Новейшая разработка и направление технологии магнетронного напыления

Новейшая разработка и направление технологии магнетронного напыления

Основной процесс распыления тлеющей плазмой заключается в том, что под действием несущих энергию ионов в тлеющей плазме на отрицательном электроде атомы мишени распыляются из мишени и затем конденсируются на подложке с образованием тонкой пленки. В этом процессе вторичные электроны одновременно испускаются с поверхности мишени, которые играют ключевую роль в поддержании стабильного существования плазмы. Появление и применение технологии распыления прошли много этапов. После более чем 30-летнего развития технология магнетронного распыления превратилась в незаменимый метод получения сверхтвердых, износостойких, с низким коэффициентом трения, коррозионно-стойких, декоративных, оптических, электрических и других функциональных пленок. Импульсное магнетронное распыление является еще одним важным событием в этой области. Практически невозможно получить плотные, бездефектные изолирующие пленки, особенно керамические, путем реактивного осаждения методом распыления постоянного тока из-за низкой скорости осаждения, легкого возникновения дугового разряда целевых материалов и изменения структуры, состава и характеристик. Технология импульсного магнетронного распыления может быть использована для преодоления этих недостатков. Частота импульсов составляет 10 ~ 200 кГц, что может эффективно предотвращать дуговой разряд материала мишени и стабилизировать процесс осаждения реактивного распыления, чтобы достичь высокоскоростного осаждения высококачественных реактивных пленок. Авторы в основном обсуждают технологию магнетронного распыления в несбалансированном состоянии. магнетронное распыление, процесс импульсного магнетронного распыления, а также осаждение методом магнитного контроля напыления, распыление, высокоскоростная высокочистая обработка мембран при низком давлении и улучшение качества технологии реакционного напыления пленок, проведенный на основе тщательного анализа, последнего вызова для Китая Нефтехимическая отрасль должна активно развивать и применять технологию магнетронного распыления.

Технология неравновесного магнетронного распыления

По сравнению с обычным магнетронным распылением технология неравновесного магнетронного распыления имеет небольшую разницу в конструкции, но приводит к огромным различиям в характеристиках осаждения. ИНЖИР. 1 схематическое представление характеристик области плазмы неравновесного магнетронного распыления и обычного магнетронного распыления

При обычном магнетронном распылении плазма полностью ограничена областью мишени, и типичное значение составляет около 6 см на поверхности мишени. Рисунок 1 с (называется инвазивным) несбалансированное магнетронное распыление, напряженность внешнего магнитного поля, напряженность магнитного поля выше, чем центральные линии магнитной силы, не образуют замкнутую петлю между центром и периферией, часть внешней поверхности магнитного силовые линии простираются до подложки, благодаря чему часть вторичного электрона может достигать поверхности подложки по линиям магнитной силы, плазма больше не ограничивается областью мишени, а чтобы иметь возможность достигать поверхности подложки, Увеличение плотности ионного пучка подложки, как правило, может достигать более 5 мА / см2. Таким образом, источник распыления также является источником ионов, бомбардирующих подложку. Плотность ионного пучка подложки пропорциональна плотности тока материала мишени. Плотность тока материала мишени увеличивается, скорость осаждения увеличивается, а плотность ионного пучка подложки увеличивается. Рисунок 1b (называемый когезией) представляет собой другое неравновесное магнитное поле, которое характеризуется более высокой интенсивностью центрального магнитного поля, чем периферия, линии магнитного поля не замкнуты, а направлены на стенку устройства, и низкая плотность плазмы на поверхности подложки. Из-за низкой плотности ионного пучка подложки этот метод используется редко. Однако исследования показали, что этот метод позволяет получать пленки с высокой удельной поверхностью и высокой активностью, и пористость полученной пленки может быть более чем в 1000 раз больше пористости плотной поверхности, и пористость можно контролировать одновременно. Пористые пленки имеют важное применение в качестве катализаторов, устройств зажигания и черных тел. Дальнейшее развитие неравновесного магнетронного распыления (CFUBMS) характеризуется использованием множества неравновесных магнетронных распылительных источников, установленных определенным образом, что используется для преодоления большой трудности использования одной мишени для равномерного нанесения тонких пленок на Поверхность сложных подложек. В многоцелевой системе связь между двумя соседними целями может быть параллельной или относительной. Есть также две моды магнитного поля в соседних мишенях, как показано на фиг. 2. Когда соседние магнитные полюса противоположны, они называются замкнутыми модами магнитного поля. Когда соседние магнитные полюса одинаковы, это называется режимом зеркального магнитного поля. В способе замкнутого магнитного поля линии магнитного поля между различными материалами мишени замкнуты, поскольку потери на стенках менее электронные, плотность плазмы на поверхности подложки высока, это соотношение ионов и атомов, достигающих поверхности зеркала подложки Магнитное поле или одиночная мишень более чем в 2–3 раза больше несбалансированного магнитного поля, когда расстояние между подложкой и мишенью увеличивается, замкнутое магнитное поле на поверхности иона подложки и влияние атомного отношения более значимы. В зеркальном режиме линия магнитного поля направлена на стенку, а вторичные электроны расходуются стенкой вдоль линии магнитного поля, что приводит к уменьшению плотности плазмы на поверхности подложки.

