Perkembangan dan trend terbaru teknologi magnetron sputtering salutan

Perkembangan dan trend terbaru teknologi magnetron sputtering salutan

Proses asas sputtering plasma cahaya adalah bahawa di bawah tindakan ion yang membawa tenaga dalam plasma cahaya pada elektrod negatif, atom-atom sasaran dipancarkan dari sasaran dan kemudian dipenuhkan pada substrat untuk membentuk filem nipis. Dalam proses ini, elektron menengah secara serentak dipancarkan dari permukaan sasaran, yang memainkan peranan utama dalam mengekalkan kewujudan plasma yang stabil. Penampilan dan penerapan teknologi sputtering telah melalui banyak peringkat. Selepas lebih daripada 30 tahun pembangunan, teknologi magnetron sputtering telah berkembang menjadi satu kaedah yang tidak dapat digantikan untuk penyediaan pekali ultra-keras, tahan-tahan, pekali geseran rendah, tahan kakisan, hiasan, optik, elektrik dan lain-lain. Filem magnetron sputtering adalah satu lagi perkembangan penting dalam bidang ini. Ia hampir mustahil untuk mencapai filem-filem penebat yang tidak padat dan bebas, terutamanya filem seramik, oleh pemendapan reaksi spektrometrik yang berkurang, kerana kadar pemendapan yang rendah, kejadian mudah pelepasan busur bahan sasaran dan perubahan struktur, komposisi dan prestasi. Teknologi sputtering magnetron berdenyut boleh digunakan untuk mengatasi kekurangan ini. Kekerapan berdenyut adalah 10 ~ 200kHz, yang boleh menghalang bahan sasaran dari pelepasan arka dan menstabilkan proses pemendapan reaktif secara rapi, untuk mencapai pemendapan berkelajuan tinggi filem-filem reaktif yang berkualiti tinggi. Pengarang terutamanya membincangkan teknologi spontan magnetron dalam ketidakimbangan magnetron sputtering, kemajuan spontan magnetron sputtering, serta kemerosotan pemendapan magnetik, pemendapan, kemurnian tinggi berkelajuan tinggi pada penyediaan membran tekanan rendah dan meningkatkan kualiti tindak balas teknologi sputtering yang berlaku pada analisis menyeluruh, panggilan terakhir untuk China industri petrokimia perlu bersungguh-sungguh dalam pembangunan dan penggunaan teknologi spontan magnetron.

Teknologi magnetron sputtering bukan keseimbangan

Berbanding dengan spontan magnetron konvensional, teknologi magnetron sputtering bukan keseimbangan mempunyai sedikit perbezaan dalam reka bentuk, tetapi membawa kepada perbezaan besar dalam ciri-ciri pemendapan. FIG. 1 gambarajah skematik ciri-ciri rantau plasma teknologi magnetron sputtering yang tidak keseimbangan dan teknologi spontan magnetron konvensional

