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淺析磁控濺射鍍膜工藝的概念及分類

2020-07-21 16:34:21

濺鍍,通常指的是磁控濺鍍,屬于高速低溫濺鍍法。該工藝使用磁控濺射鍍膜系統(tǒng)要求真空度在1×10-3Torr左右,即1.3×10-3Pa的真空狀態(tài)充入惰性氣體氬氣(Ar),并在塑膠基材(陽極)和金屬靶材(陰極)之間加上高壓直流電,由于輝光放電(glow discharge)產(chǎn)生的電子激發(fā)惰性氣體,產(chǎn)生等離子體,等離子體將金屬靶材的原子轟出,沉積在塑膠基材上。

原理

以幾十電子伏特或更高動能的荷電粒子轟擊材料表面,使其濺射出進(jìn)入氣相,可用來刻蝕和鍍膜。入射一個離子所濺射出的原子個數(shù)稱為濺射產(chǎn)額(Yield)產(chǎn)額越高濺射速度越快,以Cu,Au,Ag等*高,Ti,Mo,Ta,W等*低。一般在0.1-10原子/離子。

離子可以直流輝光放電(glow discharge)產(chǎn)生,在10-1—10 Pa真空度,在兩極間加高壓產(chǎn)生放電,正離子會轟擊負(fù)電之靶材而濺射也靶材,而鍍至被鍍物上。

正常輝光放電(glow discharge)的電流密度與陰極物質(zhì)與形狀、氣體種類壓力等有關(guān)。濺鍍時應(yīng)盡可能維持其穩(wěn)定。

任何材料皆可濺射鍍膜,即使高熔點(diǎn)材料也容易濺鍍,但對非導(dǎo)體靶材須以射頻(RF)或脈沖(pulse)濺射;且因?qū)щ娦暂^差,濺鍍功率及速度較低。金屬濺鍍功率可達(dá)10W/cm2,非金屬<5W/cm2。

二極濺鍍射:

靶材為陰極,被鍍工件及工件架為陽極,氣體(氬氣Ar)壓力約幾Pa或更高方可得較高鍍率。

磁控濺射

在陰極靶表面形成一正交電磁場,在此區(qū)電子密度高,進(jìn)而提高離子密度,使得濺鍍率提高(一個數(shù)量級),濺射速度可達(dá)0.1—1 um/min膜層附著力較蒸鍍佳,是目前*實(shí)用的鍍膜技術(shù)之一。

其它有偏壓濺射、反應(yīng)濺射、離子束濺射等鍍膜技術(shù)

濺鍍機(jī)設(shè)備與工藝(磁控濺鍍)

濺鍍機(jī)由真空室,排氣系統(tǒng),濺射源和控制系統(tǒng)組成。濺射源又分為電源和濺射槍(sputter gun)

磁控濺射槍分為平面型和圓柱型,其中平面型分為矩型和圓型,靶材料利用率30- 40%,圓柱型靶材料利用率>50%

濺射電源分為:直流(DC)、射頻(RF)、脈沖(pulse),

直流:800-1000V(Max)導(dǎo)體用,須可災(zāi)弧。

射頻:13.56MHZ,非導(dǎo)體用。

脈沖:泛用,*新發(fā)展出

濺鍍時須控制參數(shù)有濺射電流,電壓或功率,以及濺鍍壓力(5×10-1—1.0Pa),若各參數(shù)皆穩(wěn)定,膜厚可以鍍膜時間估計(jì)出來。

靶材的選擇與處理十分重要,純度要佳,質(zhì)地均勻,沒有氣泡、缺陷,表面應(yīng)平整光潔。

對于直接冷卻靶,須注意其在濺射后靶材變薄,有可能破裂特別是非金屬靶。一般靶材*薄處不可小于原靶厚之一半或5mm。

磁控濺鍍操作方式和一般蒸鍍相似,先將真空抽至1×10-2Pa,再通入氬氣(Ar)離子轟擊靶材,在5×10-1—1.0Pa的壓力下進(jìn)行濺鍍其間須注意電流、電壓及壓力。開始時濺鍍?nèi)粲写蚧?,可緩慢調(diào)升電壓,待穩(wěn)定放電后再關(guān)shutter.

在這個過程中,離子化的惰性氣體(Ar)清洗和暴露該塑膠基材表面上數(shù)個毛細(xì)微空,并通過該電子與自塑膠基材表面被清潔而產(chǎn)生一自由基,并維持真空狀態(tài)下 施以濺鍍形成表面締結(jié)構(gòu),使表面締結(jié)構(gòu)與自由基產(chǎn)生填補(bǔ)和高附著性的化學(xué)性和物理性的結(jié)合狀態(tài),以在表面外穩(wěn)固地形成薄膜.

其中,薄膜是先通過把表面締造物大致地填滿該塑膠毛細(xì)微孔后并作鏈接而形成。濺鍍與常用的蒸發(fā)鍍相比,濺鍍具有電鍍層與基材的結(jié)合力強(qiáng)-附著力比蒸發(fā)鍍高過10倍以上,電鍍層致密,均勻等優(yōu)點(diǎn)。真空蒸鍍需要使金屬或金屬氧化物蒸發(fā)汽化,而加熱的溫度不能太高,否則,金屬氣體沉積在塑膠基材放熱而燒壞塑膠基材。濺射粒子幾不受重力影響,靶材與基板位置可自由安排,薄膜形成初期成核密度高,可生產(chǎn)10nm以下的極薄連續(xù)膜,靶材的壽命長,可長時間自動化連續(xù)生產(chǎn)。靶材可制作成各種形狀,配合機(jī)臺的特殊設(shè)計(jì)做更好的控制及*有效率的生產(chǎn)。

濺鍍利用高壓電場做發(fā)生等離子鍍膜物質(zhì),使用幾乎所有高熔點(diǎn)金屬,合金和金屬氧化物,如:鉻,鉬,鎢,鈦,銀,金等。而且,它是一個強(qiáng)制沉積的過程,采用這種工藝獲得的電鍍層與塑膠基材附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真空蒸鍍法。但,加工成本相對較高。

磁控濺射


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