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真空镀膜机溅射沉膜技术基础介绍

2020-07-23

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定义:
以一定能量的粒子(离子或中性原子,分子)轰击固体表面,使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺,真空镀膜机溅射只能在一定的真空状态下进行
真空镀膜机

 以一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)轰击固体表面,使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。真空镀膜机溅射只能在一定的真空状态下进行。

原理
        真空镀膜机溅射用的轰击粒子通常是带正电荷的惰性气体离子,用得最多的是氩离子。氩电离后,氩离子在电场加速下获得动能轰击靶极。当氩离子能量低于5电子伏时,仅对靶极最外表层产生作用,主要使靶极表面原来吸附的杂质脱附。当氩离子能量达到靶极原子的结合能(约为靶极材料的升华热)时,引起靶极表面的原子迁移,产生表面损伤。轰击粒子的能量超过靶极材料升华热的四倍时,原子被推出晶格位置成为汽相逸出而产生溅射。对于大多数金属,溅射阈能约为10~25电子伏。
 
真空镀膜机溅射产额
         即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数,与入射离子的能量有关。在阈能附近溅射,产额只有10-5~10-4个原子/离子,随着入射离子能量的增加,真空镀膜机溅射产额按指数上升。当离子能量为103~104电子伏时,溅射产额达到一个稳定的极大值;能量超过104电子伏时,由于出现明显的离子注入现象而导致溅射产额下降。溅射产额还与靶极材料、原子结合能、晶格结构和晶体取向等有关。一般说来,单金属的真空镀膜机溅射产额高于它的合金;在绝缘材料中,非晶体溅射产额最高,单晶其次,复合晶体最低。
 
真空镀膜机溅射工艺

        真空镀膜机溅射工艺主要用于真空镀膜机溅射刻蚀和薄膜沉积两个方面。溅射刻蚀时,被刻蚀的材料置于靶极位置,受氩离子的轰击进行刻蚀。刻蚀速率与靶极材料的溅射产额、离子流密度和溅射室的真空度等因素有关。真空镀膜机溅射刻蚀时,应尽可能从真空镀膜机溅射室中除去溅出的靶极原子。常用的方法是引入反应气体,使之与溅出的靶极原子反应生成挥发性气体,通过真空系统从溅射室中排出。沉积薄膜时,溅射源置于靶极,受氩离子轰击后发生溅射。如果靶材是单质的,则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜;若在溅射室内有意识地引入反应气体,使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底,便可形成靶极材料的化合物薄膜。通常,制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接进行溅射而得。在溅射中,溅出的原子是与具有数千电子伏的高能离子交换能量后飞溅出来的,其能量较高,往往比蒸发原子高出1~2个数量级,因而用溅射法形成的薄膜与衬底的粘附性较蒸发为佳。若在溅射时衬底加适当的偏压,可以兼顾衬底的清洁处理,这对生成薄膜的台阶覆盖也有好处。另外,用真空镀膜机溅射法可以制备不能用蒸发工艺制备的高熔点、低蒸气压物质膜,便于制备化合物或合金的薄膜。溅射主要有离子束溅射和等离子体溅射两种方法。离子束溅射装置中,由离子枪提供一定能量的定向离子束轰击靶极产生溅射。离子枪可以兼作衬底的清洁处理和对靶极的溅射。为避免在绝缘的固体表面产生电荷堆积,可采用荷能中性束的溅射。中性束是荷能正离子在脱离离子枪之前由电子中和所致。离子束溅射广泛应用于表面分析仪器中,对样品进行清洁处理或剥层处理。由于束斑大小有限,用于大面积衬底的快速薄膜淀积尚有困难。 

     等离子体真空镀膜机溅射也称辉光放电溅射。产生溅射所需的正离子来源于辉光放电中的等离子区。靶极表面必须是一个高的负电位,正离子被此电场加速后获得动能轰击靶极产生溅射,同时不可避免地发生电子对衬底的轰击。