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| 真空鍍膜設(shè)備磁控濺射基本原理 |
| 發(fā)布時(shí)間：2014-07-07 瀏覽： 次 |
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1、磁控濺射 磁控濺射是一個(gè)磁控運(yùn)行模式的二極濺射。它與二~四極濺射的主要不同點(diǎn)：一是，在濺射的陰極靶后面設(shè)置了永久磁鋼或電磁鐵。在靶面上產(chǎn)生水平分量的磁場(chǎng)或垂直分量的磁場(chǎng)，由氣體放電產(chǎn)生的電子被束縛在靶面附近的等離子區(qū)內(nèi)的特定軌道內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn);受電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的復(fù)合作用，沿一定的跑道作旋輪轉(zhuǎn)圈。 靶面磁場(chǎng)對(duì)荷電粒子具有約束作用，磁場(chǎng)愈強(qiáng)束縛的愈緊。由于電磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛和加速，電子在到達(dá)基片和陽極前，其運(yùn)動(dòng)的路徑也大為延長(zhǎng)，使局部Ar氣的碰撞電離幾率大大增加，氬離子Ar+在電場(chǎng)作用下加速，轟擊作為陰極的靶材。把靶材表面的分子、原子及離子及電子等濺射出來，提高了靶材的飛濺脫離率。 被濺射出來的粒子帶有一定的動(dòng)能，沿著一定的方向射向基體，最后沉積在基體上成膜。經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛,最終落在基片、真空室內(nèi)壁及靶電源陽極上。 工作氣體電離幾率的增加和靶材離化率的提高，使真空氣體放電時(shí)內(nèi)阻減小，故磁控靶發(fā)生濺射沉積時(shí)的工作電壓較低(多數(shù)在4-600V之間)，有的工作電壓略高(例如>700V)，有的工作電壓較低(例如300V左右)。 磁控濺射發(fā)生時(shí)，其濺射工作電壓主要降落在磁控靶的陰極位降區(qū)上。 由于磁控濺射沉積的膜層均勻、致密、針孔少，純度高，附著力強(qiáng)，可以在低溫、低損傷的條件下實(shí)現(xiàn)高速沉積各種材料薄膜，已經(jīng)成為當(dāng)今真空鍍膜中的一種成熟技術(shù)與工業(yè)化的生產(chǎn)方式。 磁控濺射技術(shù)在科學(xué)研究與各行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)中得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 總之，磁控濺射技術(shù)就是利用電磁場(chǎng)來控制真空腔體內(nèi)氣體“異常輝光放電”中離子、電子的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布狀況的濺射鍍膜的工藝過程。 2、產(chǎn)生磁控濺射的三個(gè)條件 磁控氣體放電進(jìn)而引起濺射，必須滿足三個(gè)必要而充分的條件： (1)第一，具有合適的放電氣體壓強(qiáng)P：直流或脈沖中頻磁控放電，大約在0. 1 Pa~10Pa左右)，典型值為5×10-1Pa;射頻磁控放電大約在10-1~10-2Pa。 (2)第二，磁控靶面具有一定的水平(或等效水平)磁場(chǎng)強(qiáng)度B(大約10mT~100mT)，典型值為30~50mT，最低也要達(dá)到10~20 mT(100~200高斯)。 (3)第三，真空腔體內(nèi)，具有與磁場(chǎng)正交(或等效正交)的電場(chǎng)V，典型值500~700V。 我們通稱以上三條為P-B-V條件。 