Dalam magnetron konvensional, plasma sepenuhnya tertutup ke kawasan sasaran, dan nilai biasa adalah kira-kira 6cm pada permukaan sasaran. Rajah 1 c (dipanggil invasif) magnetron sputtering tidak seimbang, keamatan medan magnet luar, keamatan medan magnet lebih tinggi daripada garis pusat daya magnet tidak membentuk gelung tertutup antara pusat dan pinggir, sebahagian permukaan luar magnet garis bidang diperluas ke substrat, menjadikan sebahagian daripada elektron sekunder dapat mencapai permukaan substrat di sepanjang garis magnet, plasma tidak lagi terhad kepada kawasan sasaran, tetapi dapat mencapai permukaan substrat, substrat peningkatan pancaran ion substrat, biasanya boleh mencapai lebih daripada 5 ma / cm2. Dengan cara ini, sumber sputtering juga merupakan sumber ion membombardir substrat. Ketumpatan rasuk ion substrat adalah berkadar dengan kepadatan arus bahan sasaran. Ketumpatan arus bahan sasaran bertambah, kadar penumpuan bertambah, dan ketumpatan rasuk ion substrat bertambah. Figure 1b (dipanggil kohesi) adalah medan magnet bukan keseimbangan lain, yang dicirikan oleh keamatan medan magnet pusat lebih tinggi daripada garis pinggang, garis medan magnet tidak ditutup tetapi diarahkan ke dinding peranti, dan ketumpatan plasma rendah pada permukaan substrat. Oleh kerana kepadatan rendah rasuk ion substrat, kaedah ini jarang digunakan. Walau bagaimanapun, kajian telah menunjukkan bahawa kaedah ini dapat memperoleh filem dengan permukaan spesifik tinggi dan aktiviti tinggi, dan keliangan filem yang diperolehi dapat lebih daripada 1000 kali permukaan padat, dan porositas dapat dikendalikan pada waktu yang sama. Filem berliang mempunyai aplikasi penting sebagai pemangkin, peranti pencucuhan dan blackbodies. Perkembangan selanjutnya dari magnetron sputtering (CFUBMS) bukan keseimbangan dicirikan oleh penggunaan pelbagai sumber magnetron sputtering yang dipasang dalam cara tertentu, yang digunakan untuk mengatasi kesukaran yang besar menggunakan sasaran tunggal untuk seragam deposit filem tipis pada permukaan substrat kompleks.Dalam sistem multi-target, hubungan antara dua sasaran bersebelahan boleh diletakkan secara selari atau relatif. Terdapat juga dua mod medan magnet dalam sasaran bersebelahan, seperti ditunjukkan dalam FIG. 2. Apabila tiang magnet bersebelahan bertentangan, ia dipanggil mod medan magnet tertutup. Apabila tiang magnet bersebelahan adalah sama, ia dipanggil mod medan magnet cermin. Dalam cara medan magnet yang tertutup, garis medan magnet antara bahan sasaran yang berbeza ditutup, oleh kehilangan dinding kurang elektronik, kepadatan plasma pada permukaan substrat tinggi, adalah nisbah ion dan atom mencapai permukaan cermin substrat medan magnet atau sasaran tunggal lebih daripada 2 ~ 3 kali medan magnet yang tidak seimbang, apabila jarak substrat dan sasaran meningkat, medan magnet tertutup pada permukaan ion substrat dan pengaruh nisbah atom lebih penting. Dalam mod cermin, garis medan magnet diarahkan ke dinding, dan elektron sekunder digunakan oleh dinding di sepanjang garis medan magnet, yang mengakibatkan pengurangan ketumpatan plasma pada permukaan substrat.

Atas dasar teknologi spontan magnetron yang tidak keseimbangan, teknologi magnetron sputtering intensiti medan magnet yang baru muncul baru-baru ini, yang dicirikan oleh kedudukan tiang magnet laras. Dengan mengubah jarak antara dua kutub magnet dan permukaan sasaran, keamatan medan magnet di permukaan sasaran boleh diubah. Reka bentuk medan magnet yang berubah-ubah menyediakan parameter teknikal baru, pelaksanaan ion sedimen, atom daripada pelarasan halus, seperti fasa sedimen mula berharap kepada rasuk ion yang lebih tinggi, untuk meningkatkan lekatan filem, tetapi deposit rasuk ion lebih lanjut dapat menyebabkan tinggi tekanan filem dan kecacatan nipis, pada bila-bila masa menukar medan magnet boleh mengubah rasuk ion dan menghapuskan masalah ini. Apabila mendeposit filem gradien dan filem berbilang, teknik ini dapat mencapai kombinasi terbaik dari pelbagai sifat filem. Teknologi ini juga boleh mengawal ciri-ciri kakisan yang sputtering sasaran dan mencapai sasaran serpihan sasaran.

