁控溅射镀膜技术还在高温、超导薄膜、巨磁阻薄膜、铁电体薄膜、发光薄膜、形状记忆合金薄膜、太阳能电池等研究方面发挥着重要作用。
4. 结论
      磁控溅射镀膜技术由于其显著的优点已经成为制备薄膜的主要技术之一。非平衡磁控溅射改善了等离子体区域的分布,显著提高了薄膜的质量。中频溅射镀膜技术的发展有效克服了反应溅射过程中出现的打弧现象,减少了薄膜的结构缺陷,明显提高了薄膜的沉积速率。高速溅射、高能脉冲磁控溅射镀膜技术为溅射镀膜开辟了崭新的研究领域。在未来的研究中,新溅射技术向生活领域的推广、磁控溅射镀膜技术与计算机的结合都将成为研究热点,利用计算机模拟镀膜时的磁场、电场、温度场、以及等离子体的分布,必将能给溅射镀膜技术的发展提供巨大的扩展空间,推动磁控溅射镀膜技术向工业及生活领域转化。
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