На основе неравновесной технологии магнетронного распыления недавно появилась технология магнетронного распыления с переменной напряженностью магнитного поля, которая характеризуется регулируемым положением магнитного полюса. Изменяя расстояние между двумя магнитными полюсами и поверхностью мишени, можно изменять напряженность магнитного поля на поверхности мишени. Переменная конструкция магнитного поля обеспечивает новые технические параметры, внедрение осадочных ионов, атомы, чем тонкая регулировка, такие как осадочная фаза начинают надеяться на более высокий ионный пучок, чтобы улучшить адгезию пленки, но дальнейшее отложение ионного пучка может привести к высокой Напряжение и дефект тонкой пленки, в любое время изменение магнитного поля может изменить ионный пучок и устранить эту проблему. При нанесении градиентной пленки и многослойной пленки этот метод позволяет добиться наилучшего сочетания различных свойств пленки. Эта технология также может контролировать коррозионные характеристики распыляемой мишени и обеспечивать равномерное распыление мишени.

Импульсное магнетронное распыление (ПМС)

Импульсное магнетронное распыление формируется путем замены традиционного источника постоянного тока на импульсный источник постоянного тока. Эта технология имеет ряд замечательных преимуществ, таких как более низкая температура осаждения, высокоскоростное и бездефектное осаждение керамической пленки. Например, при нанесении оксидных пленок традиционно могут использоваться металлические мишени, реактивное осаждение при распылении в соответствующим образом контролируемой атмосфере кислорода или высокочастотное (обычно 13156 МГц) осаждение оксидных мишеней при распылении. Однако оба метода имеют ограничения. Пленки высокого качества могут быть получены путем высокочастотного распыления с очень низкой скоростью осаждения (уровень м / ч) и сложных систем. Проблема реактивного распыления заключается в том, что цель отравлена. Во время реактивного распыления неосновная область свечения на поверхности мишени покрывается изолирующими осадками, что приводит к накоплению заряда в изоляционном и изолирующем слое мишени до возникновения дугового разряда. Дуговой разряд делает компоненты целевой материал испаряется в форме капель и вызывает различные дефекты пленки при нанесении на поверхность подложки, такие как рыхлая структура пленки, крупнозернистая структура, разделение состава или структуры и т. д., что оказывает очень неблагоприятное влияние на производительность пленка, особенно оптическая и коррозионная стойкость. Технология импульсного магнетронного распыления может эффективно подавлять образование дуги и устранять дефекты пленки, а также значительно улучшать скорость осаждения при распылении для достижения скорости осаждения чистого металла, то есть 10 м / ч. В процессе импульсного распыления импульсное напряжение, добавляемое на мишень, такое же, как и при обычном магнетронном распылении (400 ~ 500 В), и время разряда с добавленным напряжением на мишени контролируется, чтобы гарантировать, что цель не отравлена и происходит дуговой разряд. Затем целевое напряжение отключается, даже если