磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例
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山东射频磁控溅射用途山东射频磁控溅射是一种常见的薄膜沉积技术,主要用于制备各种材料的薄膜,广泛应用于光电、化学、电子、信息、医疗等领域。
下面我将详细介绍山东射频磁控溅射的技术原理和主要用途。
一、技术原理山东射频磁控溅射技术是利用高频电场和磁场共同作用下的阴极溅射现象进行薄膜的沉积。
其主要的工作原理如下:1. 高频电场作用:通过向靶材表面施加射频电场,使靶材处于高能状态,激发靶材表面原子和离子的运动。
2. 磁场作用:通过在溅射室内产生强磁场,将靶材表面激发的离子束束缚在一个狭小的区域内,使其以较高的速度冲击到基底表面。
同时,磁场还可以有效控制离子运动方向,提高靶材利用率和沉积速率。
3. 沉积:激发的原子和离子束经过磁场束缚后,以高速撞击到基底表面,形成均匀的薄膜。
二、主要用途山东射频磁控溅射技术主要应用于以下领域:1. 光电领域:利用射频磁控溅射技术可以制备出具有优良光学性能的薄膜材料,如透明导电膜、太阳能电池、液晶显示器背板等。
其中,透明导电膜是光电领域的重要材料之一,广泛应用于触摸屏、平板电脑、智能手机等电子产品中。
2. 化学领域:射频磁控溅射技术可以用于制备各种化学材料的薄膜,如金属氧化物薄膜、二氧化硅薄膜等。
这些薄膜在化学传感、催化反应、生物医学等领域具有重要应用价值。
3. 电子领域:通过射频磁控溅射技术可以制备高纯度的金属薄膜,用于制造电子元件。
例如,磁控溅射技术可以在集成电路制造中用于制备金属线路、金属散热片等关键部件。
4. 信息领域:射频磁控溅射技术可以制备高密度的磁性材料薄膜,用于制造硬盘、磁记录头等用于存储和读取信息的设备。
5. 医疗领域:射频磁控溅射技术可以制备抗菌薄膜、生物相容薄膜等用于医疗器械和医学器件的材料。
这些薄膜具有抑制细菌生长、提高医疗器械生物相容性等特性,使其在医疗领域具有广泛应用前景。
总结起来,山东射频磁控溅射技术是一种重要的薄膜沉积技术,广泛应用于光电、化学、电子、信息、医疗等领域。
磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜是一种应用于材料表面改性的先进技术。
它利用准分子束磁控溅射设备,通过电弧、离子束或电子束的能量作用于目标材料,使其产生高温、高压等物理、化学效应,从而实现材料表面镀膜的目的。
本文将从磁控溅射镀膜的基本原理、应用领域、优势和不足以及发展前景等方面进行详细介绍,旨在全面了解磁控溅射镀膜技术的特点及其在现代工业中的应用。
1. 磁控溅射镀膜的基本原理磁控溅射镀膜技术是将所需镀层物质以固体靶材的形式放在装备中的靶极,利用外加的电场、磁场或离子束等等,使得靶材产生某种运动状态,随后可以将靶面上的物质溅射出来,沉积在基材表面,形成薄膜。
其中磁场的作用是将靶材中被离子轰击的金属离子引导回到靶材中心,以增加溅射效率。
2. 磁控溅射镀膜的应用领域磁控溅射镀膜技术广泛应用于许多工业领域,如电子、光学、太阳能电池、柔性电子器件、集成电路、玻璃制造等。
在电子领域,磁控溅射镀膜技术可用于制备薄膜晶体管,提高电子器件的性能和稳定性。
在光学领域,磁控溅射镀膜技术可制备高反射率、低反射率和色分离膜等光学薄膜。
在太阳能电池领域,磁控溅射镀膜技术可用于制备光学膜和透明导电膜。
在柔性电子器件领域,磁控溅射镀膜技术可用于制备导电薄膜和保护膜。
3. 磁控溅射镀膜的优势和不足磁控溅射镀膜技术具有许多优势。
首先,其产生的薄膜具有高质量、高致密性和良好的附着力。
其次,磁控溅射镀膜过程中无需加热基材,可避免基材变形和热损伤。
此外,磁控溅射镀膜技术具有膜层成分可调、薄膜复杂结构可控等特点。
然而,磁控溅射镀膜技术也存在不足之处。
一方面,磁控溅射镀膜设备体积较大、成本较高,且对真空度要求较高。
另一方面,由于目前磁控溅射镀膜技术仍处于发展阶段,其在大尺寸薄膜制备和高速镀膜方面还存在一定限制。
4. 磁控溅射镀膜的未来发展随着科学技术的不断进步,磁控溅射镀膜技术将进一步得到发展和完善。
一方面,磁控溅射镀膜技术将在薄膜成分调控和复杂结构薄膜制备方面取得更大突破,以满足不同行业对薄膜材料的需求。
aja磁控溅射原理引言:aja磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术,它利用磁场控制金属靶材上的离子轰击,使其表面的金属原子得以溅射并沉积在基底上,从而形成具有特定功能的薄膜。
本文将详细介绍aja磁控溅射的原理、过程以及应用领域。
