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电镀小百科:溅射镀膜介绍及其工艺原理

时间:2014-01-14 22:44:36  来源:  作者:

溅射镀膜用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面,沉积在基片上。溅射现象于1870年开始用于镀膜技术,1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。

    通常将欲沉积的材料制成板材──靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入10~1帕的气体(通常为氩气),在阴极和阳极间加几千伏电压,两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极,与靶表面原子碰撞,受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同,溅射镀膜不受膜材熔点的限制,可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法,即将反应气体(O、N、HS、CH等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物(如氧化物、氮化物等)而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射法。基片装在接地的电极上,绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地,一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后,高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子,绝缘靶表面带负电,在达到动态平衡时,靶处于负的偏置电位,从而使正离子对靶的溅射持续进行。采用磁控溅射可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数量级。

    溅射镀膜原理

    溅射镀膜的原理是基于以下的几个方面:

    溅射是指当有足够能量的带电粒子或中性粒子碰撞体表面时,可把能量传递给表面的原子,只要表面原子获得的能量大于本身的电离能,就能摆脱周围原子的束缚而离开物体表面,这种现象称为溅射。

    辉光放电则是在气压为几百帕的真空中,在两个电极之间加上高压时产生的放电现象。

    当真空室内的真空度为13Pa时,在阴阳两电极间加上一定的电压,气体发生自激放电,从阴极发射出的原子或原子团可沉积在阳板或真空室的壁上,这种溅射称阴极溅射。

    阴极溅射放电回路,是靠气体放电产生的正离子向阴极运动和一次电子向阳极运动形成的。放电是靠正离子撞击阴极产生二次电子。通过克鲁克斯暗区被加速,以补充一次电子的消耗来维持,因此,外部电路中测得的放电电流是轰击靶的正离子流和阴极发射的二次电子流之和。

    阴极溅射的主要缺点是沉积速率低,镀件温升。

    磁控溅射是一种异常阴极辉光低压等离子体放电,磁控溅射源是利用磁控管原理(即磁场与电场正交,磁场方向与阴极表面平行)制成的溅射源。

    磁控溅射源的放电是通过气体电离产生的正离子在阴极电位吸引下,在克鲁克斯暗区被加速,以几百电子伏特的能量撞击阴极从阳极获得电子成为中性原子反射出来,与此同时溅射出阴极靶原子,飞向镀件堆集成膜,从阴极打出的二次电子,穿过克鲁克斯暗区,受电场加速而获得能量,进入等离子体成为一次电子,一次电子在正交的电磁场中,运动方向与电场、磁场垂直,呈圆滚线运动轨迹,增加了同气体分子的碰撞,提高了电离的几率,这样经多次反复碰撞,耗尽了能量的一次电子成为“最终电子”进入阳极,形成放电电流,因此,磁控溅射与阴极溅射除了一次电子的运动轨迹不同外,其他放电机理基本相同。

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