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磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-11-22
磁控溅射镀膜是溅射镀膜的一种,它克服了其它溅射工艺沉积速率低的缺点,拓展了溅射的应用领域。磁控溅射镀膜就是在阴极靶材表面上方形成一个正交电磁场(即电场与磁场正交,磁场方向与靶材表面平行),在阴极区,当溅射产生的二次电子被加速变成高能电子后,并不直接飞向基材(阳极),反而是在正交磁场力作用下来回振荡,类似于作摆线运动,并持续不断地撞击气体分子,从而把能量传递给气体分子,使之发生电离,而其本身则变为低能电子,最终沿磁力线迁移到阴极附近的辅助阳极被吸收,这可避免高能粒子对基材的强烈轰击,不会引起基材的电子辐射损伤,充分地体现了“低温”溅射的特性。另一方面,正由于磁控溅射产生的高能电子来回振荡,一般要经过远距离飞行才能被阳极最终吸收,而气压为10-1Pa量级的电子平均自由程只有10cm的量级,所以电离度很高,易于放电,它的离子电流密度比其它溅射方法要高出一个数量级以上,溅射速率高达102nm/min~103nm/min,又充分地体现了“高速”溅射的特性陋。

磁控溅射镀膜新技术


非平衡磁控溅射技术(UBMS)
近年发展起来的非平衡磁控溅射技术是一种磁控靶边缘的磁力线呈发散状直达基底表面,在基底表面形成大量离子轰击,直接干预基底表面溅射成膜的过程。

非平衡磁控溅射技术的运用,使平衡磁控溅射遇到的问题如沉积致密、薄膜成分复杂等得以解决,然而单一非平衡磁控靶材在复杂基材上很难沉积出均匀性的薄膜,而且在电子飞向基材的过程中,随着磁场强度的减小,一部分电子会吸附到真空室壁上,导致离子和电子的浓度下降。据此,研发人员开发出多靶材非平衡磁控溅射系统,以补充单一靶材非平衡磁控溅射的不足。根据磁场的分布方式,多靶材非平衡磁控溅射系统可分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射,图1是双靶材非平衡磁控溅射示意图。
双靶非平衡磁控溅射示意图
图一 双靶非平衡磁控溅射示意图
脉冲磁控溅射技术(PMS)
近年来发展起来的脉冲磁控溅射新技术可以在反应溅射制备绝缘性薄膜的过程中,不断释放靶表面积高的电荷,以防止放电打弧的现象,并具有沉积速率高、溅射速率快等优点。脉冲磁控溅射(10kHz~350kHz)已经成为公认的沉积绝缘性薄膜的最佳工艺,最新研究表明:脉冲的磁控管放电也能够导致比连续的直流放电更热、更高能等离子体。脉冲磁控溅射技术扩大了沉积靶材的范围,可提高沉积薄膜的性能。根据介质的性质,占空比和脉冲频率也可以调节。


新型磁控溅射镀膜技术


随着先进工业需求以及磁控溅射镀膜新技术的出现,低压溅射、高速沉积、复合表面工程技术以及脉冲溅射等新型工艺成为目前该领域的研究热点。

在常规磁控溅射技术中,低压溅射的关键问题是气体原子与电子的碰撞概率降低,不足以维持靶材表面的辉光放电,导致溅射沉积无法持续进行。而通过优化磁场设计,可延长电子空间运动距离,非平衡磁控溅射技术即可以实现在10-2Pa级的真空条件下进行溅射沉积。另外,通过外加电磁场约束电子运动可以实现更低压强下的溅射沉积。高速沉积可以降低工作气体消耗、提高工作效率以及获得新型膜层。目前,高速沉积已经实现了靶材功率密度超过100W/cm2,沉积速率超过1μm/min。在替代传统电镀技术方面,高速沉积具有广阔的前景。

磁控溅射镀膜技术与其它表面工程技术结合也是磁控溅射镀膜技术发展的主要方向之一。尽管磁控溅射镀膜技术具有诸多优点,但是当前在表面工程领域占据的比重仍很小,传统表面工程技术仍然占据主导地位。限制其应用的一个主要因素是基底材料如有色金属(铝、镁、钛)无法与溅射技术沉积的超硬的功能性薄膜相匹配。相比高硬度涂层,基底太软无法承受载荷压力。反之,对于抗腐蚀性环境,针眼状缺陷会导致涂层失效。为克服这类问题,因而需要发展复合表面工程技术。

磁控溅射镀膜技术广泛应用于薄膜制备领域,可以制备工业上所需要的超硬薄膜、耐蚀性薄膜、磁性薄膜、超导薄膜以及光学薄膜等功能性薄膜,但传统的磁控溅射镀膜处理技术有很多的局限性,比如设备造价及稳定性仍待进一步改进。相信在未来的科研工作者们研究和不断优化下,该技术能给各种制造业和设备维护行业的发展提供更多益处,给各种机械零部件和制造行业的发展带来更大的飞跃。

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