Magnetron sputtering berdenyut (PMS)

Spintering magnetron berdenyut terbentuk dengan menggantikan sumber kuasa tradisional dc dengan sumber kuasa dc berdenyut. Teknologi ini mempunyai beberapa kelebihan yang luar biasa, seperti suhu pemendapan yang lebih rendah, pemendakan filem seramik yang berkecepatan tinggi dan berkurang. Sebagai contoh, apabila menyimpan filem oksida, sasaran logam boleh digunakan secara tradisional, pemendapan reaksi spektrometri dalam suasana oksigen yang sesuai, atau rf (umumnya 13156MHz) yang memancarkan pemendapan sasaran oksida. Walau bagaimanapun, kedua-dua kaedah mempunyai batasan. Filem berkualiti tinggi boleh diperolehi dengan rf sputtering dengan kadar pemendapan yang sangat rendah (tahap m / h) dan sistem kompleks. Masalah dalam sputtering reaktif adalah bahawa sasaran diracun. Semasa reaksi spektrometri, kawasan cahaya bukan utama di permukaan sasaran ditutup oleh sedimen penebat, yang membawa kepada pengumpulan caj dalam penebat dan lapisan penebat sasaran sehingga berlakunya pelepasan arka. Pelepasan bahan membuat komponen bahan sasaran menguap dalam bentuk titisan dan menyebabkan pelbagai kecacatan filem apabila didepositkan pada permukaan substrat, seperti struktur longgar filem, butiran kasar, komposisi atau pengasingan struktur, dll, yang mempunyai kesan yang sangat buruk terhadap prestasi filem ini, terutamanya rintangan optik dan kakisan. Teknologi magnetron sputtering berdenyut boleh menghalang pembentukan arka dan menghilangkan kecacatan filem, dan meningkatkan kadar pemendapan sputtering untuk mencapai kadar pemendapan logam tulen, yaitu 10 m / j. Dalam proses sputtering berdenyut, voltan denyut yang ditambah pada sasaran adalah sama dengan spontan magnetron umum (400 ~ 500V), dan masa pelepasan dengan voltan yang ditambahkan pada sasaran dikawal untuk memastikan sasaran tidak diracuni dan pelepasan arka berlaku. Kemudian voltan sasaran dimatikan, malah menjadikan sasaran sasaran secara positif. Kerana halaju elektron dalam plasma jauh lebih tinggi daripada halaju ion, voltan positif bahan sasaran berubah umumnya hanya memerlukan 10% ~ 20% daripada voltan bias negatif, yang boleh menghalang pelepasan busur (jenis bekalan kuasa ini yang dipanggil bekalan kuasa dc bipolar dyimetrik). Komputer telah menunjukkan bahawa apabila frekuensi nadi lebih rendah daripada 20kHz, berlakunya pelepasan arka tidak dapat dihalang. Apabila frekuensi nadi lebih tinggi daripada 20kHz, pelepasan arka boleh ditindas sepenuhnya. Pada masa yang sama, lebar nadi (nisbah voltan positif dan negatif ke masa) memainkan peranan penting. Voltan positif tidak mempunyai pengaruh yang jelas terhadap sama ada pembuangan arka dihasilkan atau tidak, tetapi ia mempunyai pengaruh yang besar terhadap kadar pemendapan. Apabila voltan positif meningkat dari 10% hingga 20% (berbanding dengan voltan negatif), kadar pemendapan boleh ditingkatkan sebanyak 50%. Kesan ini difikirkan akan dipertingkatkan oleh voltan positif yang tinggi untuk pembersihan sasaran. Teknologi PMS boleh digunakan untuk bipolar magnetron sputtering, dan dua sasaran magnetron sputtering masing-masing adalah tiang positif dan negatif. Dalam proses kerja, satu sasaran adalah sputtering manakala yang lain membersihkan, dan kitaran berulang. Teknologi ini mempunyai banyak kelebihan seperti operasi jangka masa panjang (300h) yang stabil, dan mempunyai aplikasi penting dalam pemendapan filem tipis optik yang digunakan dalam pembinaan, kereta dan bahan polimer. Satu lagi perkembangan baru-baru ini ialah penerapan berat sebelah nadi untuk substrat. Bias pulse boleh meningkatkan pancaran ion pada substrat. Dalam magnetron sputtering, apabila bias negatif dc biasanya ditambah kepada -100v, rasuk ion substrat akan mencapai ketepuan. Meningkatkan berat sebelah negatif tidak akan meningkatkan rasuk ion substrat. Secara amnya dianggap bahawa arus tepu adalah rasuk ion dan elektron tidak dapat mendekati permukaan substrat. Keputusan menunjukkan bahawa berat sebelah nadi tidak hanya meningkatkan arus tepu substrat, tetapi juga meningkat dengan berat sebelah negatif. Apabila kekerapan nadi meningkat, kesannya lebih ketara. Mekanisme ini masih belum jelas, yang mungkin berkaitan dengan kadar pengionan plasma dan suhu elektron yang lebih tinggi yang dihasilkan oleh medan elektrik berayun. Kecenderungan negatif denyut nadi substrat menyediakan kaedah baru untuk mengawal ketumpatan arus substrat yang berkesan, dan kesan ini boleh digunakan untuk mengoptimumkan struktur membran, melekat, dan memendekkan pembersihan sputtering dan masa pemanasan substrat. Dengan kemajuan mekanikal, kuasa, kawalan dan teknologi lain yang berkaitan, teknologi spontan magnetron akan terus berkembang. Sebagai contoh, baru-baru ini, kerana penggunaan magnet kekal bumi, kekuatan medan magnet pada permukaan sasaran hanya digunakan untuk 300 ~ 500Gs, tetapi kini telah diperbaiki kepada 1kGs, yang seterusnya meningkatkan kecekapan dan keupayaan magnetron sputtering .

