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磁控濺射

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磁控濺射是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)的一種。一般的濺射法可被用於製備金屬、半導體、絕緣體等多材料,且具有設備簡單、易於控制、鍍膜面積大和附着力強等優點。上世紀 70 年代發展起來的磁控濺射法更是實現了高速、低温、低損傷。因為是在低氣壓下進行高速濺射,必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射通過在靶陰極表面引入磁場,利用磁場對帶電粒子約束來提高等離子體密度以增加濺射率。
中文名
磁控濺射
外文名
Magnetron Sputtering
技術類別
物理氣相沉積 (PVD)
特    點
設備簡單、易於控制、鍍膜面積大
學    科
材料科學
應    用
薄膜製備

磁控濺射原理

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磁控濺射 磁控濺射
磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下,在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞,使其電離產生出Ar正離子和新的電子;新電子飛向基片,Ar離子在電場作用下加速飛向陰極靶,並以高能量轟擊靶表面,使靶材發生濺射。在濺射粒子中,中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜,而產生的二次電子會受到電場和磁場作用,產生E(電場)×B(磁場)所指的方向漂移,簡稱E×B漂移,其運動軌跡近似於一條擺線。若為環形磁場,則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動,它們的運動路徑不僅很長,而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內,並且在該區域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材,從而實現了高的沉積速率。隨着碰撞次數的增加,二次電子的能量消耗殆盡,逐漸遠離靶表面,並在電場E的作用下最終沉積在基片上。由於該電子的能量很低,傳遞給基片的能量很小,致使基片温升較低。
磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經歷複雜的散射過程,和靶原子碰撞,把部分動量傳給靶原子,此靶原子又和其他靶原子碰撞,形成級聯過程。在這種級聯過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量,離開靶被濺射出來。 [1] 

磁控濺射種類

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磁控濺射包括很多種類。各有不同工作原理和應用對象。但有一共同點:利用磁場與電場交互作用,使電子在靶表面附近成螺旋狀運行,從而增大電子撞擊氬氣產生離子的概率。所產生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。
磁控濺射 磁控濺射
靶源分平衡式和非平衡式,平衡式靶源鍍膜均勻,非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結合力強。平衡靶源多用於半導體光學膜,非平衡多用於磨損裝飾膜。磁控陰極按照磁場位形分佈不同,大致可分為平衡態磁控陰極和非平衡態磁控陰極。平衡態磁控陰極內外磁鋼的磁通量大致相等,兩極磁力線閉合於靶面,很好地將電子/等離子體約束在靶面附近,增加了碰撞幾率,提高了離化效率,因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝並維持輝光放電,靶材利用率相對較高。但由於電子沿磁力線運動主要閉合於靶面,基片區域所受離子轟擊較小。非平衡磁控濺射技術,即讓磁控陰極外磁極磁通大於內磁極,兩極磁力線在靶面不完全閉合,部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區域,從而部分電子可以沿着磁力線擴展到基片,增加基片區域的等離子體密度和氣體電離率。不管平衡還是非平衡,若磁鐵靜止,其磁場特性決定了一般靶材利用率小於30%。為增大靶材利用率,可採用旋轉磁場。但旋轉磁場需要旋轉機構,同時濺射速率要減小。旋轉磁場多用於大型或貴重靶,如半導體膜濺射。對於小型設備和一般工業設備,多用磁場靜止靶源。
用磁控靶源濺射金屬和合金很容易,點火和濺射很方便。這是因為靶(陰極),等離子體和被濺零件/真空腔體可形成迴路。但若濺射絕緣體(如陶瓷),則迴路斷了。於是人們採用高頻電源,迴路中加入很強的電容,這樣在絕緣迴路中靶材成了一個電容。但高頻磁控濺射電源昂貴,濺射速率很小,同時接地技術很複雜,因而難大規模採用。為解決此問題,發明了磁控反應濺射。就是用金屬靶,加入氬氣和反應氣體如氮氣或氧氣。當金屬靶材撞向零件時由於能量轉化,與反應氣體化合生成氮化物或氧化物。
磁控反應濺射絕緣體看似容易,而實際操作困難。主要問題是反應不光發生在零件表面,也發生在陽極,真空腔體表面以及靶源表面,從而引起滅火,靶源和工件表面起弧等。德國萊寶發明的孿生靶源技術,很好的解決了這個問題。其原理是一對靶源互相為陰陽極,從而消除陽極表面氧化或氮化。
冷卻是一切源(磁控,多弧,離子)所必需,因為能量很大一部分轉為熱量,若無冷卻或冷卻不足,這種熱量將使靶源温度達一千度以上從而溶化整個靶源。 [2] 