цель заряжается положительно. Поскольку скорость электронов в плазме намного выше скорости ионов, положительное напряжение преобразованного материала мишени, как правило, требует только 10% -20% отрицательного напряжения смещения, что может предотвратить дуговой разряд (этот тип источника питания называется асимметричным биполярным источником питания постоянного тока). Исследования показали, что при частоте импульсов ниже 20 кГц возникновение дугового разряда невозможно предотвратить. Когда частота импульсов выше 20 кГц, дуговой разряд может быть полностью подавлен. В то же время, ширина импульса (отношение положительного и отрицательного напряжения к времени) играет ключевую роль. Положительное напряжение не имеет очевидного влияния на то, генерируется ли дуговой разряд или нет, но оно оказывает большое влияние на скорость осаждения. Когда положительное напряжение увеличивается с 10% до 20% (по сравнению с отрицательным напряжением), скорость осаждения может быть увеличена на 50%. Считается, что этот эффект усиливается высоким положительным напряжением для очистки цели. Технология PMS может использоваться для биполярного магнетронного распыления, и две магнетронные мишени для распыления имеют соответственно положительный и отрицательный полюсы. В процессе работы одна цель распыляется, а другая очищается, и цикл повторяется. Эта технология имеет много преимуществ, таких как длительная (300 ч) стабильная работа, и имеет важное применение при нанесении тонких оптических пленок, используемых в конструкционных, автомобильных и полимерных материалах. Другой недавней разработкой является применение импульсного смещения к подложкам. Импульсное смещение может значительно улучшить ионный пучок на подложке. При магнетронном распылении, когда постоянное отрицательное смещение обычно добавляется к -100 В, ионный пучок подложки достигает насыщения. Увеличение отрицательного смещения не приведет к увеличению пучка ионов подложки. Обычно считается, что ток насыщения является ионным пучком, и электроны не могут приблизиться к поверхности подложки. Результаты показывают, что импульсное смещение не только увеличивает ток насыщения подложки, но также увеличивается с отрицательным смещением. Когда частота импульсов увеличивается, эффект становится более значительным. Механизм все еще неясен, что может быть связано со скоростью ионизации плазмы и более высокой температурой электронов, создаваемой колеблющимся электрическим полем. Отрицательное смещение импульса субстрата обеспечивает новый метод для эффективного контроля плотности тока субстрата, и этот эффект можно применять для оптимизации структуры мембраны, адгезии и сокращения времени распыления и времени нагрева субстрата. С развитием механических, энергетических, управляющих и других смежных технологий технология магнетронного распыления получит дальнейшее развитие. Например, недавно, благодаря применению редкоземельного постоянного магнита, напряженность магнитного поля на поверхности мишени раньше составляла всего 300-500 Гс, но теперь она была увеличена до 1 кГс, что еще больше повышает эффективность и способность магнетронного распыления. ,

