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磁控溅射工艺概述

2023-08-14 14:28 作者:芯片智造  | 我要投稿

磁控溅射(Magnetron Sputtering)是一种常见的物理气相沉积 (PVD) 工艺,是制造半导体、磁盘驱动器和光学膜层的主要薄膜沉积方法。磁控溅射具有速度快、温度低、损伤小等优点,其关键特点是使用一个磁场来控制并增强溅射过程。


磁控溅射的历史在20世纪50年代和60年代初期,物理气相沉积技术已经得到了广泛的应用,但这些方法常常受限于效率和质量问题。特别是在大规模生产过程中,使用普通的溅射方法往往难以得到均匀、高质量的薄膜。
在20世纪60年代后期,科研人员开始尝试将磁场引入溅射过程中,这便是磁控溅射技术的起源。从70年代到90年代,磁控溅射技术得到了进一步的发展和优化,其应用领域也不断拓宽。进入21世纪,磁控溅射已经成为了制备薄膜的主要技术之一,被广泛应用于电子、光学等领域。


磁控溅射原理在磁控溅射中,靶材被放在一个装有惰性气体(如氩)的真空室内。在金属靶和沉积薄膜的衬底之间施加直流电压,电压使气体分解成 Ar + 离子和电子,形成辉光放电。带正电的离子被加速并与靶碰撞,通过动量传递溅射靶原子。在磁控溅射机台使用了永磁体,这些磁铁放置在靶材后面以产生磁场。由于离子比电子重,因此离子几乎不受磁场的直接影响。但是磁场导致电子在做螺旋运动,延长了它们在基板附近的等离子体中的停留时间。从而产生更多的离子,并且使这些离子有更高的能量,从而增强了溅射效率


磁控溅射源的类型
磁控溅射源分为平衡式和非平衡式。在平衡磁控溅射源中,靶材朝向衬底的一面放置一对环状的永磁铁,一断靠近靶材中心,一端靠近靶材边缘。这两个永磁铁的磁性方向相反,从而在靶材前面形成一个闭合的磁场线环。在非平衡磁控溅射源中,靶材前面的磁铁的配置和平衡型的不同,以至于一部分磁场线从靶材边缘延伸到衬底方向。


平衡磁控溅射源镀膜均匀,非平衡磁控溅射源镀膜结合力强。平衡型多用于半导体光学膜,非平衡型多用于耐磨装饰膜。磁控溅射的应用各种功能性薄膜:具有吸收、透射、反射、折射、偏振等特殊功能的薄膜。例如,用于提高太阳能电池光电转换效率的低温沉积氮化硅增透膜。


应用于各种全反射膜和半透明膜、手机壳、鼠标等装饰领域。在微电子领域,可作为非热镀膜技术,以获得大面积均匀的薄膜。光学领域:中频闭场不平衡磁控溅射技术已应用于光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃、透明导电玻璃等。


在机械加工行业中,表面功能膜、超硬膜、自润滑膜等表面沉积技术从一开始就得到了很大的发展。这些薄膜可以有效提高表面硬度、复合韧性、耐磨性和高温化学稳定性,以及涂层产品的使用寿命。除上述领域外,磁控溅射还在高温超导薄膜、铁电薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜的研究中发挥重要作用。
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