Teknologi salutan magnetron baru

Dari sasaran sputtering logam biasa, sputtering reaktif, bias sputtering, dan sebagainya, bersama-sama dengan permintaan industri dan kemunculan teknologi spontan magnetron baru, teknologi baru seperti sputtering tekanan rendah, pemendapan berkecepatan tinggi, pemendapan sputtering yang menyokong diri, pelbagai kejuruteraan permukaan dan pendorong denyut nadi telah menjadi trend pembangunan dalam bidang ini. Masalah utama tekanan sputtering rendah ialah pada tekanan rendah (umumnya <011pa), kebarangkalian="" perlanggaran="" antara="" elektron="" dan="" atom="" gas=""> Dalam teknologi spontan magnetron konvensional, tidak cukup untuk mengekalkan pelepasan cahaya pada permukaan bahan sasaran, mengakibatkan ketidakupayaan pemendapan sputtering untuk meneruskan. Dengan mengoptimumkan reka bentuk medan magnet, jarak gerakan ruang elektron adalah berpanjangan, dan teknologi magnetron sputtering tidak keseimbangan dapat mewujudkan pemendapan sputtering dalam vakum pada tahap 10-2pa. Selain itu, pemendapan sputtering pada tekanan rendah dan keamatan yang lebih tinggi dapat direalisasikan dengan menghalang gerakan elektron dengan medan elektromagnet luaran. Pemendapan berkecepatan tinggi dapat meningkatkan kecekapan kerja, mengurangkan penggunaan gas dan mendapatkan filem baru. Masalah utama yang akan diselesaikan dalam pemendapan berkecepatan tinggi ialah kepadatan arus bahan sasaran meningkat tanpa pelepasan arcing. Dengan peningkatan ketumpatan kuasa, kapasiti penyejukan bahan sasaran dan substrat perlu ditingkatkan. Pada masa ini, ketumpatan kuasa sasaran melebihi 100W / cm2, dan kadar pemendapan melebihi 1 m / min. Pemendapan berkecepatan tinggi adalah alternatif yang menarik untuk penyaduran konvensional. Dalam proses pemendapan berkecepatan tinggi, dengan meningkatkan kadar pengionan zarah-zarah pecah, gas kerja boleh terputus dan pemendapan pelepasan dapat dikekalkan, iaitu pemendapan sputtering yang dapat menyokong diri. Pendedahan sputtering yang disokong sendiri memainkan peranan penting dalam meningkatkan lekatan antara filem dan substrat nipis, menghapus kecacatan dalaman filem nipis dan menyediakan filem nipis ketulenan yang tinggi. Kombinasi teknologi magnetron sputtering dan teknologi kejuruteraan permukaan lain merupakan satu lagi arah pembangunan utama magnetron sputtering technology. Walaupun teknologi magnetron sputtering mempunyai banyak kelebihan, ia masih menempati bahagian kecil dalam bidang kejuruteraan permukaan industri, dan teknologi permukaan tradisional masih menduduki kedudukan dominan. Salah satu sebab utama yang mempengaruhi aplikasinya adalah bahan substrat seperti keluli aloi rendah dan aloi titanium terlalu lembut untuk dipadankan dengan filem ultra keras yang diperolehi oleh teknologi sputtering. Substrat itu terlalu lembut untuk menahan tekanan beban berbanding lapisan sangat keras. Sebaliknya, untuk aplikasi tahan kakisan, cacat pinprick boleh mengakibatkan kegagalan salutan. Untuk mengatasi masalah ini, pelbagai teknologi kejuruteraan permukaan telah dibangunkan, iaitu, beberapa teknologi kejuruteraan permukaan telah digunakan untuk mengubah suai bahan secara berturut-turut, dan lapisan pengubahsuaian permukaan yang diperolehi mempunyai kelebihan yang tidak dapat dibandingkan dengan teknologi permukaan tunggal. Contoh tipikal ini ialah pemendapan n diikuti dengan pemendapan sputtering, yang memberikan ketebalan bawah 500 m dan kekerasan 10GPa, diikuti dengan pemendapan 3 ~ 5 m TiN. TiN menyediakan rintangan haus yang tinggi dan n-lapisan memberikan daya tahan tinggi dan rintangan keletihan.

