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磁控濺射鍍膜技術的發展及應用

2021-10-08 16:50:15

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磁控濺射鍍膜技術的發展及應用


磁控濺射鍍膜技術中所說的濺射鍍膜是指在真空室中,利用荷能粒子轟擊靶材表面,通過粒子動量傳遞打出靶材中的原子及其它粒子,并使其沉淀在基體上形成薄膜的技術。濺射鍍膜技術具有可實現大面積快速沉積,薄膜與基體結合力好,濺射密度高、針孔少,膜層可控性和重復性好等優點,而且任何物質都可以進行濺射,因而近年來發展迅速,應用廣泛。

濺射現象
用帶有幾十電子伏能量的粒子轟擊材料表面時,材料將被激發為氣態,利用這種現象可以對材料進行表面的鍍膜、刻蝕、清洗和表面分析。由于離子易于在電磁場中加速或偏轉,所以荷能粒子一般為離子。當離子轟擊靶材表面時會產生許多效應。除了靶材的原子和分子最終參與成膜之外,其它效應對膜的生長也產生很大的影響。

濺射機理
目前被大多數人所接受的濺射機理是Sigmund提出的線性級聯濺射機理  。
入射離子轟擊靶面時,將其部分能量傳輸給表層晶格原子,引起靶材中原子的運動。有的原子獲得能量后從晶格處移位,并克服了表面勢壘直接發生濺射;有的不能脫離晶格的束縛,只能在原位做振動并波及周圍原子,結果使靶的溫度升高;而有的原子獲得足夠大的能量后產生一次反沖,將其臨近的原子碰撞移位,反沖繼續下去產生高次反沖,這一過程稱為級聯碰撞。級聯碰撞的結果是部分原子達到表面,克服勢壘逸出,這就形成了級聯濺射,這就是濺射機理。當級聯碰撞范圍內反沖原子密度不高時,動態反沖原子彼此間的碰撞可以忽略,這就是線性級聯碰撞。

濺射方法
濺射技術的成膜方法較多,典型方法有直流二極濺射、三極(或四極)濺射與磁控濺射等。

(一)二極濺射
二極濺射是最早采用,并且是目前最簡單的基本濺射方法。
直流二極濺射裝置由陰、陽極組成。用膜材(導體)制成的靶作為陰極,放置被鍍件的工件架作為陽極(接地),兩極間距一般為數厘米至十厘米左右。當真空室內電場強度達到一定值后,兩極間產生異常輝光放電。等離子區中的Ar + 離子被加速而轟擊陰極靶,被濺射出的靶材原子在基體上沉積形成薄膜。
如采用射頻電源作為靶陰極電源,又可做成二極射頻濺射裝置,這種裝置可以濺射絕緣材料。

(二)三極濺射
二極濺射方法雖然簡單,但放電不穩定,而且沉積速率低。為了提高濺射速率以及改善膜層質量,人們在二極濺射裝置的基礎上附加熱陰極,制作出三極濺射裝置。
三極濺射中,等離子體的密度可以通過改變電子發射電流和加速電壓來控制。離子對靶材的轟擊能量可以用靶電壓加以控制,從而解決了二極濺射中靶電壓、靶電流和氣壓之間相互制約的矛盾。
三極濺射的缺點在于放電不穩定,等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻。為此,在三極濺射的基礎上又加了一個輔助陽極,這就形成了四極濺射。

(三)磁控濺射
磁控濺射又稱為高速低溫濺射。在磁場約束及增強下的等離子體中的工作氣體離子 ( 如 Ar + ) ,在靶陰極電場的加速下,轟擊陰極材料,使材料表面的原子或分子飛離靶面,穿越等離子體區以后在基片表面淀積、遷移最終形成薄膜。
與二極濺射相比較,磁控濺射的沉積速率高,基片升溫低,膜層質量好,可重復性好,便于產業化生產。它的發展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。
磁控濺射源在結構上必須具備兩個基本條件:
(1)建立與電場垂直的磁場;
(2)磁場方向與陰極表面平行,并組成環形磁場。