3、磁控濺射離子鍍 (1)在基體和工件上是否施加(直流或脈沖)負(fù)偏壓，利用負(fù)偏壓對(duì)離子的吸引和加速作用，是離子鍍與其它鍍膜類型的一個(gè)主要區(qū)別。 蒸發(fā)鍍時(shí)基體和工件上加有負(fù)偏壓就是蒸發(fā)離子鍍 ;多弧鍍時(shí)基體和工件上加有負(fù)偏壓就是多弧離子鍍;磁控濺射時(shí)基體和工件上加有負(fù)偏壓就是磁控濺射離子鍍，這是磁控濺射離子鍍技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)。 (2)磁控濺射離子鍍是把磁控濺射和離子鍍結(jié)合起來的技術(shù)。在同一個(gè)真空腔體內(nèi)既可實(shí)現(xiàn)氬離子對(duì)磁控靶材的穩(wěn)定濺射，又實(shí)現(xiàn)了高能靶材離子在基片負(fù)偏壓作用下到達(dá)基片進(jìn)行轟擊、濺射、注入及沉積作用過程。 整個(gè)鍍膜過程都存在離子對(duì)基片和工件表面的轟擊，可有效清除基片和工件表面的氣體和污物;使成膜過程中，膜層表面始終保持清潔狀態(tài)。 (3) 磁控濺射離子鍍可以在膜-基界面上形成明顯的混合過渡層(偽擴(kuò)散層)，提高膜層附著強(qiáng)度;可以使膜層與工件形成金屬間化合物和固熔體，實(shí)現(xiàn)材料表面合金化，甚至出現(xiàn)新的晶相結(jié)構(gòu)。 (4)磁控濺射離子鍍形成膜層的膜基結(jié)合力好、膜層的繞鍍性好、膜層組織可控參數(shù)多、膜層粒子總體能量高，容易進(jìn)行反應(yīng)沉積，可以在較低溫度下獲得化合物膜層。 (5)磁控濺射離子鍍可以消除膜層拄狀晶結(jié)構(gòu)，生成均勻的顆粒狀晶結(jié)構(gòu)。 4、磁控濺射偏置電壓 (1)偏置電壓的類別：根據(jù)磁控濺射基片即工件偏置電壓的不同作用，可分為直流負(fù)偏壓、脈沖負(fù)偏壓、交流偏壓、零偏壓與懸浮偏壓五個(gè)類別。 (2)偏置電壓的不同作用 在基片上加負(fù)偏壓后，基-陽極間可產(chǎn)生更大的電場(chǎng)力，可使等離子體中的正離子獲得更大的能量和加速度轟擊基片和工件;可對(duì)從靶材表面被濺射出來的原子或分子團(tuán)等帶電粒子進(jìn)行某種程度的導(dǎo)向和沉積，繞鍍性好;在基片和工件上施加不同的負(fù)偏壓可以消除基片和工件膜層表面在不同的真空度條件下形成的錐狀晶和拄狀晶;在工件上施加交流偏壓，可以中和絕緣膜層上積累的正電荷，減少和消除工件表面打弧;在工件上施加脈沖偏壓，因其占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)，可以在一定程度上調(diào)節(jié)工件表面溫升。 基片電位直接影響入射的電子流或離子流?；心康牡剡x擇與施加不同的偏壓、選擇合適的幅值或“占空比”、使其按電的極性接收電子或正離子，不僅可以凈化基片，增強(qiáng)薄膜附著力，而且還可以改變薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 基片選用和施加何種偏置電壓對(duì)濺射、沉積及鍍膜的工藝過程和薄膜質(zhì)量可以產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果偏壓的類別和參數(shù)(電流、電壓與占空比)選擇合適，膜層的品質(zhì)和性能可以大為改善。 ① 直流負(fù)偏壓 在基片上加直流負(fù)偏壓，在基-陽極間可產(chǎn)生更大的電場(chǎng)力，使等離子體中的正離子獲得更大的能量和加速度轟擊基片和工件;另外，還可以對(duì)從靶材表面被濺射出來的原子或分子團(tuán)等帶電離子進(jìn)行某種程度的導(dǎo)向和沉積。由于直流負(fù)偏壓連續(xù)無中斷，故對(duì)基片有一定的加熱升溫作用。 ?、?