一、aja磁控溅射的原理aja磁控溅射利用磁场控制离子轰击金属靶材,并将溅射的金属原子沉积在基底上,形成薄膜。
其原理主要包括以下几个方面:1.磁控电子枪磁控电子枪是aja磁控溅射系统中的核心部件之一。
它通过电子束轰击金属靶材,产生高速离子束。
电子束在磁场的作用下呈螺旋状运动,从而使得离子束具有较高的平行度和能量分散度。
2.靶材靶材是aja磁控溅射中的溅射来源,通常由金属或合金制成。
靶材的选择取决于所需薄膜的成分。
在溅射过程中,电子束轰击靶材表面,使其金属原子从靶材上解离并沉积在基底上。
3.基底基底是薄膜沉积的载体,可以是玻璃、硅片、金属等材料。
基底的选择取决于所需薄膜的应用领域和性能要求。
4.工作气体工作气体在aja磁控溅射过程中起到两个作用:一是辅助形成离子束,二是稀释蒸发的金属原子。
常用的工作气体有氩气、氮气等。
二、aja磁控溅射的过程aja磁控溅射的过程可分为以下几个步骤:1.真空抽取在溅射过程开始前,需要将溅射室抽取至一定真空度,以确保溅射过程的稳定性和薄膜质量的提高。
2.离子轰击开启磁控电子枪,使电子束轰击金属靶材,产生离子束。
离子束的能量和流强可以通过调节电子枪的电压和电流来控制。
3.溅射沉积离子束轰击靶材表面,使金属原子从靶材上解离并沉积在基底上。
离子束的角度和位置可以通过调节磁场来控制,从而实现对薄膜的控制。
4.薄膜成长通过不断重复离子轰击和溅射沉积的过程,薄膜逐渐增厚,直到达到所需的厚度。
5.薄膜质量检测薄膜成长结束后,可以通过一些表征手段对薄膜的质量进行检测,如扫描电子显微镜、X射线衍射等。
三、aja磁控溅射的应用领域aja磁控溅射技术在多个领域都得到了广泛应用,主要包括以下几个方面:1.光电子器件aja磁控溅射可以制备光电子器件中的薄膜材料,如透明导电膜、光学膜等。
二氧化硅磁控溅射二氧化硅磁控溅射是一种常见的薄膜制备技术,主要用于制备具有高质量和均匀性的二氧化硅薄膜。
下面我将详细介绍二氧化硅磁控溅射的原理、过程和应用。
一、原理:二氧化硅磁控溅射利用带正电的离子束轰击固体硅靶,使靶材上的硅原子解离并沉积在基底表面上,形成均匀的二氧化硅薄膜。
这个过程是在真空环境下进行的,通过调节离子束的能量和沉积速率,可以实现对薄膜厚度和性质的控制。
二、过程:1. 准备硅靶和基底:首先,准备好高纯度的硅靶和要沉积薄膜的基底。
硅靶的质量和纯度将直接影响薄膜的质量。
基底的表面要清洁、平整,并在真空系统中安装。
2. 真空抽取:将靶室和沉积室抽取至高真空状态,通常取得低于10^-6 Pa的真空度。
真空抽取的目的是消除气体的影响,保证薄膜的质量。
3. 预清洗:通过高能离子预清洗基底表面,去除上面的杂质和缺陷。
这个步骤有助于增加薄膜的附着力和质量。
4. 沉积:开启靶室电源,产生一个磁场,利用离子轰击将硅靶上的原子解离并沉积在基底表面上。
通过调节离子束的能量、功率和工作气体的流量,可以控制薄膜的成分和厚度。
5. 后处理:完成沉积后,关闭靶室供气和离子源。
待系统压力回到大气压后,可以取出样品,并进行后续处理,如退火、表面处理等。
三、应用:二氧化硅磁控溅射具有较广泛的应用领域,主要表现在以下几个方面:1. 集成电路制造:二氧化硅薄膜可用作电路的绝缘层和介电材料,用于制备电容、绝缘层等元件,提升电路的工作性能。
2. 光学薄膜:二氧化硅具有较高的透明度和耐热性,可用于制备光学器件,如反射镜、透镜等。
此外,二氧化硅薄膜还可用于光纤传感器等领域。
3. 硅基微机电系统(MEMS):MEMS是一种将机械元件与电子电路结合的微纳技术,二氧化硅薄膜可用于制备光学器件、微阀门等MEMS元件,并在微机电系统中发挥重要作用。
4. 纳米技术:通过二氧化硅磁控溅射可以制备纳米颗粒、纳米管和模板等纳米结构材料,这些材料在纳米器件、催化剂和生物传感器等领域具有潜在的应用前景。
摘要:近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛,在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。
随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。
本文将介绍磁控溅射技术的发展,以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点,阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。