在平面磁控靶結構原理圖中可以看出,磁控濺射源實質上是在二極濺射的陰極靶后面設置了磁鐵,磁鐵在靶面上產生水平分量的磁場。離子轟擊靶材時放出二次電子,這些電子的運動路徑很長,被電磁場束縛在靠近靶表面的等離子體區域內沿跑道轉圈,在該區中通過頻繁地碰撞電離出大量Ar + 用以轟擊靶材,從而實現了高速濺射。電子經數次碰撞后能量逐漸降低,逐步遠離靶面,最終以很低的能量飛向陽極基體,這使得基體的升溫也較低。由于增加了正交電磁場對電子的束縛效應,故其放電電壓(500~600V)和氣壓(10 -1 Pa)都遠低于直流二極濺射。


反應磁控濺射

以金屬、合金、低價金屬化合物或半導體材料作為靶陰極,在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應生成化合物薄膜,這就是反應磁控濺射 。反應磁控濺射廣泛應用于化合物薄膜的大批量生產,這是因為:
(1)反應 磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應氣體 ( 氧、氮、碳氫化合物等 ) 純度很高,因而有利于制備高純度的化合物薄膜。 
(2)通過調節反應磁控濺射中的工藝參數 , 可以制備化學配比或非化學配比的化合物薄膜,通過調節薄膜的組成來調控薄膜特性。 
(3) 反應磁控濺射沉積過程中基板升溫較小,而且制膜過程中通常也不要求對基板進行高溫加熱,因此對基板材料的限制較少。 
(4) 反應磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜,并能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產。 
但是,直流反應濺射的反應氣體會在靶表面非侵蝕區形成絕緣介質層,造成電荷積累放電,導致沉積速率降低和不穩定,進而影響薄膜的均勻性及重復性,甚至損壞靶和基片。為了解決這一問題,近年來發展了一系列穩定等離子體以控制沉積速率,提高薄膜均勻性和重復性的輔助技術。
(1) 采用雙靶中頻電源解決反應磁控濺射過程中因陽極被絕緣介質膜覆蓋而造成的等離子體不穩定現象,同時還解決了電荷積累放電的問題。
(2) 利用等離子發射譜監測等離子體中的金屬粒子含量,調節反應氣體流量使等離子體放電電壓穩定,從而使沉積速率穩定。
(3) 使用圓柱形旋轉靶減小絕緣介質膜的覆蓋面積。
(4) 降低輸入功率,并使用能夠在放電時自動切斷輸出功率的智能電源抑制電弧。
(5) 反應過程與沉積過程分室進行,既能有效提高薄膜沉積速率,又能使反應氣體與薄膜表面充分反應生成化合物薄膜。

交流磁控濺射

和直流濺射相比交流磁控濺射采 用交流電源代替直流電源,解決了靶面的異常放電現象。 
交流濺射時,靶對真空室壁不是 恒定的負電壓 , 而是周期一定的交流脈沖電壓 。設脈沖電壓的周期為 T, 在負脈沖 T —△ T 時間間隔內,靶面處于放電狀態,這一階段和直流磁控濺射相似;靶面上的絕緣層不斷積累正電荷,絕緣層上的場強逐步增大;當場強增大至一定限度后靶電位驟降為零甚至反向,即靶電位處于正脈沖△ T 階段。在△ T 時間內,放電等離子體中的負電荷─電子向靶面遷移并中和了絕緣層表面所帶的正電荷,使絕緣層內場強恢復為零,從而消除了靶面異常放電的可能性。 
在靶面平均功率一定的前提下,負脈沖期間可以給靶施加更大的脈沖功率,因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強基片附近的等離子體密度。 
交流濺射 ( 脈沖濺射 ) 的電壓波形可以是對稱的,也可以是不對稱的。通常將輸出電壓波形為不對稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈沖濺射 ( 常用于單靶濺射 ) ;而將輸出波形為對稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射 ( 常用于對靶濺射 ) 。當交流濺射技術用于對靶濺射時,一個周期中每塊靶輪流充當陰極和陽極,形成良好的“自清潔”效應。在沉積多元合金或化合物薄膜時,還可以通過調節交變脈沖電壓的占空比來改變薄膜的組分。 