脈沖負(fù)偏壓 在基片上加中頻脈沖直流負(fù)偏壓可以改變基片與工件沉積離子束流大小;可以減少基片與工件表面打弧，優(yōu)化膜層結(jié)構(gòu)，提高膜層附著力;由于占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)，可以在一定程度上調(diào)節(jié)或改變工件表面膜層的溫度和加熱時(shí)間;加中頻脈沖負(fù)偏壓還可以提高各個(gè)單脈沖的幅值，提高工件反濺射清洗和鍍膜的效果。加中頻脈沖負(fù)偏壓有利于降低等離子體的內(nèi)阻，使工作氣體離化幾率有一定程度的提高。另外，通過改變中頻脈沖直流負(fù)偏壓數(shù)值和占空比大小可以對(duì)反應(yīng)磁控濺射化合物薄膜的顏色及顏色深淺產(chǎn)生影響。 ?、?交流偏壓 交流偏壓分為中頻對(duì)稱雙極脈沖偏壓、非對(duì)稱雙極脈沖偏壓和射頻偏置電壓幾種;因正弦波不存在占空比可調(diào)的問題，故正弦波中頻偏壓與雙極矩形脈沖偏壓相比優(yōu)勢(shì)不明顯，實(shí)際使用較少。 在工件上施加交流偏壓，偏壓正負(fù)極性來回變換互倒，可以中和絕緣膜層上積累的正電荷，減少和消除工件表面打弧;由于占空比連續(xù)可調(diào)，可以在一定程度上調(diào)節(jié)和降低工件表面膜層的溫升;特別適合于濺射沉積介質(zhì)膜層和高品質(zhì)膜層。 若工件和基體接射頻偏置電壓，13.56MHZ的高頻交流偏壓可將工作氣體的離花率提高到一個(gè)比較高的水平，最后導(dǎo)致靶材離化率的上升和濺射沉積速率的提高;工件和基體接射頻偏置電壓，可以使濺射沉積膜層光華致密。 但是，如果射頻偏置電壓過大，轟擊靶材離子能量過大，容易造成膜層較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜的開裂和脫落。 ?、?零偏壓與懸浮偏壓 根據(jù)鍍膜不同工藝需要，工件和基體可接負(fù)極性的直流偏置電壓和脈沖直流偏置電壓，也可接交流偏置電壓(雙極脈沖和射頻);既可接零電位，也可以懸浮不接(這時(shí)基片處于等離子體中自感應(yīng)偏壓值為負(fù)十幾伏)。 這里需要注意的是兩點(diǎn)：第一，零偏置電壓，不是沒有偏壓，不是無的概念;第二，基片懸浮不接任何偏置電壓，既不是無偏置電壓的概念，又不是零偏置電壓的概念。 一般允許耐受溫度較低的工件在磁控濺射鍍膜時(shí)，為了防止工件變形，可以選用“零偏置電壓”、“懸浮偏置電壓”或選用小占空比低幅值偏置電壓。 (3)偏壓的兩個(gè)基本特性 不同類別的偏壓在鍍膜設(shè)備的實(shí)際使用時(shí)，還受到“靶-基距”的共同制約與影響 ： ① 恒流型偏壓 當(dāng)靶—基距較大，基片位于距靶面較遠(yuǎn)的弱等離子區(qū)內(nèi)。其特點(diǎn)是：最初偏流是隨負(fù)偏壓而上升，當(dāng)負(fù)偏壓上升到一定程度以后，偏流基本上飽和，處于恒流狀態(tài)，稱為恒流型偏壓。 ?、?恒壓型偏壓 “靶-基距”較小，基片位于距靶面較近的強(qiáng)等離子區(qū)內(nèi);偏流為受正電荷空間分布限制的離子電流。其特點(diǎn)是：偏流始終隨負(fù)偏壓的上升而上升。 當(dāng)負(fù)偏壓上升到一定程度，例如200多伏以后，基本處于恒穩(wěn)狀態(tài)，稱為恒壓型偏壓(偏壓具體數(shù)值與設(shè)備的真空條件有關(guān))。由于“靶-基距”較小，造成基片附近有較高的電子密度，撞擊加熱基片和工件，致使鍍件表面膜層的溫度較高。 5、基片與工件的“反濺清洗” (1)將真空金屬腔體外殼接地同時(shí)接偏壓電源輸出正極，將基片和工件接偏壓電源輸出負(fù)極，當(dāng)偏壓電源輸出的負(fù)偏壓值足夠高，到達(dá)的高能離子會(huì)將基片和工件表面的原子濺射下來，這種將基材原子濺射下來的過程稱為“反濺射”。 反濺射可以在鍍件表面形成“偽擴(kuò)散層”?？梢郧宄凸ぜ砻娴难趸瘜印⒓庸っ?、油漬和污物，故又稱為基片和工件的“反濺清洗”。 (2)基片和工件的“反濺清洗”可以選用500V~1KV左右的直流或單極脈沖電壓;反濺完畢，應(yīng)該將電壓改為正常濺射工藝值，達(dá)到低溫磁控濺射的要求。 (3)除用基片正偏壓來轟擊清洗真空腔體內(nèi)的接地構(gòu)件外，正常濺射鍍膜時(shí)基片和工件應(yīng)該避免使用正的偏置電壓。 6、基片架設(shè)計(jì)要求 (1)由于基片需要加偏壓，一般采用導(dǎo)電金屬材料制成。如果待鍍膜的工件是導(dǎo)電材料，只要與基片上的偏壓能夠連接導(dǎo)電就行了，對(duì)基片的機(jī)械幾何形狀無特殊要求。 (2)若待鍍膜的工件是玻璃、陶瓷等不導(dǎo)電的絕緣材料，基片架的機(jī)械幾何形狀設(shè)計(jì)，除了需考慮導(dǎo)電和懸掛、固定工件外，還應(yīng)考慮如何發(fā)揮偏壓對(duì)金屬離子的某種吸引導(dǎo)向作用，兼顧偏壓對(duì)絕緣材料工件表面薄膜均勻性的影響。 (3)為了兼顧工件表面薄膜的均勻性和多工件鍍膜可以一次完成，通常整個(gè)基片架設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)式(公轉(zhuǎn))，各圓拄面或立體面工件局部設(shè)計(jì)成自旋轉(zhuǎn)(自轉(zhuǎn))結(jié)構(gòu)。 7、反應(yīng)磁控濺射 以金屬、合金、低價(jià)金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與通入的少量反應(yīng)氣體( 氧、氮、碳?xì)浠衔锏?)反應(yīng)生成化合物薄膜和絕緣薄膜(如氧化物或氮化物)，沉積在工件表面，這就是反應(yīng)磁控濺射?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù)來調(diào)控薄膜特性。 反應(yīng)磁控濺射分為直流反應(yīng)磁控濺射和交流反應(yīng)磁控濺射兩種。如果濺射采用的是直流(包括純直流和脈沖直流)靶電源，這就是直流反應(yīng)磁控濺射;若濺射采用的是交流(對(duì)稱或非對(duì)稱雙極脈沖、正弦波或射頻)靶電源的，就是交流反應(yīng)磁控濺射;交流反應(yīng)磁控濺射電壓的頻率處于10~80KHZ范圍的，稱為中頻反應(yīng)磁控濺射;若反應(yīng)磁控濺射電壓的頻率為工業(yè)射頻(如13.56MHZ)的,我們稱為射頻反應(yīng)磁控濺射。 射頻反應(yīng)磁控濺射一般不反應(yīng)濺射沉積絕緣薄膜;絕緣材料可用射頻靶電源直接濺射，缺點(diǎn)是靶材的濺射沉積速率較低。 在直流反應(yīng)磁控濺射鍍制絕緣薄膜過程中，反應(yīng)氣體容易在磁控靶面和真空金屬腔體內(nèi)壁反應(yīng)覆蓋一層高阻絕緣介質(zhì)膜層，造成“陽極消失”和“靶中毒”。陰極靶面的電荷積累,容易引發(fā)弧光放電，導(dǎo)致等離子體放電的不穩(wěn)定和濺射沉積速率的降低，進(jìn)而影響薄膜的均勻性及重復(fù)性，甚至可能造成磁控靶損壞和工件報(bào)廢。 直流反應(yīng)磁控濺射除了會(huì)產(chǎn)生“靶中毒”、“陽極消失”現(xiàn)象外，還會(huì)出現(xiàn)濺射速率與反應(yīng)氣體流量之間“遲滯現(xiàn)象”。 在直流反應(yīng)磁控濺射中，可以利用等離子發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)等離子體中的被濺金屬粒子含量，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量使等離子體放電電壓或電流穩(wěn)定，從而使濺射沉積穩(wěn)定進(jìn)行。選用“反應(yīng)濺射控制器”進(jìn)行反應(yīng)氣體流量的閉環(huán)自動(dòng)控制，可以取得比較好的鍍膜效果;人工控制調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體等工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)范圍窄，需要掌握熟練的工藝操作技術(shù)。 