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材料知識——濺射鍍膜方法及特點
編輯日期:2016-04-12 08:57:01  作者:    閱讀次數:次

濺射鍍膜方法及特點主要介紹有二極濺射,三極和四極濺射,磁控濺射,射頻濺射,離子束濺射,以及以上幾種濺射鍍膜方法的各自特點。

(1)二極濺射二極輝光放電型濺射鍍膜是濺射鍍膜最簡單的方法。圖1是二極濺射鍍膜的原理圖,靶陰極為鍍膜材料,基片或真空室為陽極,充氬壓力為1~10pa,朋陽極問施加l~5kv直流高壓產生輝光放電,氬氣電離產生的氬離子轟擊陰極靶材使其濺射,濺射出的靶材原子在基片上沉積形成膜層。

圖1 二極濺射鍍膜原理圖

l-靶陰極;2-氬離子;3-電子;4-金屬原子;5-工件;6-工件架;

7-靶電源;8-陰極暗區;9-等離子體區

另外當濺射氣體和靶材選定后,對于輝光放電二極濺射鍍膜,可調整的工藝參數只有放電電壓、電流和氣體壓強,提高放電電壓,可以提高相應的濺射系數,但一般只能提高2~3倍。提高入射離子流密度也是提高濺射速率的方法,但它受輝光放電特性的限制,所以, 二極濺射工藝參數調整不夠靈活,但由于其結構簡單,尚有一定的應用。

(2)三極和四極濺射為了提高轟擊陰極靶的離子流密度,提高濺射速率,降低氣體放電的電壓和降低濺射氣體的壓強,在二極濺射鍍膜的基礎上增加產生熱電子發射的熱陰極,構成三極濺射,如圖2所示。三極濺射是在靶與陽極間設置由鎢絲或鉭絲制成的熱陰極,當陰極加熱后,發射出熱電子,熱電子在陽極電場的作用下被加速,在靶與陽極間的等離子區與氣體分子碰撞,提高了濺射氣體的電離率,從而使靶的電流密度達到1~3ma/cm2,同時靶電壓可降低至1kv,濺射氣體的壓強降低到10-1pa.三極濺射的濺射速率得到了較大提高,并且由于沉積時的真空度較高,膜層的質量也得到了一定的改善。


圖2 三極濺射原理圖

1-靶陰極;2-金屬原子;3-氬離子;4-氬原子;5-電子;

6-燈絲;7-燈絲偏壓電源;8-燈絲加熱電源;9-靶電源;10-工件架;11-工件

四極濺射是在三極濺射的裝置中增設輔助陽極構成的,四極濺射除增設輔助陽極外,還在真空室外設置聚束線圈,使靶與基片問的等離子區產生0.005t左右的磁場,磁場使電子作螺旋運動,加長了電子的運動路程,提高了電子與氣體分子的碰撞電離幾率,從而提高了靶的電流密度和濺射速率。

在四極濺射中,靶電流不隨靶電壓變化,而取決于陽極電流,而且在壓強為10-2pa時仍能維持正常放電,,電流密度達2~5ma/cm2,四極濺射比三極濺射工作穩定。

三極和四極濺射裝置結構復雜,在大面積基片上沉積均勻的薄膜比較困難,目前除特殊應用外,已幾乎不再使用。

(3)磁控濺射輝光放電中,離子轟擊陰極產生二次電子,電子在陰極位降區的電場作用下被加速與氣體分子碰撞,使氣體分子電離維持放電,由于電子在電場加速的軌跡是直線,所以碰撞電離幾率不高,氣體的壓強通常在2~10pa的條件下進行濺射沉積,在低于2pa時,輝光熄滅。但是,如果在與電場垂直的方向施加一磁場,電子在正交電磁場中的運動軌跡則為既與電場垂直又與磁場垂直的擺線。在實際的磁控條件下,從冷陰極發射出來的電子具有初始能量,并且陰極暗區的電場和磁場都是不均勻的,所以,從陰極發射出的電子的運動軌跡不是嚴格的擺線形,一般稱做近似擺線運動。

