中频磁控溅射蒸发镀膜技术讨论专题

2020-07-04 16:01 发布

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中频磁控溅射蒸发镀膜技术讨论专题




磁控溅射包括很多种类。各有不同工作原理和应用对象。但有一共同点:利用磁场与电子交互作用,使电子在靶表面附近成螺旋状运行,从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。在近几十年的发展中,大家逐渐采用永久磁铁,很少用线圈磁铁。

靶源分平衡和非平衡式,原理有兴趣我以后给大家详细介绍。平衡式靶源镀膜均匀,非平衡式靶源镀膜膜层和基体结合力强。平衡靶源多用于半导体光学膜,非平衡多用于磨损装饰膜。


不管平衡非平衡,若磁铁静止,其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%。为增大靶材利用率,可采用旋转磁场。但旋转磁场需要旋转机构,同时溅射速率要减小。旋转磁场多用于大型或贵重靶。如半导体膜溅射。对于小型设备和一般工业设备,多用磁场静止靶源。

用磁控靶源溅射金属和合金很容易,点火和溅射很方便。这是因为靶(阴极),等离子体,和被溅零件、真空腔体可形成回路。但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了。于是人们采用高频电源,回路中加入很强的电容。这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。但高频磁控溅射电源昂贵,溅射速率很小,同时接地技术很复杂,因而难大规模采用。为解决此问题,发明了磁控反应溅射。就是用金属靶,加入氩气和反应气体如氮气或氧气。当金属靶材撞向零件时由于能量转化,与反应气体化合生成氮化物或氧化物。

磁控反应溅射绝缘体看似容易操作困难。主要问题是反应不光发生在零件表面,也发生在阳极,真空腔体表面,以及靶源表面。从而引起灭火,靶源和工件表面起弧等。德国莱宝最早发明孪生靶源技术,也就是此分坛所热烈讨论的中频溅射。原理是一对靶源互相为阴阳极,从而消除阳极表面氧化或氮化.

冷却是一切源(磁控,多弧,离子)所必需,因为能量很大一部分转为热量,若无冷却或冷却不足,这种热量将使靶源温度达一千度以上从而溶化整个靶源。

最后一点建议,一台磁控设备往往很昂贵,但大家容易将钱花在设备其它上如真空泵,MFC, 膜厚测量上而忽略靶源。再好的磁控溅射设备若无好靶源,就像画龙而没有点睛一样。


採用中频溅射的优点是可得到光滑緻密.膜层硬度高.膜厚可线性成长.不中毒.温升缓和,比一般电弧度膜个多的优点,但设备的要求较高,工作压强范围很窄,各种控制要求快速精准.

多弧溅射在靶材上施小电压大电流使材料离子化(带正电颗粒), 从而高速击向基片(负电)并沉积,形成致密膜坚硬膜。主要用于耐磨耐蚀膜。其缺点是正负电撞造成膜层不均匀,空穴、烧蚀。


中频、高频和普通磁控溅使靶 材等离子化(离子和电子数基本相等)流向基片。其膜均匀致密,主要应用于半导体、光学、传感器等精密元件。



中频溅射的原理跟一般的直流溅射是相同的,不同的是直流溅射把筒体当阳极,而中频溅射是成对的,筒体是否参加必须视整体设计而定,与整个系统溅射过程中,阳极阴极的安排有关,参与的比率週期有很多方法,不同的方法可得到不相同的溅射产额,得到不相同的离子密度


中频溅射主要技术在于电源的设计与应用,目前较成熟的是正弦波与脉衝方波二种方式输出,各有其优缺点,首先应考虑膜层种类,分析哪种电源输出方式适合哪种膜层,可以用电源特性来得到想要的膜层效果.


中频溅射也使磁控溅射的一种,一般磁控溅射靶的设计,平衡磁场与非平衡磁场,磁场的设计是各家技术的重点,国际几个有名的溅射靶製造商,对靶磁场的设计相当专业,改变磁场设计能得到不相同的等离子体蒸发量.电子的路径,等离子体的分佈,所以溅射靶磁场是各家的技术机密.


靶直接冷却当然效果好跟间接冷却最大的是蒸发功率,直接冷却可提高蒸发功率,相对来说可提高离化率 溅射速率,但带来漏水的问题,靶材选购的问题,尤其溅射时靶材问题,精度要求.镶纤 拼接等都无法克服,所以一般都採用间接冷却的多,

溅射也应该归在PVD沉积的其中一类,也是离子镀膜的一种(我是这样的归类),溅射是在辉光放电区,而电弧离子镀膜是在弧光放电区,新的中频溅射技术,就市让工作点接近弧光放电区,既有辉光放电产生的优点,又有弧光放电的高离化率,

电弧离子镀确实有你说的高离化率 结合力好的优点,利用高离化出来的离子去实现对工件清洗 注入 蚀刻,利用偏压的效果得到好的膜曾与基材的结合,这些优点确实比溅射好很多,尤其工具镀膜时更明显。