非平衡磁控濺射
Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念,并給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設計。對于一個磁控濺射靶,其外環磁場強度與中部磁極的磁場強度相等或接近,稱為“平衡磁控濺射靶”;如果某一磁極的磁場相對于另一極性相反的部分增強或減弱,就形成了“非平衡磁控濺射靶”。
非平衡磁控濺射法通過附加磁場,將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的范圍內,使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來的粒子沉積在基片表面形成薄膜,另一方面等離子體轟擊基片,起到離子輔助的作用,極大的改善了膜層質量。非平衡磁控濺射除了具有較高的濺射速率外,能夠向鍍膜區輸出更多的離子,離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前,該技術被廣泛應用于制備各種硬質薄膜。
非平衡磁控濺射的磁場又分閉合場和非閉合場兩種。閉合的磁場能夠控制電子只在磁場內沿磁力線移動,避免了電子在真空室壁上的損失。

濺射鍍膜技術的應用
1. 制備薄膜磁頭的耐磨損氧化膜
硬盤磁頭進行讀寫操作時與硬盤表面產生滑動摩擦,為了減小摩擦力及提高磁頭壽命,目前磁頭正向薄膜化方向發展。
絕緣膜和保護膜(即AL 2 O 3 、SiO 2 氧化物薄膜)是薄膜磁頭主要構成成份  。對薄膜磁頭的耐磨損膜的要求是耐沖擊性好,耐磨性好,有適當的可加工性以及加工變形小,通常采用反應濺射法制備該種薄膜。為了防止基片升溫過高,濺射鍍膜過程中要對基片進行冷卻。

2. 制備硬質薄膜
目前廣泛使用的硬化膜是水溶液電鍍鉻。電鍍會使鋼發生氫脆,而且電鍍速度慢,造成環境污染。如果采用金屬Cr靶,在N 2 氣氛中進行非平衡磁控濺射鍍膜,可以在工件上鍍覆Cr、CrN X 等鍍層  ,代替水溶液電鍍用于旋轉軸和其它運動部件。

3. 制備切削刀具和模具的超硬膜
采用普通化學氣相沉積技術制備TiN、TiC等超硬鍍層,溫度要在1000 ℃ 左右,這已經超過了高速鋼的回火溫度,對于硬質合金來說還可能使鍍層晶粒長大。而采用對向靶濺射沉積單相TiN薄膜 ,濺射時間只需10~15min,基片溫度不超過150 ℃,得到的 TiN薄膜硬度最高可達HV3800。利用非平衡磁控濺射法制備的TiN鍍膜,通過膜層硬度和臨界載荷實驗以及摩擦實驗,表明膜層硬度已經達到和超過其它離子鍍膜的效果。

4. 制備固體潤滑膜
固體潤滑膜如MoS 2 薄膜已成功應用于真空工業設備、原子能設備以及航空航天領域,對于工作在高溫環境的機械設備也是畢不可少的。雖然MoS 2 可用化學反應鍍膜法制備,但濺射鍍膜發得到的MoS 2 薄膜致密性好,膜基附著力大,添加Au(5wt%)的MoS 2 膜,其致密性和附著性更好,摩擦系數更小。

5. 制備光學薄膜
濺射法是目前工業生成中制備光學薄膜的一種主要的工藝 。長期以來,反應磁控濺射技術主要用于工具表面鍍制 TiN 等超硬膜以及建筑玻璃、汽車玻璃、透明導電膜等單層或簡單膜層。近年來,光通信,顯示技術等方面對光學薄膜的巨大需求,刺激了將該技術用于光學薄膜工業化 生產的研究。 


作者: 青州市中拓鍍膜機械科技有限公司

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