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磁控溅射镀膜的方法都有哪些

时间:2022-03-23 作者:北京瑞弛 点击:143次

  溅射镀膜办法及特色首要介绍有二极溅射,三极和四极溅射,磁控溅射,射频溅射,离子束溅射,以及以上几种溅射镀膜办法的各自特色。

  (1)二极溅射二极辉光放电型溅射镀膜是溅射镀膜最简单的办法。图1是二极溅射镀膜的原理图,靶阴极为镀膜材料,基片或真空室为阳极,充氩压力为1~10pa,朋阳极问施加l~5kv直流高压产生辉光放电,氩气电离产生的氩离子炮击阴极靶材使其溅射,溅射出的靶材原子在基片上堆积构成膜层。

  二极溅射镀膜原理

  l-靶阴极;2-氩离子;3-电子;4-金属原子;5-工件;6-工件架;

  7-靶电源;8-阴极暗区;9-等离子体区

  别的当溅射气体和靶材选定后,关于辉光放电二极溅射镀膜,可调整的工艺参数只要放电电压、电流和气体压强,进步放电电压,能够进步相应的溅射系数,但一般只能进步2~3倍。进步入射离子流密度也是进步溅射速率的办法,但它受辉光放电特性的约束,所以, 二极溅射工艺参数调整不够灵活,但因为其结构简单,尚有必定的运用。

  (2)三极和四极溅射为了进步炮击阴极靶的离子流密度,进步溅射速率,下降气体放电的电压和下降溅射气体的压强,在二极溅射镀膜的基础上增加产生热电子发射的热阴极,构成三极溅射,如图2所示。三极溅射是在靶与阳极间设置由钨丝或钽丝制成的热阴极,当阴极加热后,发射出热电子,热电子在阳极电场的效果下被加快,在靶与阳极间的等离子区与气体分子磕碰,进步了溅射气体的电离率,然后使靶的电流密度达到1~3ma/cm2,同时靶电压可下降至1kv,溅射气体的压强下降到10-1pa.三极溅射的溅射速率得到了较大进步,并且因为堆积时的真空度较高,膜层的质量也得到了必定的改善。

  三极溅射原理

  1-靶阴极;2-金属原子;3-氩离子;4-氩原子;5-电子;

  6-灯丝;7-灯丝偏压电源;8-灯丝加热电源;9-靶电源;10-工件架;11-工件

  四极溅射是在三极溅射的设备中增设辅佐阳极构成的,四极溅射除增设辅佐阳极外,还在真空室外设置聚束线圈,使靶与基片问的等离子区产生0.005t左右的磁场,磁场使电子作螺旋运动,加长了电子的运动旅程,进步了电子与气体分子的磕碰电离几率,然后进步了靶的电流密度和溅射速率。

  在四极溅射中,靶电流不随靶电压改变,而取决于阳极电流,并且在压强为10-2pa时仍能保持正常放电,,电流密度达2~5ma/cm2,四极溅射比三极溅射工作安稳。

  三极和四极溅射设备结构杂乱,在大面积基片上堆积均匀的薄膜比较困难,目前除特殊运用外,已简直不再运用。

  (3)磁控溅射辉光放电中,离子炮击阴极产生二次电子,电子在阴极位降区的电场效果下被加快与气体分子磕碰,使气体分子电离保持放电,因为电子在电场加快的轨道是直线,所以磕碰电离几率不高,气体的压强一般在2~10pa的条件下进行溅射堆积,在低于2pa时,辉光平息。可是,如果在与电场笔直的方向施加一磁场,电子在正交电磁场中的运动轨道则为既与电场笔直又与磁场笔直的摆线。在实际的磁控条件下,从冷阴极发射出来的电子具有初始能量,并且阴极暗区的电场和磁场都是不均匀的,所以,从阴极发射出的电子的运动轨道不是严格的摆线形,一般称做近似摆线运动。

  磁控溅射靶是磁控溅射镀膜的源,它有必要满意两个条件:一是具有正交的电磁场;二是磁场方向要与阴极靶外表平行,并形咸闭合的环形水平磁场。图3是磁控溅射原理图,从阴极靶外表发射出来的电子,在阴极暗区被加快取得能量,因为阴极靶外表有水平磁场存在,它们不能直接飞向阳极,而是在环形水平磁场束缚下构成的等离子环中,按近似摆线运动轨道前进,电子的运动轨道被加长了,然后进步了电子与气体分子的磕碰几率。电子的每一次磕碰都会丢失一部分能量,并且电子只要经过能量交流才能逃出磁场的束缚,电子在能量彻底交流之前,大约要飞翔100m,磕碰频率为107次/s,这就使气体的离化率和阴极靶所能得劲的禽子流密度大幅度进步,然后取得高的溅射速率。

