磁控直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极,从而该方法只能溅射导体材料,不适于绝缘材料。因为轰击绝缘靶材时,表面的离子电荷无法中和,这将导致靶面电位升高,外加电压几乎都加在靶上,两极间的离子加速与电离的机会将变小,甚至不能电离,导致不能连续放电甚至放电停止,溅射停止。故对于绝缘靶材或导电性很差的非金属靶材,须用射频溅射法(RF)。溅射过程中涉及到复杂的散射过程和多种能量传递过程:入射粒子与靶材原子发生弹性碰撞,入射粒子的一部分动能会传给靶材原子;某些靶材原子的动能超过由其周围存在的其它原子所形成的势垒(对于金属是5-10eV),从而从晶格点阵中被碰撞出来,产生离位原子;这些离位原子进一步和附近的原子依次反复碰撞,产生碰撞级联;当这种碰撞级联到达靶材表面时,如果靠近靶材表面的原子的动能大于表面结合能(对于金属是1-6eV),这些原子就会从靶材表面脱离从而进入真空。磁控溅射镀膜的适用范围:在不锈钢刀片涂层技术中的应用。湖南射频磁控溅射工艺
真空镀膜机磁控溅射方式:直流溅射方法用于被溅射材料为导电材料的溅射和反应溅射镀膜中,其工艺设备简单,有较高的溅射速率。中频交流磁控溅射在单个阴极靶系统中,与脉冲磁控溅射有同样的释放电荷、防止打弧作用。中频交流溅射技术还应用于孪生靶溅射系统中,中频交流孪生靶溅射是将中频交流电源的两个输出端,分别接到闭合磁场非平衡溅射双靶的各自阴极上,因而在双靶上分别获得相位相反的交流电压,一对磁控溅射靶则交替成为阴极和阳极。孪生靶溅射技术大幅度提高磁控溅射运行的稳定性,可避免被毒化的靶面产生电荷积累,引起靶面电弧打火以及阳极消失的问题,溅射速率高,为化合物薄膜的工业化大规模生产奠定基础。江苏陶瓷靶材磁控溅射磁控溅射靶材的分类:根据材料的成分不同,靶材可分为金属靶材、合金靶材、无机非金属靶材等。
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。磁控溅射的特点是成膜速率高,基片温度低,膜的粘附性好,可实现大面积镀膜。该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。
特殊溅射沉积技术:以上面几种做基础,为达到某些特殊目的而产生的溅射技术。1、反应溅射:可分为两类,第一种情况是靶为纯金属、合金或混合物,通入的气体是反应气体,或Ar加上一部分反应气体;第二种情况是靶为化合物,在纯氩气气氛中溅射产生分解,使膜内缺少一种或多种靶成分,在溅射时需要补充反应气体以补偿损失的成分。常用的反应气体有氧、氮、氧+氮、乙炔、甲烷等。1)反应过程,反应发生在表面--靶或基体上,活性气体也可以形成活性基团,溅射原子与活性基团碰撞也会形成化合物沉积在基体上。当通入的反应气体压强很低,或靶的溅射产额很高时化合物的合成发生在基体上,而且化合物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达基体的相对速度,这种条件下,靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度;当气体压强继续升高,或溅射产额降低时化合反应达到某个域值,此后在靶上的化学合成速度大于逸出速度,认为化合物在靶面进行。用真空磁控溅射镀膜设备可在车窗玻璃镀涂二氧化钛,这个镀层可以赋予车窗自清洁效果。
磁控溅射靶材镀膜过程中,影响靶材镀膜沉积速率的因素:溅射电流:磁控靶的溅射电流与溅射靶材表面的离子电流成正比,因此也是影响溅射速率的重要因素。磁控溅射有一个普遍规律,即在较佳气压下沉积速度较快。因此,在不影响薄膜质量和满足客户要求的前提下,从溅射良率考虑气体压力的较佳值是合适的。改变溅射电流有两种方法:改变工作电压或改变工作气体压力。溅射功率:溅射功率对沉积速率的影响类似于溅射电压。一般来说,提高磁控靶材的溅射功率可以提高成膜率。然而,这并不是一个普遍的规则。在磁控靶材的溅射电压低,溅射电流大的情况下,虽然平均溅射功率不低,但离子不能被溅射,也不能沉积。前提是要求施加在磁控靶材上的溅射电压足够高,使工作气体离子在阴极和阳极之间的电场中的能量足够大于靶材的"溅射能量阈值"。磁控溅射是在低气压下进行高速溅射,为此需要提高气体的离化率。湖南直流磁控溅射平台
在各种溅射镀膜技术中,磁控溅射技术是较重要的技术之一。湖南射频磁控溅射工艺
高速率磁控溅射本质特点是产生大量的溅射粒子,导致较高的沉积速率。实验表明在较大的靶源密度在高速溅射,靶的溅射和局部蒸发同时发生,两种过程的结合保证了较大的沉积速率(几μm/min)并导致薄膜的结构发生变化。与通常的磁控溅射比较,高速溅射和自溅射的特点在于较高的靶功率密度Wt=Pd/S>50Wcm-2,(Pd为磁控靶功率,S为靶表面积)。高速溅射有一定的限制,因此在特殊的环境才能保持高速溅射,如足够高的靶源密度,靶材足够的产额和溅射气体压力,并且要获得较大气体的离化率。较大限制高速沉积薄膜的是溅射靶的冷却。湖南射频磁控溅射工艺
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