关键词:磁控管溅射率非平衡磁控溅射闭合场非平衡磁控溅射自溅射引言磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面1~8,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。
1852年Grove首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。
60年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。
磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。
一、磁控溅射镀膜原理及其特点1.1、磁控溅射沉积镀膜机理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。
磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100~1000Gauss强力磁铁,真空室充入011~10Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体。
在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar+离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10~100倍,因此该区域内等离子体密度很高。
磁控溅射镀膜技术的研究进展磁控溅射镀膜技术是一种常见的表面处理技术,它可以在各种基材表面制备出具有特殊性能的薄膜层。
随着技术的不断发展,在材料的选择、制备工艺、表面状态分析等方面都有所进步,使得磁控溅射镀膜技术在科学研究和实际应用中发挥着重要作用。
一、磁控溅射镀膜技术的基本原理磁控溅射镀膜技术基于靶材发射金属离子的原理,通过高能离子轰击固体靶材表面,使得金属离子从靶材表面脱离并沉积在基材表面上,从而形成具有一定厚度和化学组成的功能性膜层。
这种技术的独特之处在于可以通过控制靶材的化学成分和溅射工艺参数来调控薄膜层的结构和性能。
其中,靶材的化学成分直接影响薄膜层的组成,而溅射工艺参数如气压、功率、溅射气体种类和气体流量等则直接影响溅射速率和膜层的质量。
二、材料选择与制备工艺磁控溅射镀膜技术广泛用于各种材料的制备,包括金属、合金、氧化物、硅类材料以及半导体材料等。
对于不同的材料,其制备工艺也有所不同。
金属材料通常采用单一金属靶材或合金靶材进行制备,而合金靶材的组成比例可以通过调整靶材的制备工艺来实现。
氧化物材料则需要先将靶材还原成金属或合金形态,然后利用气氛调节技术调节气氛中氧气含量来制备氧化物膜层。
在制备工艺方面,需要进行适当的气氛调节和工艺优化。
例如,在制备合金材料时,需要考虑合金靶材的制备过程中的变形问题,找到合适的制备参数来保证靶材的均匀溅射和膜层的均匀沉积。
三、表面状态分析磁控溅射镀膜技术制备出的膜层常常需要通过表面状态分析来控制其性能,最常用的分析方法是X射线衍射和扫描电镜技术。
X射线衍射技术可以用于分析膜层的结晶性、晶格参数和晶胞结构等信息,从而定量描述膜层的结构和性能。
而扫描电镜技术则可以提供更丰富和直观的表面形貌信息,包括表面粗糙度、形貌变化和结构特征等。
此外,还有一些其他的表面分析技术如原子力显微镜、能量散射光谱和X射线光电子能谱等,可以用于全面分析膜层的属性和性能。
四、应用前景磁控溅射镀膜技术在各种领域都得到了广泛应用,在新能源、医疗、航空航天等高科技产业中有着重要的地位。
磁控溅射镀膜技术在光学薄膜中的应用作为一种常见的表面涂层技术,磁控溅射镀膜技术被广泛应用于光学薄膜领域。
其与传统的蒸发和离子镀技术相比,有更好的沉积速率、沉积质量以及对高熔点物质的表面涂层能力。
本文将探讨磁控溅射镀膜技术在光学薄膜中的应用。
一、磁控溅射镀膜技术的基本原理磁控溅射镀膜技术是一种将金属或非金属材料转化为气态,然后在物体表面沉积形成薄膜的表面涂层技术。
其基本原理为将高能量的粒子轰击到材料上,使其转化为气态,然后被磁场加速并引导直接沉积到目标物体表面上。
这种技术具有简单易行、高精度、大批量生产等优点。
二、磁控溅射镀膜技术的应用领域磁控溅射技术在银及贵金属、氧化物、氟化物、氮化物等材料的表面涂层方面应用最为广泛。
其在太阳能电池板、镜片、LED 芯片等领域均有重要应用。
在光学领域主要被用来制造反射和透射膜层。
反射膜层用于制作镜面和反光器材,由于磁控溅射技术能够生产高质量、高折射率、高反射率膜层,因此已成为反射膜制造行业的主流技术,广泛应用于金属镜、全反射镜、折射镜、衰减镜等器材的制造。
透射膜层则用于制作光学元件,如滤波器、调制器、液晶显示器等。
