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简析影响磁控溅射工艺稳定性的因素

作者:祁哲 2021-12-14

 磁控溅射镀膜工艺中的薄膜厚度均匀性、薄膜的成膜质量、溅射速率等方面的问题是实际生产中十分关注的。影响这些工艺稳定性的因素主要有溅射功率、气体压力与氩气纯度、靶与基片的距离、磁场的强度与分布、基片的温度与清洁度等因素。

(1)、溅射功率的影响

溅射功率的增加会提高膜厚的均匀性、溅射速率,随着溅射功率的增加,等离子体的面积增大,因此膜层的均匀性会提高。功率的增大,能提高氩气的电离度,增大溅射出的靶材原子数量,从而提高了溅射速率。而这些靶原子带有很高的能量淀积到基片上,因此能提高靶材原子与基片的附着力和薄膜的致密度。从而提高了薄膜的成膜质量。但是过高的功率会造成原子带有过高的能量轰击基片,二次电子也相应增多,这都会造成基片温度过高,会降低薄膜成膜质量与溅射速率。

2靶基距的影响

在靶基距较小时,薄膜质量较高、溅射速率比较高,但膜层均匀性很差。增大靶基距,薄膜质量与溅射速率会减低,膜层均匀性会提高,因此合适的靶基距是保证工艺稳定性的重要因素。因设备在出厂时已经设定了合适的靶基距,因此这里不再讨论。

3气体压力与氩气的影响

在气体压力很低的情况下,可以电离的氩气很少,轰击靶材的Ar+也很少,因此溅射速率很低,甚至可能无法起辉。随着气体压力的增大,氩气的浓度增大,被溅射出的靶材原子在飞向基片的过程中,与这些气体碰撞的几率变大,靶材原子的分布变得均匀,从而能提高膜层的均匀性。同时Ar+密度随着氩气浓度增大而增大,溅射出来的靶原子也会增加,从而增大了溅射速率。但是气体压力过大会降低溅射速率与成膜质量,因为过大的气体压力会增大靶材原子与气体的碰撞次数,靶材原子损失大量能量,使得沉积到基片上的原子的能量过低,从而影响膜层的附着力与致密性。同时过大的气体压力会造成离子的平均自由程的降低,与气体分子碰撞的次数过多,也会导致沉积速率的降低。

4磁场的影响

磁场不均匀会使薄膜的均匀性变差,磁控溅射的基本原理就是通过磁场来延长电子的运动轨迹,尽可能的与氩原子发生碰撞,在磁场强的地方产生的Ar+离子多,轰击出的靶材原子也比较多,基片上膜层就比较厚,反之磁场弱的地方,膜层较薄。显然,磁场的强弱也会影响沉积速率,磁场强沉积速率高,反之,沉积速率低。

5基片温度与清洁度的影响

合适的基片温度能提高薄膜的附着力与淀积速度,这个需要根据不同的靶材摸索具体的温度。基片的清洁度对基片与薄膜的附着力的影响很大,因此做好基片与真空腔体的清洁工作十分重要。