溅镀(图文教程)

原理

    溅镀，通常指的是磁控溅镀，属于高速低温溅镀法.

    该工艺要求真空度在1×10-3Torr左右，即1.3×10-3Pa的真空状态充入惰性气体氩气（Ar），并在塑胶基材（阳极）和金属靶材（阴极）之间加上高压直流电，由于辉光放电（glow discharge）产生的电子激发惰性气体，产生等离子体，等离子体将金属靶材的原子轰出，沉积在塑胶基材上.

    原理

    以几十电子伏特或更高动能的荷电粒子轰击材料表面，使其溅射出进入气相，可用来刻蚀和镀膜。入射一个离子所溅射出的原子个数称为溅射产额（Yield）产额越高溅射速度越快，以Cu,Au,Ag等最高，Ti,Mo,Ta,W等最低。一般在0.1-10原子/离子。离子可以直流辉光放电（glow discharge）产生，在10-1—10 Pa真空度，在两极间加高压产生放电，正离子会轰击负电之靶材而溅射也靶材，而镀至被镀物上。

    正常辉光放电（glow discharge）的电流密度与阴极物质与形状、气体种类压力等有关。溅镀时应尽可能维持其稳定。任何材料皆可溅射镀膜，即使高熔点材料也容易溅镀，但对非导体靶材须以射频（RF）或脉冲（pulse）溅射；且因导电性较差，溅镀功率及速度较低。金属溅镀功率可达10W/cm2，非金属<5W/cm2

    二极溅镀射：靶材为阴极，被镀工件及工件架为阳极，气体（氩气Ar）压力约几Pa或更高方可得较高镀率。

    磁控溅射：在阴极靶表面形成一正交电磁场，在此区电子密度高，进而提高离子密度，使得溅镀率提高（一个数量级），溅射速度可达0.1—1 um/min膜层附着力较蒸镀佳，是目前最实用的镀膜技术之一。

    其它有偏压溅射、反应溅射、离子束溅射等镀膜技术

    溅镀机设备与工艺（磁控溅镀）

    溅镀机由真空室，排气系统，溅射源和控制系统组成。溅射源又分为电源和溅射枪（sputter gun） 磁控溅射枪分为平面型和圆柱型，其中平面型分为矩型和圆型，靶材料利用率30- 40%，圆柱型靶材料利用率>50% 溅射电源分为：直流（DC）、射频（RF）、脉冲（pulse）， 直流：800-1000V（Max）导体用，须可灾弧。

    射频：13.56MHZ，非导体用。脉冲：泛用，最新发展出 溅镀时须控制参数有溅射电流，电压或功率，以及溅镀压力（5×10-1—1.0Pa），若各参数皆稳定，膜厚可以镀膜时间估计出来。

    靶材的选择与处理十分重要，纯度要佳，质地均匀，没有气泡、缺陷，表面应平整光洁。对于直接冷却靶，须注意其在溅射后靶材变薄，有可能破裂特别是非金属靶。一般靶材最薄处不可小于原靶厚之一半或5mm。

    磁控溅镀操作方式和一般蒸镀相似，先将真空抽至1×10-2Pa，再通入氩气（Ar）离子轰击靶材，在5×10-1—1.0Pa的压力下进行溅镀其间须注意电流、电压及压力。开始时溅镀若有打火，可缓慢调升电压，待稳定放电后再关shutter. 在这个过程中，离子化的惰性气体（Ar）清洗和暴露该塑胶基材表面上数个毛细微空，并通过该电子与自塑胶基材表面被清洁而产生一自由基，并维持真空状态下施以溅镀形成表面缔结构，使表面缔结构与自由基产生填补和高附着性的化学性和物理性的结合状态，以在表面外稳固地形成薄膜. 其中，薄膜是先通过把表面缔造物大致地填满该塑胶毛细微孔后并作链接而形成．

    溅镀与常用的蒸发镀相比，溅镀具有电镀层与基材的结合力强-附着力比蒸发镀高过10倍以上，电镀层致密，均匀等优点．真空蒸镀需要使金属或金属氧化物蒸发汽化，而加热的温度不能太高，否则，金属气体沉积在塑胶基材放热而烧坏塑胶基材．溅射粒子几不受重力影响，靶材与基板位置可自由安排，薄膜形成初期成核密度高，可生产10nm以下的极薄连续膜，靶材的寿命长，可长时间自动化连续生产。靶材可制作成各种形状，配合机台的特殊设计做更好的控制及最有效率的生产 溅镀利用高压电场做发生等离子镀膜物质，使用几乎所有高熔点金属，合金和金属氧化物，如：铬，钼，钨，钛，银，金等．而且，它是一个强制沉积的过程，采用这种工艺获得的电镀层与塑胶基材附着力远远高于真空蒸镀法．但，加工成本相对较高．真空溅镀是通过离子碰撞而获得薄膜的一种工艺，主要分为两类，阴极溅镀（Cathode sputtering）和射频溅镀（RF sputtering）。阴极溅镀一般用于溅镀导体，射频溅镀一般用于溅镀非导体实行阴极溅镀所需环境：a，高真空以减少氧化物的产生b，惰性工艺气体，通常为氩器气c，电场d，磁场e，冷却水用以带走溅镀时产生的高热

步骤

溅镀过程

a，真空至10E-4mbar范围

b，注入氩气至10E-3 bar范围

c，施以直流电压

d，氩气在电场中被离子化，产生氩离子及自由电子

e，因电场关系，氩离子向阴极（靶材）加速，自由电子向阳极加速

f，被加速的氩离子和自由离子撞向其他氩原子，因动能转移，使更多的氩原子被离子化

g，大量氩离子撞击靶材表面，氩离子的动能转移至靶材原子，一部分转化为靶材原子的动能，一部分转化为热，因此靶材必须用冷却水冷却

h，当靶材原子获得足够的动能，就会脱离靶材表面并自由在溅镀腔体内移动，最后覆盖于基板表面

i，靶材下的磁场会提高等离子体的一致性，改变溅镀层的厚度均匀性