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濺射氣壓對磁控濺射成膜性能的影響

2023-05-23 18:00來源:浙江大學作者:鄭建潮

濺射氣壓對磁控濺射成膜性能的影響

鄭建潮   浙江大學信電系

在直流磁控濺射過程中, 濺射氣壓( 工作氣壓)是一個很重要的參數, 它對濺射速率, 沉積速率以及薄膜的質量都有很大的影響。氣體分子從一次碰撞到相鄰的下一次碰撞所通過的距離的統計平均值, 稱之為平均自由程。從分子的平均自由程的角度來說, 濺射氣體壓力低時濺射粒子的平均自由程大, 與氣體離子的碰撞的幾率小, 使沉積速率增大。但是, 濺射氣體壓力低時入射離子濃度低, 濺射出的離子數目也少, 又使沉積速率減小。

       當濺射氣體壓力高時, 轟擊靶的氣體離子多, 濺射出的離子數也多, 使濺射速率增大。但是濺射粒子的平均自由程減小, 與氣體離子碰撞的幾率增大, 使沉積速率減小。濺射氣壓所產生的這兩種效果互相制約, 隨著濺射氣壓的增加, 最初沉積速率不斷增大, 當濺射氣壓增大到一定程度時, 沉積速率達到最大值, 之后隨著濺射氣壓的增大又不斷減小。實驗保持其他條件不變, 測試了濺射工作氣壓下Cr 靶、Ni- Cu 靶和Ag 靶的成膜速率如圖8。

不同的濺射氣壓對成膜速率的影響 圖8:不同濺射氣壓下的成膜速率

        可見, 隨著濺射氣壓的增加, 成膜速率隨之增加;當濺射氣壓在0.45~0.55 Pa 時, 成膜速率達到最大; 之后隨著濺射氣壓的增加, 成膜速率迅速降低。所以從成膜速率來考慮, 0.5 Pa 的濺射工作氣壓最為合適。

濺射氣壓對磁控濺射成膜薄膜性能的影響

       不同濺射氣壓對薄膜的結構和性質也有一定的影響。壓強過低時, 濺射原子能量比較大, 隨著濺射壓強升高, 濺射原子在飛向基底的過程中受到的散射增加, 到達基底時能量減少, 遷移能力下降, 薄膜的結晶狀況也隨著改變。濺射出的高速粒子部分首先與氬氣原子發生碰撞, 同時高速粒子本身的能量降低, 速率相應減小, 這樣有利沉積到基底表面而不造成小丘或空洞, 有利提高薄膜的質量。然而過高的濺射氣壓會使粒子與大量氬原子相互碰撞而大大降低其本身的能量, 結果導致薄膜的成績速率減小, 并且減少輸入到基底上原子的表面遷移能,進而不能獲得高的薄膜結晶度。因此濺射氣壓的變化, 引起表面形貌和沉積速率的變化, 同時影響薄膜的性能。

       實驗保持其他條件不變, 在不同濺射工作氣壓下制備了Cr(150 nm)/Ni- Cu(460 nm)/Ag(200 nm)結構的金屬化薄膜, 可以看出, 初期隨著濺射氣壓的增加, 薄膜抗拉強度和焊接性能都明顯提高; 當濺射氣壓在0.45 ~0.55 Pa 之間時抗拉強度和焊接性最好; 濺射氣壓超過0.55Pa 后, 結合力和焊接合格率隨著氣壓增大而迅速下降。因此, 認為0.5 Pa 左右的濺射氣壓是比較合適的。


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