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真空镀的工艺及应用(二)

作者:admin 时间:2015-10-20 15:57

中国电镀网讯:上一章节我们介绍了真空镀中的蒸镀技术,在这一章我们将介绍溅射镀膜技术。
利用辉光放龟或离子源产生的包括正离子在内的载能粒子轰击靶(薄膜)材料时,通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其他粒子,即为溅射过程,这些原子及其他粒子沉积凝聚在基片表面形成薄膜,称为溅射镀膜。
20世纪50年代有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。20世纪60年代制成集成电路的Ta膜,开始了它在工业上的应用。1965年)IBM公司研究出射频溅射法,使绝缘体的溅射镀膜成为可能。以后又发展了很多新的溅射方法,研制出多种溅射镀膜装置如二极溅射、三极溅射、四极溅射、磁控溅射、离子束溅射、反应溅射、偏压溅射、射频溅射等方法。
溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比,有如下优点:可实现大面积沉积,可进行大规模连续生产;任何物质均可以溅射,尤其是高熔点、低蒸气压元素及化合物;溅射镀膜组织致密,无气孔,与基材的附着性好。但也存在溅射设备复杂、需要真空系统及高压装置、溅射沉积速度慢等不足。
 
一、溅射镀膜方法
 
(一)直流二极溅射
 
二极溅射是最早采用的一种溅射方法。它是以镀膜材料为阴极,而被镀膜材料为阳极。阴极上接1-3KV 的直流负高压,阳极通常接地。工作时先抽真空,再通氩气,使真空室内达到溅射气压。接通电源,阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区,其中带正电的氩离子在阴极附近的阴极电位降作用下,加速轰击阴极靶,使靶物质表面溅射,并以分子或原子状态沉积在基片表面,形成靶材料的薄膜。
这种装置的最大优点是结构简单,控制方便。缺点有:因工作压力较高膜层有玷污;沉积速率低,不能镀10um以上的厚膜;由于大量二次电子直接轰击基片使基片温升过高。
 
(二)三极溅射
 
三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极———热阴极,发射热电子,热电子在电场吸引下穿过靶与基极间的等离子体区,使热电子强化放电,它既能使溅射速率有所提高,又能使溅射工况的控制更为方便。电流密度提高到1-3mA/cm2,靶电压降至1-2kv。热阴极0-50v负偏压。这样,溅射速率提高,由于沉积真空度提高,镀层质量得到改善。
 
(三)四极溅射
 
在三极溅射的基础上在镀膜室外附加一个聚束线圈,也称为辅助阳极或稳定电极。聚束线圈的作用是将电子汇聚在靶阴极和基片阳极之间,其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱,大量电子碰撞气体电离,产生大量离子。电子做螺旋运动,增加电子到达电子收集极的路程,因此增加了碰撞电离的概率,电流密度达2-5mA/cm2。另外,聚束线圈还有使放电稳定的作用。
这种溅射方法还是不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击,还存在因灯丝具有不纯物而使膜层玷污等问题。
 
(四)射频溅射
 
20世纪60年代利用射频辉光放电,可以制取从导体到绝缘体的任意材料的薄膜,是一种应用很广的溅射方法。射频是指无线电波发射范围的频率。射频溅射是在靶阴极上接上高频电源,为了避免干扰电台工作,溅射专用频率规定为13.56MHz。在高频脉冲作用下,使电子做更长距
离的运动,与气体原子形成更多次数的碰撞。这样,可使该气体得到更加充分的电离,从而提高溅射效果。在射频电源交变电场作用下,气体中的电子随之发生振荡,并使气体电离为等离子体。射频溅射的缺点是大功率的射频电源不仅价高,对于人身防护也成问题。因此,射频溅射不适于工业生产应用。
 
