マグネトロンスパッタリングコーティング技術の最新の開発と動向

- May 22, 2019-

マグネトロンスパッタリングコーティング技術の最新の開発と動向

 

グロープラズマスパッタリングの基本的なプロセスは、グロープラズマ中のエネルギー運搬イオンが負極上で作用すると、ターゲット原子がターゲットから飛び出してから基板上に凝縮して薄膜を形成することである。 この過程で、ターゲット表面から同時に2次電子が放出され、プラズマの安定した存在を維持する上で重要な役割を果たします。 スパッタリング技術の出現および応用は多くの段階を経てきた。 30年以上の開発を経て、マグネトロンスパッタリング技術は、超硬質、耐摩耗性、低摩擦係数、耐食性、装飾用、光学、電気、その他の機能性フィルムを製造するためのかけがえのない方法へと発展しました。この分野におけるもう一つの重要な発展です。 低い堆積速度、ターゲット材料のアーク放電の容易な発生、および構造、組成および性能の変化のために、DC反応性スパッタリング堆積によって緻密で欠陥のない絶縁膜、特にセラミック膜を達成することはほとんど不可能である。 これらの欠点を克服するためにパルスマグネトロンスパッタリング技術を使用することができる。 パルス周波数は10〜200kHzであり、それはターゲット材料のアーク放電を効果的に防止し、高品質反応性膜の高速堆積を達成するために反応性スパッタリング堆積プロセスを安定化できる。著者は主にアンバランスでマグネトロンスパッタリング技術を論じるマグネトロンスパッタリング、パルスマグネトロンスパッタリングの進歩だけでなく、磁気制御スパッタリング堆積、スパッタリング、低圧での高速高純度膜調製、および徹底的な分析で行われる反応スパッタリングフィルム技術の進歩の質の向上、中国の最後の呼びかけ石油化学産業は精力的にマグネトロンスパッタリング技術の開発と応用をするべきです。

 

非平衡マグネトロンスパッタリング技術

従来のマグネトロンスパッタリングと比較して、非平衡マグネトロンスパッタリング技術は設計においてほとんど違いがないが、堆積特性において大きな違いをもたらす。 イチジク。 非平衡マグネトロンスパッタリング技術と従来のマグネトロンスパッタリング技術のプラズマ領域特性の概略図

 

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従来のマグネトロンスパッタリングでは、プラズマはターゲット領域に完全に閉じ込められており、典型的な値はターゲット表面上で約6cmである。 図1c(侵襲的)アンバランスドマグネトロンスパッタリングでは、外側の磁場の強さは、磁場の強さは中心と磁力の中心線の間にあり、中心部と周辺部の間に閉ループが形成されていません。磁力線に沿って二次電子の一部を基板の表面に到達させることができるように磁力線を基板まで延ばすと、プラズマはもはやターゲットの領域に限定されず、基板の表面に到達することができる。基板イオンビーム密度の増加は、通常5 ma / cm 2以上に達することがあります。 このように、スパッタリング源は基板に衝突するイオン源でもある。 基板のイオンビーム密度はターゲット材料の電流密度に比例する。 ターゲット材料の電流密度が増加し、堆積速度が増加し、そして基板のイオンビーム密度が増加する。図1b(凝集力と呼ばれる)は別の非平衡磁界であり、これはより高い中心磁界強度によって特徴付けられる。周辺部、閉じていないが装置の壁に向けられた磁力線、および基板表面上の低いプラズマ密度。 基板イオンビームの密度が低いため、この方法はめったに使用されません。 しかしながら、この方法は高い比表面積および高い活性を有するフィルムを得ることができ、そして得られたフィルムの多孔度は緻密表面のそれの1000倍以上であり得、そして同時に多孔度が制御され得ることを研究は示した。 多孔質フィルムは、触媒、点火装置および黒体として重要な用途を有する。 非平衡マグネトロンスパッタリング(CFUBMS)のさらなる開発は、ある方法で設置された複数の非平衡マグネトロンスパッタリング源の使用によって特徴付けられ、それは単一のターゲットを使用してその上に均一に薄膜を堆積する大きな困難を克服するために使用される。マルチターゲットシステムでは、2つの隣接するターゲット間の関係は平行にまたは相対的に置くことができます。 図4に示すように、隣接するターゲットにも2つの磁場モードがある。 2.隣接する磁極が反対のとき、それらは閉じた磁場モードと呼ばれます。 隣り合う磁極が同じ場合はミラー磁場モードと呼ばれます。 閉じた磁界のやり方で、異なるターゲット材料間の磁力線は、電子の少ない壁損失によって閉じられ、基板表面のプラズマ密度は高く、イオンと原子の比率は基板ミラーの表面に到達する2〜3倍以上の不均衡な磁場、単一のターゲット、基板とターゲットの間隔が広がるとき、基板イオンの表面上の閉じた磁場と原子比の影響はより重要です。 ミラーモードでは、磁力線は壁に向けられ、二次電子は磁力線に沿って壁によって消費され、その結果、基板表面上のプラズマ密度が減少する。

