磁控溅射的工艺

2019-10-22

  近年来,随着新材料的发展,薄膜材料的开发和应用,溅射沉积技术的发展在科学研究和工业生产中发挥了重要的作用。在溅射过程中,靶材料由待沉积材料制成,固定在溅射系统的阴极上,待沉积薄膜的衬底放置在面向靶表面的阳极上。当溅射系统被抽运到高真空并充入氩气时,阴极和阳极之间施加高压,阴极和阳极之间产生低压辉光放电。在放电产生的等离子体中,氩的正离子在电场作用下向阴极移动并与靶面碰撞。通过碰撞从靶表面溅起的靶原子称为溅射原子。溅射原子的能量一般在一到几十电子伏的范围内。溅射原子沉积在基片表面形成薄膜。溅射镀膜是用低压辉光放电产生的氩正离子在高速电场作用下轰击阴极靶材,喷射靶材中的原子或分子,沉积在基体或工件表面,形成所需的膜层。然而,溅射过程中溅射粒子的能量很低,导致薄膜的形成速率很低。

  磁控溅射技术是在溅射镀膜的基础上发展起来的,目的是提高成膜速率。在靶表面建立与电场正交的磁场,使氩的电离率从0.3%提高到0.5%到5%到6%。解决了目前工业上精密镀膜的主要方法之一——溅射镀膜沉积速率低的问题。其阴极靶材料种类繁多。金属、合金和陶瓷都可以用来制备靶材。磁控溅射镀膜在垂直磁场和电场的双重作用下,具有沉积速度快、膜层致密、与基体结合力好等优点,适合大规模、效率较高的工业生产。  
  在磁控溅射过程中,具体工艺对薄膜性能有很大影响。主要工艺流程如下:
  (l)基底清洗,主要采用异丙醇蒸汽清洗,然后用乙醇和丙酮浸泡基底,并干燥,除去表面油污;
  (2)抽真空时,真空度应控制在2×10-4pa以上,以保障薄膜的纯度;
  (3)加热,为了除去基材表面的水分,提高薄膜与基材的附着力,需要对基材进行加热,温度一般在150℃~200℃之间。
  (4)氩分压一般在0.01-lpa范围内,以达到放电的大气压条件;
  (5)预溅射,即通过离子轰击除去靶表面上的氧化膜,从而不影响膜的质量;
  (6)在正交磁场和电场的作用下,溅射和氩离子电离形成的正离子高速轰击靶材,使靶材颗粒达到基体表面并沉积成薄膜;
  (7)退火后,薄膜的热膨胀系数与基体不同,结合力小。