(五)磁控溅射
 
磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的新型溅射技术,其特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶,以控制二次电子的运动,离子轰击靶面所产生的二次电子在电磁场作用下,被压缩在近靶面做回旋运动,延长了到达阳极的路程,大大提高了与气体原子的碰撞概率,因而提高溅射率。磁控溅射目前已在工业生产中实际应用,这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级,具有沉积速率高、基片的温升低、对膜层的损伤小等优点。1974年Chapin 发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶,对进入生产领域起了推动作用。
 
(六)反应溅射
 
在溅射法中,如果把靶做成化合物来制作化合物薄膜,那么,所制作薄膜的成分一般与靶化合物的成分偏差较大。这时,主动地把活性气体混合在放电气体中,就可以控制所制成薄膜的组成和性质,这种方法就叫做反应溅射法。它主要用于绝缘化合物薄膜的制作,可以采用两极直流和射频这两种溅射法。其实际装置除为了混合气体需设置两个气体引入口以及将基片加热到500C以外,与两极溅射和射频溅射无多大差别。溅射是物理气相沉积技术中最容易控制合金成分的方法。镀制合金膜可以采用多靶共溅射方式,只要控制各个靶的溅射参数,就能得到一定成分的合金膜。镀制合金膜还可直接采用合金靶进行溅射,而不必采用任何控制措施,就可得到与靶材成分完全一致的合金膜。虽然合金的各种成分具有显著不同的溅射系数,但在溅射过程中,经过一段时间溅射速率最高的成分优先溅射后,靶材表面将富于其他成分,直到达到稳定的表面成分为止。最后得到的薄膜成分将与靶材相同。
 
二、膜层镀制
 
(一)合金膜的镀制
 
在物理气相沉积的各类技术中,溅射是最容易控制合金成分的方法。镀制合金膜可以采用多靶共溅射方式,只要控制各个磁控靶的溅射参数,就能得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶进行溅射,则不必采用任何控制措施,就可以得到与靶材成分完全一致的合金膜。虽然合金的各种成分具有显著不同的溅射系数,但在溅射过程中,经过一段时间溅射速率最高的成分优先溅射后,靶材表面将富于其他成分,直到达到稳定的表面成分为止。最后得到的薄膜成分将与靶材相同。
 
(二)化合物膜的镀制
 
化合物膜是指金属元素与氧、氮、硅、碳、硼、硫等非金属的化合物所构成的膜层。镀制化合物膜有化合物靶溅射和反应溅射两种方法。如果化合物是导电材料,就可采用化合物靶进行直接溅射。大规模镀制化合物膜最宜采用反应溅射。例如镀TiN时,靶材为金属钛,溅射气体为Ar+N2的混合气体。镀氧化物时用O2,碳化物用C2H2乙炔),硅化物用SiH4 硅烷),硫化物用H2S。
 
三、溅射的用途
 
溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料;后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料。采用Cr,Cr-CrN等合金靶或镶嵌靶,在N2,CH4等气氛中进行反应溅射镀膜,可以在各种工件上镀Cr,CrN,CrC 等镀层。纯Cr的显微硬度为425-840HV,CrN为1000-3500Hv,不仅硬度高且摩擦系数小,可代替水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆、速率慢,而且会产生环境污染问题。用TiN,TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面,摩擦系数小,化学稳定性好,具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能,既可以提高刀具、模具等的工作特性,又可以提高使用寿命,一般可使刀具寿命提高3-10倍。在高温、低温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油,只有用软金属或层状物质等固体润滑剂。其中溅射法制取MO2S+ , 膜及聚四氟乙烯膜十分有效。该法得到的MO2S, 膜致密性好,附着性优良,摩擦系数在0.02-0.05 范围内。
溅射法制取的聚四氟乙烯膜的润滑特性不受环境湿度的影响,可长期在大气环境中使用,是
一种很有发展前途的固体润滑剂。其使用温度上限为50C,低于-260C时才失去润滑性。MO2S、聚四氟乙烯等溅射膜,在长时间放置后性能变化不大,这对长时间备用、突然使用又要求可靠的设备如防震、报警、防火、保险装置等是较为理想的固体润滑剂。



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