在典型的濺射沉積過程中:
高真空準備:首先將腔室抽至高真空,以最大限度降低背景氣體與潛在污染物的分壓。
注入工藝氣體:達到基礎真空后,通入構成等離子體的濺射氣體,并通過壓力控制系統將總壓力調節至毫托范圍。
激發等離子體:在陰極(通常位于濺射靶后方)與陽極(通常接地)之間施加高壓,以啟動等離子體。
氣體電離與靶材轟擊:
原子濺射與薄膜沉積:碰撞將靶材原子濺射出來,這些原子獲得足夠動能飛向基片表面并沉積成膜。
工藝氣體選擇:為促進高能碰撞、提高沉積速率,通常選擇氬、氙等高分子量氣體作為濺射氣體。若進行反應濺射,可通入氧氣、氮氣等反應氣體。
磁控濺射的技術優勢
磁控濺射源利用強磁場將電子約束在靶材表面附近,此舉不僅提高了等離子體密度和沉積速率,還避免了高能電子直接轟擊基片或生長中的薄膜而造成損傷。
與其他PVD技術相比,磁控濺射無需熔化蒸發源材料,因而具備顯著優勢:
源材料多樣性:幾乎可沉積任何材料,無論其熔點多高。
靈活的源布局:可根據基片和鍍層要求,在腔室內任意縮放和布置濺射源。
成分保持性:能夠沉積合金和化合物薄膜,并保持與靶材相近的化學成分。
成功的磁控濺射工藝需要選擇合適的電源系統,常見的有直流磁控濺射、射頻磁控濺射?和?脈沖直流濺射。
在PVD濺射中,主要采用以下三種先進技術:磁控濺射、高功率脈沖磁控濺射?與雙磁控濺射。
磁控濺射
該技術利用等離子體中的氬離子轟擊靶材,將其原子濺射出來,從而在工件表面形成光滑的涂層。通過電磁線圈可精確調控涂層的硬度和致密性。
高功率脈沖磁控濺射
HiPIMS是磁控濺射的一種先進模式,它采用高功率脈沖來產生高度電離的靶材原子。這種方法能制備出極其堅硬、致密且具有卓越耐磨性能的涂層。
雙磁控濺射
DMS采用雙電源系統,確保兩個濺射陰極始終保持良好的導電性,從而顯著提高了工藝的穩定性與可控性。可對反應氣體流量進行精密控制,從而實現如三氧化二鋁(Al?O?)等復雜金屬氧化物涂層的沉積。
應用領域
?集成電路
用于沉積芯片中的金屬互連線(如鋁、銅)、阻擋層(如鉭、氮化鉭)以及晶體管柵極等。
?薄膜元件
在硅片或陶瓷基板上制備精密的無源元件,如薄膜電阻、電容。
?精密光學
為相機鏡頭、激光反射鏡、光學傳感器等鍍制二氧化硅、二氧化鈦等多層介質膜,實現增透、高反射或濾光功能。
?大型平板顯示
用于在玻璃基板上沉積氧化銦錫(ITO)透明導電膜,作為觸摸屏、液晶顯示器的電極。
?節能玻璃
在建筑和汽車玻璃上鍍制低輻射(Low-E)膜層,以反射紅外線,實現隔熱保溫。
?工具涂層
在切削刀具、模具表面沉積氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(AlTiN)等超硬陶瓷涂層,極大提高其硬度、耐磨性和使用壽命。
?機械部件
為發動機零部件、傳動系統等提供類金剛石(DLC)等潤滑與耐磨涂層,減少摩擦與能耗。
?消費品外觀
廣泛應用于手表、手機中框、衛浴五金等產品,鍍制氮化鋯(ZrN)、氧化鋯等涂層,提供持久耐磨的金色、黑色、香檳色等多種時尚色彩。
?柔性電子
在聚合物等柔性基板上低溫沉積ITO或金屬網格,用于制造可彎曲的顯示屏和傳感器。
?新能源
用于制備薄膜太陽能電池的吸收層與電極,以及燃料電池的催化涂層。
?生物醫學
在手術工具和醫療植入體(如人工關節)上沉積氧化鈦、氧化鋯等生物相容性涂層,改善其使用性能與壽命。