目前,磁控溅射技术已成为制造高品质光学器材的首选技术,主要由于其能够控制膜层厚度、形状、光学性能和生产周期等因素。
三、磁控溅射镀膜技术的未来发展方向/随着现代信息技术和光电子技术的不断发展,磁控溅射技术的应用领域也将不断扩展。
基于化学成分的工艺控制和镀膜参数的改进,膜层厚度、形状、质量和其它光学性能交替控制将得以实现。
同时,尽管目前磁控溅射镀膜技术已可满足绝大部分光学薄膜制造需求,但其在规模化生产、膜层厚度均匀度、介电性能等方面仍需改进。
未来,磁控溅射技术在深度应用上仍有巨大的发展空间。
磁控溅射技术原理、现状、发展及应用实例(薄膜物理大作业论文)班级:1035101班学号:1101900508姓名:孙静一、前言镀膜玻璃是一种在玻璃表面上镀一层或多层金属氧化物薄膜,使其具有一种或多种功能的玻璃深加工产品。
自七十年代开始,在世界发达国家和地区,传统的单一采光材料—普通建气琳璃,已逐步为具有节能、控光、调温、改变墙体结构以及具有艺术装饰效果的多功能玻璃新产品所替代,如茶色玻璃、中空玻璃、镀膜玻璃等,其中又以镀膜玻璃尤汐引人注目,发展也颇为迅速,如欧洲共同体国家在1985年建筑玻璃总量的三分之二用的是镀膜玻璃,美国镀膜玻璃的市场在八十年代就已达5000万平方米/年,在香港、新加坡、台湾等经济崛起的东南亚国家和地区,镀膜玻璃的使用也日渐盛行。
镀膜玻璃作为一种新型的建筑装饰材料已得到了人们普遍的肯定和喜爱。
目前生产镀膜玻璃所采用的方法大体上可分为浸渍法、化学气相沉积法、真空蒸发法、磁控溅射法以及在线镀膜等五种方法。
浸渍法是将玻璃浸人盛有金属有机化合物溶液的槽中,取出后送人炉中加热,去除有机物,从而形成了金属氧化物膜层。
由于浸渍法使玻璃两边涂膜,且低边部膜层较厚,同时可供水解盐类不多,因而在国内未得到很好推广。
化学气相沉积法是将金属化合物加热成蒸汽状,然后涂到加热后的玻璃表面上。
这种方法由于受到所镀物质的限制,且在大板上也难真空蒸发法是在真空条件下,通过电加热使镀膜材料蒸发,由固相转化为气相,从而沉积在玻璃表面上,形成稳定的薄膜。
此法的不足之处是所镀膜层不太均匀、有疵点、易脱落。
只能生产单层金属镀膜玻璃,颜色也难以控制。
磁控溅射法是在真空条件下电离惰性气休,气体离子在电场的作用下,轰击金属靶材使金属原子沉积到玻璃表面上。
在线镀膜一般是在浮法玻璃生产线上进行,如电浮法、热喷涂等方法,目前我国较少使用。
在这些方法中,磁控溅射镀膜法是七十年代末期发展起来的一种先进的工艺方法,它的膜层由多层金属或金属氧化层组成,允许任意调节能量通过率、能量反射率,具有良好的外观美学效果,它克服了其它几种生产方法存在的一些缺点,因而目前国际上广泛采用这一方法。
磁控溅射镀膜玻璃已越来越多地被运用于现代建筑并逐渐在民用住宅、汽车、电子等域使用,具有广阔的发展前景。
二、磁控溅射镀膜工艺(一)工艺原理及特点磁控溅射是一种新型的高速、低温溅射镀膜方法,它是在专门的真空设备中,借助于高压直线溅射装置进行的。
磁控溅射镀膜工艺的原理是:将玻璃送人设有磁控阴极和溅射气体(氮气、氮气或氧气)的真空室内,阴极加负电压,在真空室内辉光放电,产生等离子体,由于金属靶材带负电,等离子体中带正电的气体离子被加速,并以相当于靶极位降U的能量撞击靶面,将金属靶的原子轰出来,使之沉淀在玻璃表面上而形成金属膜。
工艺原理如下图所示:磁控溅射镀膜工艺的显著特点是:可以多层镀膜(双层膜、三层膜等),通过更换金属靶材即可获得不同品种的产品,如热反射玻璃、低辐射玻璃、导电玻璃以及镜面膜玻璃等。
采用磁控溅射镀膜工艺生产的镀膜玻璃膜层均匀牢固,色泽美观,品种繁多,产品范围广,而且产量可大可小,并能按用户要求加工所需的数量和质量,灵活性大,生命力强,这是其它方法所不及的。
(二)工艺流程磁控溅射镀膜的简单工艺流程如下:原片改切~装片~人口等待~洗涤干燥~初检~真空过渡室~镀膜~真空过渡室~洗涤干燥一检验~卸片~包装~入库(三)磁控溅射的分类1、平衡磁控溅射平衡磁控溅射即传统的磁控溅射,是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈,在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。
沉积室充入一定量的工作气体,通常为Ar,在高压作用下Ar原了电离成为Ar离子和电子,产生辉光放电,Ar,离子经电场加速轰击靶材,溅射出靶材原子、离子和二次电子等。
电子在相互垂直的电磁场的作用下,以摆线方式运动,被束缚在靶材表面,延长了其在等离子体中的运动轨迹,增加其参与气体分子碰撞和电离的过程,电离出更多的离子,提高了气体的离化率,在较低的气体压力下也可维持放电,因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力,也同时提高了溅射的效率和沉积速率。