磁控濺射靶是磁控濺射鍍膜的源,它必須滿足兩個條件:一是具有正交的電磁??;二是磁場方向要與陰極靶表面平行,并形咸閉合的環形水平磁場。圖3是磁控濺射原理圖,從陰極靶表面發射出來的電子,在陰極暗區被加速獲得能量,由于陰極靶表面有水平磁場存在,它們不能直接飛向陽極,而是在環形水平磁場束縛下形成的等離子環中,按近似擺線運動軌跡前進,電子的運動軌跡被加長了,從而提高了電子與氣體分子的碰撞幾率。電子的每一次碰撞都會損失一部分能量,而且電子只有通過能量交換才能逃出磁場的束縛,電子在能量完全交換之前,大約要飛行100m,碰撞頻率為107次/s,這就使氣體的離化率和陰極靶所能得勁的禽子流密度大幅度提高,從而獲得高的濺射速率。


圖3 磁控濺射原理圖

1-高頻線圈;2-陰極靶;3-等離子體區;4-工件;5-高頻電源

二極濺射方法采用的是高電壓小電流輝光放電區間,而磁控濺射方法則是在低電壓大電流工作區間,其放電電流比二極濺射大10~40加倍,除了抵消因放電電壓低對濺射系數所造成的影響外,仍使其濺射速率遠遠大于二極濺射。

靶的功率密度對于二極濺射和射頻濺射等方法,主要受氣體輝光放電的伏安特性限制,靶的功率密度較低,一般在4w/cm2左右,而磁控濺射主要受靶的冷卻條件的限制,通??梢宰齙?5w/cm2左右。

濺射鍍膜的基片溫升取決于基片材料的熱容量及得到的能量和散熱失去能量的平衡,在基片材料及濺射裝置確定的條件下,也即是散熱條件基本不變的情況下,電子撞擊及沉積原子帶來的能量成為溫升的主要因素,而電子撞擊又占據了較大的比重。磁控濺射過程中,電子的運動軌跡變長,撞擊次數增多,喪失能量也較多,最終成為低能量的電子進入陽極,使基片的溫升有限,所以,磁控濺射方法非常適宜于熱敏感材料的鍍膜,如塑料鍍膜,這也是磁控濺射的一大特點。

如果把三極濺射與磁控濺射結合,則可得到三極磁控濺射鍍膜方法,三極磁控濺射鍍膜就是在磁控濺射裝置中增設熱電子發射燈絲,使其發射的熱電子與氣體分子碰撞而電離的幾率得到增強,進一步提高濺射速率,其輝光放電更加穩定。

(4)射頻濺射在真空室中,設置兩個極板并施加頻率在50kh以上的高頻電,則處于高頻電場中的少量電子在高頻電場的作用下加速,與氣體分子發生碰撞,使氣體分子電離而放出電子,這些電子又會被高頻電場加速,最終形成高頻輝光放電。高頻輝光放電的兩電極的輝光沒有區別,各自有陰極暗區和負輝區,等離子柱在兩極之間。高頻電源的輸入耦合方式有電容耦合方式和電感耦合方式,

常用的平板電極射頻濺射原理如圖4所示。


圖4 射頻濺射原理圖

平板電極射頻濺射的靶通過匹配回路與射頻電源相連,當濺射裝置內的布置變化時,適當調整匹配回路,使放電阻抗與電源阻抗相匹配,可有效地輸入射頻功率,為了使放電區限制在靶與基片之間,在沿著垂直于靶的方向上加磁場。延長電子的運動距離,提高放電電流。兩極間等離子區的離子轟擊靶表面產生濺射,濺射原子在基片上沉積形成膜層。

