Что такое магнетронное напыление?
Напыление — это процесс, при котором атомы или молекулы материала выбрасываются из мишени путем бомбардировки мишени частицами высокой энергии. Это называется напылением постоянного тока или диодным напылением. Основным недостатком такого метода напыления является то, что он имеет очень низкую скорость осаждения и требует более высоких затрат. Напыление на самом деле является одним из нескольких методов нанесения материалов, таких как металлы, керамика и пластмассы, на поверхность (также называемую подложкой).
Усовершенствованный метод напыления, известный как магнетронное напыление, появился в середине 1970-х годов. Также известный как магнитоусиленный вариант диодного напыления. Таким образом, магнетронное напыление представляет собой высокоскоростной метод вакуумного нанесения покрытия, используемый для осаждения металлов, керамики, сплавов и различных типов материалов на широкий спектр мишенных материалов толщиной до миллиметра. Это достигается путем приложения специального магнитного поля к мишени диодного напыления.
Магнетронное напыление также можно охарактеризовать как технологию осаждения, которая включает в себя создание газовой плазмы, ограниченной пространством, содержащим осаждаемый материал мишени. Затем поверхность мишени бомбардируется высокоэнергетическими ионами плазмы. Атомы, высвободившиеся с поверхности материала, затем проходят через вакуум и осаждаются на подложку, образуя тонкую пленку. Благодаря своим превосходным характеристикам магнетронное распыление было разработано и широко используется в ряде коммерческих приложений.
Основной процесс магнетронного напыления
Хотя основная идея магнетронного напыления кажется довольно простой, реальные механизмы, участвующие в этом процессе, чрезвычайно сложны. Имейте в виду, что основное различие между магнетронным напылением и базовой системой диодного или постоянного напыления заключается в добавлении сильного магнитного поля вблизи целевой области при магнетронном напылении.
Специальное магнитное поле заставляет бегущие электроны двигаться по спирали вдоль линий магнитного потока вблизи мишени, так что они не притягиваются к подложке. Это означает, что плазма удерживается в области, очень близкой к мишени, не повреждая образующуюся тонкую пленку.
Принцип работы заключается в том, что мощность, подаваемая на магнетрон, создает отрицательное напряжение около 300 В или около того и подается на мишень. Это отрицательное напряжение затем притягивает положительные ионы к поверхности мишени, одновременно создавая большую кинетическую энергию. Отметим, что бомбардировка ионами поверхности мишени приводит к передаче энергии. Напыление происходит, если энергия, передаваемая в направлении, нормальном к поверхности, примерно в 3 раза превышает энергию поверхностной связи. Это примерно равно теплоте сублимации. Кроме того, электроны перемещаются на большее расстояние, что увеличивает вероятность дальнейшей ионизации атомов аргона. Обычно это генерирует стабильную плазму с высокой плотностью ионов.
Чем больше ионов образуется, тем больше атомов вылетает из мишени. Таким образом, это повышает эффективность процесса напыления. Чем выше скорость выброса, тем выше скорость осаждения. Это означает, что в тонкой пленке образуется минимальное количество пленки. Кроме того, увеличенное расстояние между плазмой и подложкой сводит к минимуму ущерб, вызванный блуждающими электронами и ионами аргона.
Различные системы магнетронного напыления
Магнетронное напыление постоянного тока (DC)
Напыление на постоянном токе — это тип метода нанесения тонкопленочного физического осаждения из паровой фазы (PVD), при котором целевой материал, который будет использоваться в качестве покрытия, бомбардируется ионизированными молекулами газа и вызывает «распыление» атомов в плазму.
Магнетроны используются в процессе напыления для управления траекторией смещенных атомов, летающих вокруг вакуумной камеры. Магнетронное напыление постоянного тока позволяет легко рассчитать время и процессы, необходимые для получения пленки определенного качества.
Радиочастотное (РЧ) магнетронное напыление
Радиочастотное магнетронное напыление — это метод, при котором ионы аргона ускоряются радиочастотным электрическим полем и попадают в мишень, состоящую из распыляемого материала. Мишень обычно распыляется в разных направлениях. Распыленные атомы достигнут подложки, расположенной перед мишенью, но также и за пределами плазмы, чтобы предотвратить травление плазмой. Если одновременно на пути смещенных молекул разместить подложку, они будут осаждаться на этом материале с образованием пленок.
Известно, что радиочастотное напыление уменьшает накопление зарядов в определенном месте на поверхности материала мишени. Радиочастотное напыление также помогает уменьшить возникновение «эрозии гоночной трассы» на поверхности целевого материала.
Преимущества магнетронного распыления
- Высокие темпы осаждения
- Может использоваться для напыления любого металла, сплава или соединения.
- Производит пленки высокой чистоты
- Известен чрезвычайно высокой адгезией пленок.
- Он превосходно покрывает мелкие детали
- Способен покрывать термочувствительные поверхности.
- Также известен превосходной однородностью на подложках большой площади, таких как архитектурное стекло.
Применение систем магнетронного распыления
Магнетронное напыление используется для нанесения широкого спектра промышленно важных покрытий, таких как износостойкие покрытия, покрытия с низким коэффициентом трения, коррозионностойкие покрытия и декоративные покрытия, в том числе покрытия с особыми оптическими или электрическими характеристиками.
Управление тоновым напылением применяется при покрытии следующих изделий:
- Отображать элементы
- Различные инструменты
- Архитектурное стекло
- Фотоэлектрические материалы
- Сверхпроводниковые элементы
- Магниевые сплавы для автомобильной и авиакосмической промышленности.
Заключение
В последнее время было сделано несколько разработок в области магнетронного напыления. К ним относятся несбалансированное магнетронное напыление в закрытом поле, импульсное магнетронное напыление, магнетроны с переменной напряженностью поля и методы дуплексной обработки поверхности. Эти разработки изменили возможности магнетронного напыления и помогли сделать его предпочтительным процессом для производства многих промышленно важных систем покрытия/подложки.