非平衡マグネトロンスパッタリング技術に基づいて、可変磁場強度マグネトロンスパッタリング技術が最近出現しており、それは調節可能な磁極位置によって特徴付けられる。 2つの磁極とターゲットの表面との間の距離を変えることによって、ターゲットの表面上の磁界強度を変えることができる。 可変磁場設計は新しい技術的パラメータ、堆積イオンの実施、堆積相のような微調整以上の原子を提供し、膜の密着性を改善するために、より高いイオンビームを望み始めるが、イオンビームのさらなる堆積は高いにつながることができる薄膜の応力や欠陥、磁場の変化はいつでもイオンビームを変化させ、この問題を解消することができます。 勾配フィルムおよび多層フィルムを堆積するとき、この技術は様々なフィルム特性の最良の組み合わせを達成することができる。 この技術はまた、ターゲットのスパッタリング腐食特性を制御し、ターゲットの均一なスパッタリングを達成することができる。

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パルスマグネトロンスパッタリング(PMS)

パルスマグネトロンスパッタリングは、従来の直流電源をパルス直流電源で置き換えることによって形成される。 この技術は、より低い堆積温度、高速で欠陥のないセラミック膜堆積などの一連の顕著な利点を有する。 例えば、酸化物膜を堆積するとき、金属ターゲットを伝統的に使用すること、適切に制御された酸素雰囲気中での反応性スパッタリング堆積、またはrf(一般に13156MHz)スパッタリング酸化物ターゲット堆積を使用することができる。 ただし、どちらの方法にも制限があります。 非常に低い堆積速度(m / hレベル)および複雑な系でのrfスパッタリングによって高品質の膜を得ることができる。 反応性スパッタリングにおける問題は、ターゲットが汚染されることである。 反応性スパッタリング中、ターゲットの表面上の非メイングロー領域は絶縁性堆積物によって覆われ、アーク放電が発生するまでターゲットの絶縁層および絶縁層内に電荷が蓄積される。ターゲット材料は液滴の形で蒸発し、基板表面に堆積すると、膜のゆるい構造、粗い粒子、組成または構造分離などの様々な膜欠陥を引き起こし、それは性能に非常に悪影響を及ぼす。フィルム、特に光学的および耐食性。 パルスマグネトロンスパッタリング技術は、アークの発生を効果的に抑制し、フィルム欠陥を排除し、スパッタリングの堆積速度を大幅に改善して純金属の堆積速度、すなわち10m / hに到達させることができる。 パルススパッタリングのプロセスでは、ターゲットに加えられるパルス電圧は一般的なマグネトロンスパッタリングのものと同じであり(400〜500V)、ターゲットに加えられる電圧による放電時間はターゲットが被毒されないことを保証するために制御される。そしてアーク放電が発生する。 その後、ターゲットを正に帯電させても、ターゲット電圧はオフになります。 プラズマ中の電子速度はイオン速度よりもはるかに速いので、変換されたターゲット材料の正電圧は一般に負バイアス電圧の10%〜20%しか必要とせず、これはアーク放電を防ぐことができる(この種の電源は研究は、パルス周波数が20kHzより低いと、アーク放電の発生を抑制することができないことを示した。 パルス周波数が20kHzより高いと、アーク放電を完全に抑制することができる。 同時に、パルス幅(時間に対する正と負の電圧の比)が重要な役割を果たします。 正電圧はアーク放電が発生するか否かに明らかな影響を及ぼさないが、それは堆積速度に大きな影響を及ぼす。 正電圧が(負電圧と比較して)10%から20%に増加すると、堆積速度は50%増加することができる。 この効果は、ターゲット洗浄用の高い正電圧によって高められると考えられる。 PMS技術はバイポーラマグネトロンスパッタリングに使用することができ、そして2つのマグネトロンスパッタリングターゲットはそれぞれ正および負の極である。 作業プロセスでは、一方のターゲットがスパッタリングされている間にもう一方のターゲットがクリーニングされて、サイクルが繰り返されます。 この技術は、長時間(300時間)安定した操作のような多くの利点を有し、そして建築、自動車およびポリマー材料に使用される光学薄膜の堆積において重要な用途を有する。 他の最近の開発は、基板へのパルスバイアスの印加である。 パルスバイアスは基板上のイオンビームを大幅に改善することができます。 マグネトロンスパッタリングにおいて、直流負バイアスが一般的に−100Vに加えられると、基板イオンビームは飽和に達するであろう。 負のバイアスを上げても、基板のイオンビームは増えません。 一般に、飽和電流はイオンビームであり、電子は基板表面に近づくことができないと考えられている。 結果は、パルスバイアスが基板飽和電流を増加させるだけでなく、負バイアスでも増加することを示している。 パルス周波数が高くなると、その効果はさらに顕著になります。 そのメカニズムはまだ明らかではなく、それはプラズマ電離速度と振動電場によって生成されるより高い電子温度に関連しているかもしれない。 基板パルスの負バイアスは、基板電流密度を効果的に制御するための新しい方法を提供し、この効果は、膜構造、接着性を最適化し、スパッタリング洗浄および基板加熱時間を短縮するために適用することができる。 機械、電力、制御および他の関連技術の進歩と共に、マグネトロンスパッタリング技術がさらに発展するであろう。 例えば、最近、希土類永久磁石の適用により、ターゲット表面上の磁場強度はたった300〜500Gsでしたが、現在は1kGsまで改善されており、これはマグネトロンスパッタリングの効率と能力をさらに改善しています。