电弧的优点是把长处发挥出来,目前大家在薄膜的领域上提升品质,其实前段作业对膜层的结合力问题,已经比较深入 不光是利用金属离子的轰击取的好结合力,已经开始深入清洗时该给工件其他方法的前处理 包括喷沙 等离子抛光 大气的等离子清洗,也是为了得到更好的结合力,当然的道理工件进到真空室后的手段,也陆续出现很多新的技术方法,包括高压清洗 双极脉衝清洗等等,这些方法也能得到相当的效果。


      关于直接和间接冷却问题。间接冷却将水与靶材隔绝从而避免了水漏进真空室的事故,但对设计制造要求高。同时间接冷却所能实现的靶功率密度远远小于直接冷却。多弧镀膜功率密度很大,因而我认为直接冷却是合适的。若是陶瓷,操作一定小心。很多陶瓷靶用铟钎焊在铜底材上,一方面铜底材传热好,另一方面即便陶瓷靶皲裂也不会造成漏水的事故。


关于阴极弧(也就是离子镀),磁控溅射,以及坩埚蒸发都属于PVD(物理气相沉积),坩埚蒸发主要是相变,蒸发靶材只有好像几个电子伏特的能量。所以膜附着力小,但沉积率高,多用于光学镀膜。磁控溅射中氩离子冲击靶材使靶材原子和分子碎片沉积在零件,靶材材料动能可达数百甚至上千电子伏特能量。是真正的中性的纳米级镀膜。阴极弧起弧后一方面靶面高温将材料冶金融化,强大电场然后将融化材料几乎完全离子化,在靶电源和零件偏压综合作用下成膜。看起来阴极弧镀较先进,其实不然。首先靶面溶化过程很随机不可控制,离子成团镀到零件。镀件均匀性和光滑性难以保证。通俗点讲阴极弧镀是真空下的焊接过程,阴极弧电源和焊接电源原理上很近似。阴极弧技术主要源于前苏联,在我国因种种原因较普及,电源简单是很大一个因素。但技术不断进步。近年过滤阴极弧技术发展较快,避免了成膜不均匀的缺点,但有所得必有所失,过滤使沉积率减小而设备成本增高。

国际上最近有一些趋势值得注意,一是非平衡磁控溅射方法在大型镀膜设备公司,特别是欧洲的公司有较快发展并开始大规模工业应用;另一个是美国的一些公司,在脉冲反应磁控溅射上有很大进展。其所镀氧化和氮化膜沉积速率几乎达到金属速率。


中频磁控溅射对靶和磁场的设计以及工作气压要求很高中频磁控溅射是直流磁控溅射沉积速率的2到3倍 ,中频磁控溅射是两个靶工作制备化合物膜层由于其离化率低很难找到一个最佳的中毒点对工作气体的流量控制要求很严格。若控制不好则很难制备均匀和结合力好的膜层 ,再就是磁场的设计主要是磁场分布的均匀性这样既可以提高靶材的利用率另外对于最佳中毒点工作时的稳定性也有很大提高。 磁控溅射的离子能量和绕射性都远低于多弧靶面与工件的距离是很重要的太近离子对工件的轰击可以损坏膜层, 太远则偏离了最佳溅射距离制备的膜层结合力很差。

中频的靶材用的对靶,有的用到三对靶都是比较大。我是做靶材的,就中频而言,现在用的多的都是镀一些金属的工件。这样的真空炉一般都做的比较大,可以放下很多工件,镀出来的膜层也更加的致密。

中频和直流溅射的设备区别,其实大体基本架构是一样的,一般直流溅射方式的镀膜机针对金属薄膜的工艺生产为主要设计,中频溅射因不易中毒工作过程中控制饱和点与稳定持续辉光放电相对容易,所以中频溅射以反应薄膜的工艺为主要设计,

至于优缺点二个方式的设备,都有他的优缺点,

中频溅射以反应薄膜的工艺为主要设计,所以他的控制方式必须是精确稳定,在设备的控制上必须做到能达到想得到薄膜特性的控制手段


溅射电压跟压强 靶电极的距离 靶材性质多有关係,我大该知道你们的设备是进口的,直流溅射方式,至于该加多少电流应该视你的靶设计有关,按我的经验你单靶300×150我们的靶应该可加到13~15A(我们是中频溅射沉积反应膜),我们的电源是恆功率或恆电流,光谱控制,当然有很多厂家採用溅射电源的工作变化来控制工艺,也是不错的方法。


真空室中一般需要两种真空计,分别是低真空计和高真空计

低真空计包括皮拉尼真空计、电容式薄膜真空计等

高真空计包括冷阴极真空计、离子真空计、B-A真空计等

真空泵种类相对较多

一个真空系统首先应该有粗抽真空泵,可以是机械泵或机械泵加罗茨泵

高真空泵可以是扩散泵或分子泵或低温泵或离子泵

镀膜结束后的检查,这个就要针对具体的产品来说

一般有厚度、均匀性等很多

蒸发和溅射各有优点,应该依具产品和工艺来决定使用哪种

一般:蒸发速率快,重复性相对较差,薄膜的附着力相对较低,材料利用率高

溅射成膜速率相对慢,重复性好。薄膜的附着力大,材料利用率相对低


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