射頻濺射多用13.56mh射頻電源,功率為0.3~10kw,濺射氣體壓強為1~10-1pa.射頻濺射靶需施加高頻電壓,并需要水冷卻,因此絕緣性能要好,其引水管必須有一定的長度,水電阻要足夠大。

射頻濺射是用于濺射絕緣靶材鍍制絕緣薄膜的方法,用射頻放電能濺射絕緣材料,其原因是,當靶材為絕緣材料時,放電的等離子區中電子的遷移率遠遠大于離子的遷移率,電子撞擊靶材時在靶的表面積存,使靶表面自動地加上負偏壓,等離子區中的正離子受靶負電位的吸引轟擊靶表面產生濺射,基片附近的正離子卻沒有電場加速,因此基片不產生濺射,另外,射頻濺射中,通?;駝嬋帳醫擁氐縹?,即使有離子轟擊基片,因基片和真空室的總面積遠遠大于靶的面積,這就分散了離子轟擊基片的離子流密度,,使基片上的反濺射作用降到很低,從而可以沉積獲得膜層:當靶材是,金屬等導體時,也在靶的接線端串聯1oo~300μf的電容器,使靶帶負電位。

(5)離子束濺射圖5是離子束濺射原理圖,采用單獨的等離子體產生源l,產生等離子體2,通過特定的方法引出等離子體轟擊陰極靶,產生濺射,最終在基片上沉積膜層,離子束濺射須在較高的真空度下進行;這樣才能獲得純度較高的膜層。但是由于離子束流密度小,沉積速度緩慢,另外裝置設備也較為復雜,所以除特殊應用外,一般不常使用這種濺射方法。


圖5 離子束濺射原理圖

1-等離子體產生源;2-等離子體;3-靶;4-工件;5-濺射粒子

(6)各種濺射鍍膜方法比較各種濺射鍍膜方法的比較見表1。

表1 濺射鍍膜方法的比較

種 類

原 理

典型工藝參數

特點

二極濺射

利用氣體輝光放電產生轟擊靶的正離子,工件與工件架為、陽極,被濺射物質為陰極。

dc:1~7kv;0.15~1.5ma/cm2;rf:0.31~10kv;1~10w/cm2,真空鍍1~10pa

結構簡單;在大面積的工件表面上可以制取均勻的薄膜,放電電流隨壓力和電壓的變化而變化。

三極或四極濺射

通過輔助熱陰極和陽極間的等離子區產生的粒子轟擊靶陰極,有穩定電極的,稱為四極濺射;否則為三極濺射。

dc:0~2kv;rf:0~1kv;真空鍍6×10-2~1×10-1pa

可以實現低氣壓、低電壓濺射,放電電流和轟擊靶的離子能量可以獨立調節控制,可以自動控制靶電流,也可以進行射頻濺射。

磁控濺射

利用靶表面上方磁場電子約束能力強、對離子約束能力弱的特點,使電子在靶表面附近震蕩,把能量傳遞給氣體分子,使其電離。

dc:0.2~1kv;3~30w/cm2;真空鍍:10-2~10-3pa

在靶表面施加的磁場約束電子的運動軌跡,提高氣體離化效率,濺射速度加快,減小電子對基片的轟擊,降低基片濕度。

射頻濺射

采用射頻電壓,電子在被陽極收集之前,在陽極、陰極之間來回震蕩,使濺射可在高真空度下進行,如果采用電容耦合,可以在絕緣體陰極表面形成負偏壓,濺射絕緣體。

rf:0.3~10kv;0~12kv;頻率:13.56mhz;真空鍍1~10-1pa

可以沉積絕緣體或者金屬

離子束濺射

采用單獨的等離子體產生源,引出等離子體轟擊陰極靶

采用直流,真空鍍:10-3pa

可以在很高的真空度下進行,獲得高純度的簿膜,膜層結構可調節,但由于束流密度小,不能夠應用于大面積沉積。



 
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