Status pembangunan dan aplikasi domestik dalam industri petrokimia

Teknologi sputtering Magnetron telah digunakan secara meluas dalam bidang bahan binaan, hiasan, optik, pencegahan kakisan, dan pengukuhan alat pengikis di China. Pada masa ini, penyediaan filem fungsional seperti fotoelektrik, fototerik, magnet, superkonduktiviti, dielektrik, dan pemangkinan oleh teknologi spontan magnetron adalah hotspot penyelidikan. Walau bagaimanapun, bagi teknologi magnetron sputtering yang tidak keseimbangan, terutamanya proses pengendapan baru, beberapa unit telah difahami dan dikaji di China. Selepas mencari, didapati hanya terdapat kurang daripada 20 artikel penyelidikan saintifik dalam bahasa Cina setakat ini, dan bilangan unit pengarang bahkan lebih sedikit. Filem kakisan dan kekerasan yang tinggi boleh memainkan peranan penting dalam meningkatkan prestasi dan kehidupan jentera petroleum, pekali geseran yang rendah, pelinciran, beg anti lumpur, pemangkinan, optik dan filem berfungsi yang lain apabila digunakan untuk industri petrokimia dijangka akan meningkatkan kecekapan kerja, kualiti produk dan perlindungan alam sekitar, keselamatan dan sebagainya. Dengan perkembangan dan penerapan teknologi dan proses magnetron yang baru, dan permintaan yang semakin meningkat untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran, perlindungan alam sekitar dan keselamatan dalam industri petroleum dan kimia, kepentingan teknologi magnetron yang memacu ke industri petroleum dan kimia akan terus meningkat. Walau bagaimanapun, pada masa ini, industri petrokimia di China tidak mempunyai kefahaman dan penerapan teknologi magnetron sputtering yang mencukupi, dan tidak ada institusi khusus yang terlibat dalam bidang ini. Oleh itu, pengarang meminta pengukuhan sokongan teknologi spontan magnetron.

IKS PVD, pembuatan peralatan salutan vakum dari China, hubungi: iks.pvd@foxmail.com