新しいマグネトロンスパッタリングコーティング技術

一般的な金属ターゲットスパッタリング、反応性スパッタリング、バイアススパッタリングなどから、産業需要および新しいマグネトロンスパッタリング技術の出現、低圧スパッタリング、高速堆積、自立スパッタリング堆積などの新しい技術表面工学およびパルススパッタリングはこの分野における開発動向となっている。 低圧スパッタリングの重要な問題は、低圧(一般に<011Pa)では、電子とガス原子との間の衝突確率が減少することである。 従来のマグネトロンスパッタリング技術では、ターゲット材料の表面上でグロー放電を維持するのに十分ではなく、その結果、スパッタリング堆積を継続することが不可能になる。 磁場設計を最適化することによって、電子空間の運動距離は延長され、そして非平衡マグネトロンスパッタリング技術は10 -2 Paのレベルで真空中のスパッタリング蒸着を実現することができた。外部電磁界による電子の運動を抑制することによって実現される。 高速蒸着は作業効率を大幅に改善し、ガス消費量を削減し、そして新しいフィルムを得ることができる。 高速堆積において解決されるべき主な問題は、アーク放電なしにターゲット材料の電流密度が増加することである。 出力密度の増加と共に、ターゲット材料と基板の冷却能力は改善される必要がある。 現在のところ、目標電力密度は100W / cm 2を超え、堆積速度は1m /分を超えている。 高速堆積は、従来の電気めっきに代わる魅力的な方法です。 高速堆積の過程で、スパッタリング粒子のイオン化速度を増加させることによって、作動ガスを遮断し、放電堆積を維持すること、すなわち自立スパッタリング堆積を形成することができる。 自立スパッタリング堆積は、薄膜と基板との間の接着性を改善し、薄膜の内部欠陥を排除し、高純度の薄膜を調製するのに重要な役割を果たす。 マグネトロンスパッタリング技術と他の表面工学技術の組み合わせはマグネトロンスパッタリング技術のもう一つの主要な発展方向である。マグネトロンスパッタリング技術は多くの利点を持っているけれども、それはまだ工業用表面工学の分野で小さなシェアを占め、伝統的な表面技術はまだ占める。支配的な地位。 その用途に影響を及ぼす主な理由の1つは、低合金鋼およびチタン合金のような基材材料が柔らかすぎてスパッタリング技術によって得られる超硬質フィルムと適合することができないことである。 非常に硬いコーティングとは対照的に、基材は柔らかすぎて負荷圧力に耐えることができない。 逆に、耐腐食性の用途では、ピンクリック欠陥がコーティングの破損をもたらす可能性がある。 これらの問題を克服するために、複数の表面工学技術が開発された。すなわち、いくつかの表面工学技術を用いて材料を連続的に改質し、得られた表面改質層は単一表面技術に勝るものはない。 この典型的な例はn-堆積とそれに続くスパッタリング堆積であり、それは500μmの厚さと10GPaの硬度を提供し、続いて3〜5μmのTiNを堆積する。 TiNは高い耐摩耗性を提供し、n層は高い耐荷重性および疲労耐性を提供する。

 

石油化学産業における国内開発状況とその応用

マグネトロンスパッタリング技術は、中国の建築材料、装飾、光学、防食、および研削工具の補強の分野で広く使用されています。 現在、マグネトロンスパッタリング技術による光電性、光熱、磁性、超伝導性、誘電性、および触媒作用などの機能性フィルムの調製が研究のホットスポットである。 しかし、非平衡マグネトロンスパッタリング技術、特に新しい堆積プロセスに関しては、中国ではほとんど研究されていないユニットがあります。 検索の結果、これまでのところ中国語の科学研究論文は20以下しかなく、作者の数はさらに少ないことがわかりました。耐食性と高硬度のフィルムは、性能と寿命を改善するのに重要な役割を果たすことができます。石油化学工業に適用される場合、石油機械、低摩擦係数、潤滑、泥防止バッグ、触媒作用、光学および他の機能性フィルムは、作業効率、製品品質および環境保護、安全性などを大幅に改善すると予想される。 新しいマグネトロンスパッタリング技術およびプロセスの開発および適用、ならびに石油化学工業における生産効率の改善、環境保護および安全性に対する需要の増大に伴い、石油化学工業に対するマグネトロンスパッタリング技術の重要性が増し続けるであろう。 しかしながら、現在のところ、中国の石油化学産業はマグネトロンスパッタリング技術の十分な理解と応用を欠いており、この分野に従事する専門機関はありません。 それ故、著者はマグネトロンスパッタリング技術の支持を強化することを要求する。

IKS PVD、中国からの真空コーティング装置製造、連絡先:iks.pvd@foxmail.com

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