磁控濺射濺射技術

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磁控濺射直流濺射法

直流濺射法要求靶材能夠將從離子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極,從而該方法只能濺射導體材料,不適於絕緣材料。因為轟擊絕緣靶材時,表面的離子電荷無法中和,這將導致靶面電位升高,外加電壓幾乎都加在靶上,兩極間的離子加速與電離的機會將變小,甚至不能電離,導致不能連續放電甚至放電停止,濺射停止。故對於絕緣靶材或導電性很差的非金屬靶材,須用射頻濺射法(RF)。
濺射過程中涉及到複雜的散射過程和多種能量傳遞過程:入射粒子與靶材原子發生彈性碰撞,入射粒子的一部分動能會傳給靶材原子;某些靶材原子的動能超過由其周圍存在的其它原子所形成的勢壘(對於金屬是5-10 eV),從而從晶格點陣中被碰撞出來,產生離位原子;這些離位原子進一步和附近的原子依次反覆碰撞,產生碰撞級聯;當這種碰撞級聯到達靶材表面時,如果靠近靶材表面的原子的動能大於表面結合能(對於金屬是1-6eV),這些原子就會從靶材表面脱離從而進入真空

磁控濺射濺射鍍膜

濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面,使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術。通常,利用低壓惰性氣體輝光放電來產生入射離子。陰極靶由鍍膜材料製成,基片作為陽極,真空室中通入0.1-10Pa的氬氣或其它惰性氣體,在陰極(靶)1-3KV直流負高壓或13.56MHz的射頻電壓作用下產生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面,使得靶原子濺出並沉積在基片上,形成薄膜。濺射方法很多,主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應濺射等。
由於被濺射原子是與具有數十電子伏特能量的正離子交換動能後飛濺出來的,因而濺射出來的原子能量高,有利於提高沉積時原子的擴散能力,提高沉積組織的緻密程度,使製出的薄膜與基片具有強的附着力。
濺射時,氣體被電離之後,氣體離子在電場作用下飛向接陰極的靶材,電子則飛向接地的壁腔和基片。這樣在低電壓和低氣壓下,產生的離子數目少,靶材濺射效率低;而在高電壓和高氣壓下,儘管可以產生較多的離子,但飛向基片的電子攜帶的能量高,容易使基片發熱甚至發生二次濺射,影響制膜質量。另外,靶材原子在飛向基片的過程中與氣體分子的碰撞幾率也大為增加,因而被散射到整個腔體,既會造成靶材浪費,又會在製備多層膜時造成各層的污染。

磁控濺射直流磁控濺射技術

為了解決陰極濺射的缺陷,人們在20世紀70年代開發出了直流磁控濺射技術,它有效地克服了陰極濺射速率低和電子使基片温度升高的弱點,因而獲得了迅速發展和廣泛應用。
其原理是:在磁控濺射中,由於運動電子在磁場中受到洛侖茲力,它們的運動軌跡會發生彎曲甚至產生螺旋運動,其運動路徑變長,因而增加了與工作氣體分子碰撞的次數,使等離子體密度增大,從而磁控濺射速率得到很大的提高,而且可以在較低的濺射電壓和氣壓下工作,降低薄膜污染的傾向;另一方面也提高了入射到襯底表面的原子的能量,因而可以在很大程度上改善薄膜的質量。同時,經過多次碰撞而喪失能量的電子到達陽極時,已變成低能電子,從而不會使基片過熱。因此磁控濺射法具有“高速”、“低温”的優點。該方法的缺點是不能製備絕緣體膜,而且磁控電極中採用的不均勻磁場會使靶材產生顯著的不均勻刻蝕,導致靶材利用率低,一般僅為20%-30%。

磁控濺射磁控濺射設備的主要用途

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(1)各種功能性薄膜:如具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用的薄膜。例如,低温沉積氮化硅減反射膜,以提高太陽能電池的光電轉換效率
(2)裝飾領域的應用,如各種全反射膜及半透明膜等,如手機外殼,鼠標等。
(3) 在微電子領域作為一種非熱式鍍膜技術,主要應用在化學氣相沉積(CVD)或金屬有機
(4)化學氣相沉積(CVD)生長困難及不適用的材料薄膜沉積,而且可以獲得大面積非常均勻的薄膜。
(5) 在光學領域:中頻閉合場非平衡磁控濺射技術也已在光學薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導電玻璃等方面得到應用。特別是透明導電玻璃廣泛應用於平板顯示器件、太陽能電池、微波與射頻屏蔽裝置與器件、傳感器等。
(6)在機械加工行業中,表面功能膜、超硬膜,自潤滑薄膜的表面沉積技術自問世以來得到長足發展,能有效的提高表面硬度、複合韌性、耐磨損性和抗高温化學穩定性能,從而大幅度地提高塗層產品的使用壽命。
磁控濺射除上述已被大量應用的領域,還在高温超導薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發揮重要作用。
參考資料
  • 1.    李維娟主編. 材料科學與工程實驗指導書. 北京:冶金工業出版社, 2016.03.
  • 2.    朱嘉琦,韓傑才著. 紅外增透保護薄膜材料. 北京:國防工業出版社, 2015.07.