Новая технология нанесения магнетронного напыления

От обычного металлического целевого распыления, реактивного распыления, распыления смещением и т. Д., А также от промышленного спроса и появления новой технологии магнетронного распыления, новых технологий, таких как распыление под низким давлением, высокоскоростное осаждение, самонесущее напыление, многократное обработка поверхности и импульсное распыление стали тенденцией развития в этой области. Основная проблема распыления при низком давлении заключается в том, что при низком давлении (обычно <011 па)="" вероятность="" столкновения="" между="" электронами="" и="" атомами="" газа=""> В обычной технологии магнетронного распыления недостаточно поддерживать тлеющий разряд на поверхности материала мишени, что приводит к невозможности продолжения осаждения при распылении. Оптимизируя конструкцию магнитного поля, расстояние перемещения электронного пространства увеличивается, и неравновесная технология магнетронного распыления может реализовывать осаждение распылением в вакууме на уровне 10-2pa. Кроме того, осаждение при напылении при более низком давлении и более высокой интенсивности может быть реализованным путем ограничения движения электронов внешним электромагнитным полем. Высокоскоростное осаждение может значительно повысить эффективность работы, снизить потребление газа и получить новую пленку. Основная проблема, которая должна быть решена при высокоскоростном осаждении, состоит в том, что плотность тока целевого материала увеличивается без дугового разряда. С увеличением удельной мощности охлаждающая способность целевого материала и подложки должна быть улучшена. В настоящее время целевая плотность мощности составляет более 100 Вт / см2, а скорость осаждения составляет более 1 м / мин. Высокоскоростное осаждение является привлекательной альтернативой обычному гальваническому покрытию. В процессе высокоскоростного осаждения, путем увеличения скорости ионизации распыляемых частиц, рабочий газ может быть отрезан и может поддерживаться осаждение разряда, то есть может быть сформировано самоподдерживающееся осаждение при распылении. Самоподдерживающееся напыление напыления играет важную роль в улучшении адгезии между тонкой пленкой и подложкой, устранении внутренних дефектов тонкой пленки и подготовке тонкой пленки высокой чистоты. Сочетание технологии магнетронного распыления и других технологий обработки поверхности является еще одним основным направлением развития технологии магнетронного распыления. Хотя технология магнетронного распыления имеет много преимуществ, она все еще занимает небольшую долю в области промышленной обработки поверхностей, а традиционная технология обработки поверхностей все еще занимает доминирующее положение. Одна из основных причин, влияющих на его применение, заключается в том, что материалы подложки, такие как низколегированная сталь и титановый сплав, слишком мягкие, чтобы соответствовать сверхтвердым пленкам, полученным с помощью технологии напыления. Подложка слишком мягкая, чтобы выдерживать давление нагрузки, в отличие от очень твердых покрытий. И наоборот, в случае коррозионностойких применений дефекты укола могут привести к повреждению покрытия. Чтобы преодолеть эти проблемы, были разработаны различные технологии обработки поверхности, то есть несколько технологий обработки поверхности были использованы для последовательной модификации материалов, и полученные слои для модификации поверхности имели несравненные преимущества по сравнению с технологией обработки одной поверхности. Типичным примером этого является n-осаждение с последующим осаждением распылением, которое обеспечивает подповерхностную толщину 500 м и твердость 10 ГПа с последующим осаждением 3 ~ 5 м TiN. TiN обеспечивает высокую износостойкость, а n-слой обеспечивает высокую износостойкость и усталостную прочность.

Состояние внутреннего развития и применение в нефтехимической промышленности

Технология магнетронного распыления широко применяется в Китае в области строительных материалов, отделки, оптики, защиты от коррозии и усиления шлифовального инструмента. В настоящее время подготовка функциональных пленок, таких как фотоэлектричество, фототермический, магнетизм, сверхпроводимость, диэлектрик и катализ с помощью технологии магнетронного распыления, является горячей точкой исследования. Однако, что касается неравновесной технологии магнетронного распыления, особенно нового процесса осаждения, мало единиц было изучено и изучено в Китае. После поиска выяснилось, что на китайском языке пока только менее 20 научных исследований, а число авторских единиц еще меньше. Антикоррозийная и высокотвердая пленка может сыграть важную роль в улучшении производительности и срока службы Ожидается, что нефтяное оборудование, низкий коэффициент трения, смазка, анти-грязевой мешок, катализ, оптика и другие функциональные пленки применительно к нефтехимической промышленности значительно улучшат эффективность работы, качество продукции и защиту окружающей среды, безопасность и так далее. С развитием и применением новых технологий и процессов магнетронного распыления и растущей потребностью в повышении эффективности производства, защите окружающей среды и безопасности в нефтяной и химической промышленности важность технологии магнетронного распыления для нефтяной и химической промышленности будет продолжать расти. Однако в настоящее время нефтехимическая промышленность в Китае не имеет достаточного понимания и применения технологии магнетронного распыления, и в этой области нет специализированных учреждений, занимающихся этой проблемой. Поэтому автор призывает усилить поддержку технологии магнетронного распыления.

IKS PVD manufacture Производство оборудования для нанесения вакуумных покрытий из Китая ， контакт: iks.pvd@foxmail.com