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2016磁控溅射靶材的研究进展
2017-04-30 广州市尤特新材料有限公司
溅射镀膜是用荷能粒子轰击固体靶材,使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜的镀膜技术。1852 年 Grove 在实验室发现了阴极溅射现象, 被公认为是真空溅射镀膜的开始。从目前来看,磁控溅射技术的发展前景十分可观,靶材温升慢、沉积速率高两大显著特点被广泛应用于各种材料薄膜的制备, 有关磁控溅射各个过程的物理机制研究也显得越来越重要 。靶材作为真空镀膜中的主要消耗部件, 其特性直接关系到薄膜质量以及镀膜的成本,故如何改进靶材性能,提高靶材的利用率成为真空镀膜生产中亟需解决的难题 。本文在介绍磁控溅射原理的基础上,从结构设计与优化的最新研究进展分析, 同时提出未来磁控溅射技术的发展方向.
其中基体与靶材平行相对,靶材接负电位,故基体相对于靶材处于正电位。在正负两极中引入磁场,电子受电场和磁场的共同影响,在洛伦兹力 F=e(v×B)的作用下成摆线运动,进而增加了电子和惰性气体碰撞的概率, 导致氩原子的离化率大大提高,入射靶面的 Ar + 密度逐渐增加,提高了溅射速率。 被溅射出来的中性原子由于不受电场和磁场的限制,飞向基板并在基板上形成薄膜。磁控溅射被应用到很多工业领域, 尤其在大面积平板玻璃中的应用更为广泛。
普通的磁控溅射靶在溅射过程中只有一条很窄的刻蚀环,且传统的磁控溅射系统的磁场结构固定,靶面磁场分布不均匀,溅射速率以及薄膜沉积速率的提高空间受到限制,不一致的磁场会导致靶材的异常刻蚀及薄膜厚度分布不均,所以靶材利用率比较低。所以磁场设计的关键在于优化磁场分布和工艺条件(工作电压、溅射时间、靶材温度等) 、扩展靶材溅射区域(电磁场正交区域加宽) 、加强靶材的冷却效率等,从而提高靶材的利用率和溅射速率。
在工业镀膜过程中, 磁控溅射靶材利用率的高低直接影响镀膜成本以及薄膜特性 ,针对靶材利用率低的问题,一些常用的改进平面靶结构的方法,如采用旋转磁场 增加溅射面积,或增加导磁垫片或附加永磁体来均匀磁场分布,又如 “分流设计”,以及新型磁控溅射器等 。通过改变磁铁的相对位置或增加磁极的数量等来获得靶面理想的磁场分布, 如采用两块极性相对的环状磁铁 ,有学者提出的“具有全靶剥蚀的矩形磁控靶”结构,裸靶结构等 ,还有学者提出移动式磁场靶结构,可以扩展放电区内的电子跑道,使靶材刻蚀面积增加, 尤其对复合型靶材的薄膜均匀性有很大的改善。总的来说, 平面磁控溅射靶的改良方案一般归纳为两种方法:一种是工业中常常采取的方法,即从结构上改善靶面水平磁场的分布, 实用价值比较高;第二种是在研究领域中常常采取的方式,即通过一些动态的方法来改善靶面的水平磁场分布, 如设置增加交流电磁线圈来控制磁场随时间变化, 或采用机械装置使靶和永磁体成相对运动状态, 或旋转靶材的制备等,这种方法效果明显,但同时也增加了制造成本, 在工业中的实用价值有限。 目前,这些技术逐渐被国内的靶材生产厂家运用。
磁控溅射技术由于其显著的优点成为工业镀膜的主导力量, 目前磁控溅射技术与计算机技术的结合已成为研究趋势, 采用计算机模拟不仅降低了研究成本,也可以直观地观察镀膜的相关物理过程,对实际生产具有重要的指导意义。在未来的研究领域中,磁控溅射技术与表面工程技术、机械工程等技术的结合成为必然趋势, 如何从结构改良和表面处理着手来提高靶材表面材料特性, 增加换热效果, 提高靶材利用率以及有效提高生产线换靶效率成为未来研究的方向。

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