  磁控溅射原理

  1-高频线圈;2-阴极靶;3-等离子体区;4-工件;5-高频电源

  二极溅射办法采用的是高电压小电流辉光放电区间,而磁控溅射办法则是在低电压大电流工作区间,其放电电流比二极溅射大10~40加倍,除了抵消因放电电压低对溅射系数所造成的影响外,仍使其溅射速率远远大于二极溅射。

  靶的功率密度关于二极溅射和射频溅射等办法,首要受气体辉光放电的伏安特性约束,靶的功率密度较低,一般在4w/cm2左右,而磁控溅射首要受靶的冷却条件的约束,一般能够做到25w/cm2左右。

  溅射镀膜的基片温升取决于基片材料的热容量及得到的能量和散热失去能量的平衡,在基片材料及溅射设备确定的条件下,也即是散热条件基本不变的情况下,电子碰击及堆积原子带来的能量成为温升的首要因素,而电子碰击又占有了较大的比重。磁控溅射过程中,电子的运动轨道变长,碰击次数增多,丧失能量也较多,终究成为低能量的电子进入阳极,使基片的温升有限,所以,磁控溅射办法十分适宜于热灵敏材料的镀膜,如塑料镀膜,这也是磁控溅射的一大特色。

  如果把三极溅射与磁控溅射结合,则可得到三极磁控溅射镀膜办法,三极磁控溅射镀膜就是在磁控溅射设备中增设热电子发射灯丝,使其发射的热电子与气体分子磕碰而电离的几率得到增强,进一步进步溅射速率,其辉光放电更加安稳。

  (4)射频溅射在真空室中,设置两个极板并施加频率在50kh以上的高频电,则处于高频电场中的少量电子在高频电场的效果下加快,与气体分子产生磕碰,使气体分子电离而放出电子,这些电子又会被高频电场加快,终究构成高频辉光放电。高频辉光放电的两电极的辉光没有差异,各自有阴极暗区和负辉区,等离子柱在南北极之间。高频电源的输入耦合办法有电容耦合办法和电感耦合办法

  射频溅射原理

  平板电极射频溅射的靶经过匹配回路与射频电源相连,当溅射设备内的布置改变时,适当调整匹配回路,使放电阻抗与电源阻抗相匹配,可有效地输入射频功率,为了使放电区约束在靶与基片之间,在沿着笔直于靶的方向上加磁场。延伸电子的运动距离,进步放电电流。南北极间等离子区的离子炮击靶外表产生溅射,溅射原子在基片上堆积构成膜层。

  射频溅射多用13.56mh射频电源,功率为0.3~10kw,溅射气体压强为1~10-1pa.射频溅射靶需施加高频电压,并需要水冷却,因此绝缘性能要好,其引水管有必要有必定的长度,水电阻要足够大。

  射频溅射是用于溅射绝缘靶材镀制绝缘薄膜的办法,用射频放电能溅射绝缘材料,其原因是,当靶材为绝缘材料时,放电的等离子区中电子的迁移率远远大于离子的迁移率,电子碰击靶材时在靶的外表积存,使靶外表自动地加上负偏压,等离子区中的正离子受靶负电位的招引炮击靶外表产生溅射,基片邻近的正离子却没有电场加快,因此基片不产生溅射,别的,射频溅射中,一般基片和真空室接地电位,即便有离子炮击基片,因基片和真空室的总面积远远大于靶的面积,这就分散了离子炮击基片的离子流密度,,使基片上的反溅射效果降到很低,然后能够堆积取得膜层:当靶材是,金属等导体时,也在靶的接线端串联1oo~300μf的电容器,使靶带负电位。

  (5)离子束溅射图5是离子束溅射原理图,采用单独的等离子体产生源l,产生等离子体2,经过特定的办法引出等离子体炮击阴极靶,产生溅射,终究在基片上堆积膜层,离子束溅射须在较高的真空度下进行;这样才能取得纯度较高的膜层。可是因为离子束流密度小,堆积速度缓慢,别的设备设备也较为杂乱,所以除特殊运用外,一般不常运用这种溅射办法。