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PVD溅射技术

PVD溅射

工作原理

磁控溅射是一种利用气体等离子体进行沉积的技术。该等离子体在特定空间内产生并被约束,该空间内含有所需沉积的材料——即”靶材”。等离子体中的高能离子持续轰击靶材表面,使其原子被溅射出来,这些原子穿过真空环境沉积在基片上,形成薄膜。

Magnetron sputtering

在典型的溅射沉积过程中:

  1. 高真空准备:首先将腔室抽至高真空,以最大限度降低背景气体与潜在污染物的分压。

  2. 注入工艺气体:达到基础真空后,通入构成等离子体的溅射气体,并通过压力控制系统将总压力调节至毫托范围

  3. 激发等离子体:在阴极(通常位于溅射靶后方)与阳极(通常接地)之间施加高压,以启动等离子体。

  4. 气体电离与靶材轰击

    • 溅射气体中的电子被阴极加速,与周围气体原子碰撞,使其电离。

    • 带正电的气体离子在电场作用下加速轰向带负电的阴极(靶材),与靶面发生高能碰撞。

  5. 原子溅射与薄膜沉积:碰撞将靶材原子溅射出来,这些原子获得足够动能飞向基片表面并沉积成膜。

  6. 工艺气体选择:为促进高能碰撞、提高沉积速率,通常选择氩、氙等高分子量气体作为溅射气体。若进行反应溅射,可通入氧气、氮气等反应气体。

磁控溅射的技术优势

磁控溅射源利用强磁场将电子约束在靶材表面附近,此举不仅提高了等离子体密度和沉积速率,还避免了高能电子直接轰击基片或生长中的薄膜而造成损伤。

与其他PVD技术相比,磁控溅射无需熔化蒸发源材料,因而具备显著优势:

  • 源材料多样性:几乎可沉积任何材料,无论其熔点多高。

  • 灵活的源布局:可根据基片和镀层要求,在腔室内任意缩放和布置溅射源。

  • 成分保持性:能够沉积合金和化合物薄膜,并保持与靶材相近的化学成分。

成功的磁控溅射工艺需要选择合适的电源系统,常见的有直流磁控溅射、射频磁控溅射 和 脉冲直流溅射

在PVD溅射中,主要采用以下三种先进技术:磁控溅射高功率脉冲磁控溅射 与双磁控溅射

  • 磁控溅射
    该技术利用等离子体中的氩离子轰击靶材,将其原子溅射出来,从而在工件表面形成光滑的涂层。通过电磁线圈可精确调控涂层的硬度和致密性。

  • 高功率脉冲磁控溅射
    HiPIMS是磁控溅射的一种先进模式,它采用高功率脉冲来产生高度电离的靶材原子。这种方法能制备出极其坚硬、致密且具有卓越耐磨性能的涂层。

  • 双磁控溅射
    DMS采用双电源系统,确保两个溅射阴极始终保持良好的导电性,从而显著提高了工艺的稳定性与可控性。可对反应气体流量进行精密控制,从而实现如三氧化二铝(Al₂O₃)等复杂金属氧化物涂层的沉积。

应用领域

▸集成电路
用于沉积芯片中的金属互连线(如铝、铜)、阻挡层(如钽、氮化钽)以及晶体管栅极等。

▸薄膜元件
在硅片或陶瓷基板上制备精密的无源元件,如薄膜电阻、电容。

▸精密光学
为相机镜头、激光反射镜、光学传感器等镀制二氧化硅、二氧化钛等多层介质膜,实现增透、高反射或滤光功能。

▸大型平板显示
用于在玻璃基板上沉积氧化铟锡(ITO)透明导电膜,作为触摸屏、液晶显示器的电极。

▸节能玻璃
在建筑和汽车玻璃上镀制低辐射(Low-E)膜层,以反射红外线,实现隔热保温。

▸工具涂层
在切削刀具、模具表面沉积氮化钛(TiN)、氮化铝钛(AlTiN)等超硬陶瓷涂层,极大提高其硬度、耐磨性和使用寿命。

▸机械部件
为发动机零部件、传动系统等提供类金刚石(DLC)等润滑与耐磨涂层,减少摩擦与能耗。

▸消费品外观
广泛应用于手表、手机中框、卫浴五金等产品,镀制氮化锆(ZrN)、氧化锆等涂层,提供持久耐磨的金色、黑色、香槟色等多种时尚色彩。

▸柔性电子
在聚合物等柔性基板上低温沉积ITO或金属网格,用于制造可弯曲的显示屏和传感器。

▸新能源
用于制备薄膜太阳能电池的吸收层与电极,以及燃料电池的催化涂层。

▸生物医学
在手术工具和医疗植入体(如人工关节)上沉积氧化钛、氧化锆等生物相容性涂层,改善其使用性能与寿命。

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