但平衡磁控溅射也有不足之处,例如:由于磁场作用,辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近,等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60~70的区域,随着离开靶面距离的增大,等离子浓度迅速降低,这时只能把工件安放在磁控靶表面SO^-100 mm的范围内,以增强离子轰击的效果。
这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸,不适于较大的工件或装炉量,制约了磁控溅射技术的应用。
且在平衡磁控溅射时,飞出的靶材粒子能量较低,膜基结合强度较差,低能量的沉积原子在基体表面迁移率低,易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。
提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能,但是在很多的情况下,工件材料本身不能承受所需的高温。
非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点,将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200 ^'300~的范围内,使基体沉浸在等离子体中,如图1所示。
这样,一方面,溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜,另一方面,等离子体以一定的能量轰击基体,起到离子束辅助沉积的作用,大大的改善了膜层的质量。
2、非平衡磁控溅射1985年,Window和Sawides 首先引入了非平衡磁控溅射的概念。
不久,多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现,磁场有边缘强,也有中部强,导致溅射靶表面磁场的“非平衡”。
磁控溅射靶的非平衡磁场不仅有通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得,也有由两组电磁线圈产生,或采用电磁线圈与永磁体混合结构。
还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管,用来改变阴极和基体之间的磁场,并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例。
非平衡磁控溅射系统有两种结构,一种是其芯部磁场强度比外环高,磁力线没有闭合,被引向真空室壁,基体表面的等离子体密度低,因此该方式很少被采用。
另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度,磁力线没有完全形成闭合回路,部分外环的磁力线延伸到基体表面,使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域,同时再与中性粒子发生碰撞电离,等离子体不再被完全限制在靶材表面区域,而是能够到达基体表面,进一步增加镀膜区域的离子浓度,使衬底离子束流密度提高,通常可达5 mA/cmz以上。
这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源,基体离子束流密度与靶材电流密度成正比,靶材电流密度提高,沉积速率提高,同时基体离子束流密度提高,对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。
非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质,活化工件表面的作用,同时在工件表面上形成伪扩散层,有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。
在镀膜过程中,载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。
比如,离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子,切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长,从而生更致密,结合力更强,更均匀的膜层,并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。