為了保證膜層的成分,又要保證足夠的沉積速率,一般工作點(diǎn)要選取在反應(yīng)磁控濺射“遲滯效應(yīng)”的過度區(qū)內(nèi);具體位置可由試生產(chǎn)中實(shí)驗(yàn)確定?？蓪须妷鹤鳛椴蓸訁?shù)，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量，使靶電壓向預(yù)定方向變化：當(dāng)靶電壓偏高時(shí)，控制器控制針式電磁閥或控制質(zhì)量流量計(jì)，增加反應(yīng)氣體流量，促使靶面向“反應(yīng)態(tài)”變化，這時(shí)靶電壓下降，接近流量設(shè)定值;當(dāng)靶電壓偏低時(shí)，減少反應(yīng)氣體流量，靶面趨于金屬化，致使靶電壓上升，反向接近流量設(shè)定值。 最后，根據(jù)給定電壓，反應(yīng)氣體電磁閥或質(zhì)量流量計(jì)精確控制閥門開啟的大小，使反應(yīng)氣體的流量大小可以確保反應(yīng)濺射的工作點(diǎn)在“過度區(qū)”的合適點(diǎn)上。 進(jìn)行交流中頻反應(yīng)磁控濺射鍍制絕緣薄膜時(shí)，采用對(duì)稱雙極脈沖或正弦波中頻靶電源與磁控雙靶(對(duì)靶或?qū)\生靶)替代DC濺射，進(jìn)行交流中頻反應(yīng)磁控濺射，可以克服和解決在直流反應(yīng)磁控濺射過程中，因“靶中毒”、“陽極消失”和“遲滯現(xiàn)象”和“靶面頻繁打弧”等引起等離子體放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。 在濺射過程中，幾乎沒有打弧放電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)一個(gè)磁控靶加的電壓處于負(fù)半周時(shí)，該靶受正離子轟擊發(fā)生濺射;當(dāng)電壓處于正半周時(shí)，電子被加速到靶面，中和了靶面積累的正電荷，解決了靶面“中毒”和打弧放電的問題。 兩個(gè)靶周期性輪流作為陰極與陽極，不存在陽極被高阻絕緣介質(zhì)膜覆蓋而造成的“陽極消失”問題;由于上述兩個(gè)問題的消失，由反應(yīng)氣體造成的“遲滯效應(yīng)”大大減小。 中頻雙靶反應(yīng)磁控濺射與直流反應(yīng)磁控濺射相比具有以下幾個(gè)顯巨優(yōu)點(diǎn)： (1)消除了靶面打弧放電現(xiàn)象，中頻反應(yīng)磁控濺射鍍制的絕緣薄膜與直流反應(yīng)磁控濺射鍍制的同種膜相比，膜面缺陷要少幾個(gè)數(shù)量級(jí); (2)可以得到比直流反應(yīng)磁控濺射高出數(shù)倍的濺射沉積速率; (3)中頻雙靶反應(yīng)磁控濺射的整個(gè)濺射沉積過程，可以始終穩(wěn)定在所設(shè)定的工作點(diǎn)上，為大規(guī)模工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)提供了條件。 選用非對(duì)稱雙極脈沖靶電源與選用“雙靶-中頻靶電源”不同，僅使用單個(gè)磁控靶進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射，調(diào)節(jié)相應(yīng)的鍍膜工藝參數(shù)，可以消除磁控靶面打弧放電現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的薄膜沉積，可以達(dá)到同樣效果。 以上內(nèi)容有愛加真空整理發(fā)布，愛加真空專業(yè)提供磁控濺射鍍膜設(shè)備銷售和維修，服務(wù)熱線：13903038154 相關(guān)閱讀 |
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