非平衡磁控溅射技术的运用,使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决,然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜,而且在电子飞向基体的过程中,随着磁场强度的减弱,一部分电子吸附到真空室壁上,导致电子和离子的浓度下降。
对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统,以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。
多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射,如图2所示(a)为双靶闭合磁场,(b)为双靶镜像磁场。
比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况,可以看出在靶材表面附近磁场差别不大,内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区,在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀,溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。
在内部和外环磁极的位置,特别是较强的外环磁极处,以纵向磁场为主,成为二次电子逃离靶面的主要通道,进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。
再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布,差别就大了,对于镜像靶对,由于两个靶磁场的相互排斥,纵向磁场都被迫向镀膜区外(真空室壁)弯曲,电子被引导到真空室壁上流失,总体上降低了电子进而离子的数量。
由于镜像磁场方式不能有效地束缚电子,因而等离子体的溅射效率未有得到提高。
而闭合磁场非平衡靶对在镀膜区域的纵向磁场是闭合的。
只要磁场强度足够,电子就只能在镀膜区域和两个靶之间运动,避免了电子的损失,从而增加了镀膜区域的离子浓度,大幅度提高了溅射效率。
Teer比较了平衡磁控溅射靶,镜像非平衡磁控靶和闭合非平衡磁控靶三种模式工件上偏压电流的伏安特性,结果表明了闭合非平衡磁控靶和镜像非平衡磁控靶的工件偏压电流依次比平衡磁控溅射靶工件偏压电流提高了近2和6倍。
Sproul比较了镜像结构与闭合结构系统在中位线位置的磁场强度和基体自偏压电流,镜像结构在中位线位置的磁场强度几乎都为零,基体自偏压电流最高为1.3 A,而闭合结构中位线位置的磁感应强度可高达20 x 10-4 T,对应基体自偏压电流5.9 A。
多靶闭合磁场非平衡磁控溅射系统可以获得高的沉积速率和较高质量的薄膜,因此实际应用中较多采用的是闭合磁场非平衡磁控溅射系统。
3、反应磁控溅射现代表面工程的发展越来越多地需要用到各种化合物薄膜,反应磁控溅射技术是沉积化合物薄膜的主要方式之一。
沉积多元成分的化合物薄膜,可以使用化合物材料制作的靶材溅射沉积,也可以在溅射纯金属或合金靶材时,通入一定的反应气体,如氧气、氮气,反应沉积化合物薄膜,后者被称这反应溅射。
通常纯金属靶和反应气体较容易获得很高的纯度,因而反应溅射被广泛的应用沉积化合物薄膜。
但是在沉积介电材料或绝缘材料化合物薄膜的反应磁控溅射时,容易出现迟滞现象,如图3 所示。
在反应磁控溅射的过程中,溅射沉积室中的反应气体流量较低时(A-B),大部分的反应气体被溅射金属所获,此时沉积速率较高,且几乎保持不变,此时沉积膜基本上属金属态,因此这种溅射状态称为金属模式。
但是当反应气体的流量的值增加到临界值B时,金属靶与反应气体作用,在靶表面生层化合物层。
由于化合物的二次电子发射系数一般高于金属,溅射产额降低,此时反应气体的流量稍微增加(B-C),沉积室的压力就是突然上升,溅射速率会发生大幅度的下降,这种过程称为过渡模式。
通常高速率反应溅射过程工作在过渡模式。
此后反应气体流量再进一步增加,气体流量与沉积室压力呈线性比例,沉积速率的变化不大,沉积膜呈现为化合物膜,此时的溅射状态称为反应模式。
在溅射处于反应模式时,逐渐减小反应气体流量(D-E)溅射速率不会由C立刻回升到B,而呈现缓慢回升的状态,直到减小到某个数值E,才会出现突然上升到金属模式溅射状态时的数值,这是因为反应气体保持高的分压,直到靶材表面的化合物被溅射去除,金属重新曝露出来,反应气体的消耗增加,沉积室压力又降低,这样就形成了闭合的迟滞回线。