PVDコーティング技術の分類と理論

- May 04, 2019-

PVDコーティング技術の分類と理論

 

特殊形状材料の一種として、薄膜は非晶質、多結晶および単結晶であり得る。 それは単純な元素または化合物、無機材料または有機材料で作ることができる。

 

薄膜技術は、物理蒸着(蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、アークメッキ、プラズマメッキ)および化学蒸着を含む。 私達の工場で使用されている技術は物理気相成長法(PVD)です。

 

真空蒸着コーティング

抵抗加熱蒸着および電子ビーム加熱蒸着

基本原則

コーティングされる基板またはワークピースが高真空チャンバ内に配置され、フィルム形成材料を気化(または昇華)させ、基板またはワークピースの表面に堆積させて薄膜を形成するプロセス。

 

蒸発源のタイプ:

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(あいうえお)

3.映画の質に影響する要因

A.基板の位置

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基板の適切な配置は、均一なフィルムを得るための前提条件です。

B.膜の質量を確実にするために、圧力はPr(Pa)と同じくらい低くなければならない。

Lは蒸発源から基板までの距離をL(cm)として表す。

蒸発速度。 蒸発速度が小さいと、ガス分子は直ちに堆積した膜原子(または分子)に吸着され、その結果、ゆるい膜構造、粗い粒子および多くの欠陥が生じる。 これに対して、膜構造は均一かつコンパクトであり、機械的強度は高く、そして膜内部の応力は大きい。

D.通常、基板温度が高いと吸着原子の運動エネルギーが大きくなり、形成された膜は結晶化しやすくなり、格子欠陥が少なくなる。 基板温度が低いと、吸着原子を供給するのに十分なエネルギーがないため、アモルファス膜を形成しやすい。

 

2。マグネトロンスパッタリングコーティング

マグネトロンスパッタリングは、1970年代にカソードスパッタリングに基づいて開発された新しいタイプのスパッタリングコーティング方法です。 それは低陰極スパッタリング速度の致命的な弱点と電子による基板温度の上昇を効果的に克服するので、それは急速な開発と広い応用を得た。

 

マグネトロンスパッタリング

ターゲット表面上の原子がターゲット材料をイオン衝撃することによって打撃される現象はスパッタリングと呼ばれる。 スパッタリング膜は、スパッタリングによって発生した原子が基板(ワーク)の表面に堆積することによって実現される。

マグネトロンスパッタリングの基本原理:

マグネトロンスパッタリングは、スプラッシュゾーンおよび電界の方向に垂直な磁界、直交する電界強度および磁界BE電子運動方程式、ターゲット表面に沿ったサイクロイドホイールの形をした電子の方向に垂直EとBの平行は平行であるため、電子旅程を大幅に拡大し、ガス分子との電子衝突を増加させ、イオン化効率を向上させます。 そのため、軌道の制御下にある二次電子磁場は、イオン化エネルギーのためにすべて使用することができ、エネルギーが使い果たされると、アノード(シャーシ)によってのみ吸収されます。 次の図

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これらの電子は電界によって加速されてエネルギーを得て、イオン化してもガスの原子または分子と衝突するため、プラズマを維持することができます。

 

マグネトロンスパッタリングは、ターゲット表面に滑走路磁場を加えることによって電子の移動を制御し、ターゲット表面の周りのそれらの移動を拡張し、そしてプラズマ密度を改善するので、スパッタリングコーティング速度は大いに改善される。

 

二次電子収率:

二次電子収量は、標的に衝突するイオン当たりの二次電子の数を指す。 理論的分析は、イオンエネルギーが500eV未満(実際には1000eV未満)である場合、金属ターゲットの二次電子収率はイオンエネルギーと無関係であることを示している。

 

スパッタリング収率:

マグネトロンスパッタリングは200〜500Vの作動電圧を有し、それはターゲットの最大イオンエネルギーが500eVであることを決定し、そして加速されたアルゴンイオンはターゲットに対して垂直である。

 

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入射イオンと物質間の相互作用

エネルギー運搬イオンとターゲット表面との間の相互作用により、

A.表面粒子:スパッタリング原子、後方散乱原子、脱離不純物原子、および二次電子。
表面物理化学的現象:洗浄、エッチングおよび化学反応。
材料表面層中の点欠陥、線欠陥、ホットスタッド、衝突カスケード、イオン注入、アモルファス状態、および化合物。

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スパッタリング技術

 

スパッタリング技術は次のように分類できます。

 

A.直流グロー放電によるダイオードスパッタリング; A.

熱線のアーク放電による三極スパッタリング; C.

高周波放電を用いた高周波スパッタリング; C.

密閉型滑走路磁場を用いたグロー放電のマグネトロンスパッタリング制御

 

2マグネトロンスパッタリングカソード構造:

現在、工業用マグネトロンスパッタリング装置は主に長方形の平面マグネトロンスパッタリングカソードを使用しています(図a)。 一般的に、使用されるターゲット材料のサイズは2つの仕様があります:VT機:長さ幅厚さ(450.5 120 6)mm。 ZCK装置:460 100 6.円筒形マグネトロンスパッタリングカソードも生産に徐々に使用されています(図b)。 それらと比較して、平面ターゲット材料の利用率はわずか20〜30%であり、すなわち利用率は低い。

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図a図b

 

図aは、ポールシューと接触しているターゲット材料である永久磁石トラック矩形平面マグネトロンスパッタリングカソードによって生成される一種の磁場です。 N極シューに沿ったターゲット材料の外側で、S極シューの中心で、N極とS極シューはそれぞれ逆極性のストロンチウムフェライトまたはndfeb永久磁石にさらされる。 純鉄の透磁率を戻して永久磁石のもう一方の端に接続する、すなわち滑走路の磁気回路の磁界を発生させる。

 

図bは円筒形のホローマグネトロンカソードで、磁石が円筒形のターゲットに配置され、N極とS極が適切に配置され、水冷と動的シールが施されたカソードターゲットです。
ポールシューの機能:非常に小さい磁気抵抗を持つ閉磁気回路を形成すること。

 

現在、我々は一般的に永久磁石材料を使用しました:バリウムフェライト(BaO 6F1e2O3)、ストロンチウムフェライト(SrO 6F1e2O3)、ndfeb永久磁石。
マグネトロンスパッタリング電極
実用的なマグネトロンスパッタリング電極は、以下の4つの基本構造を有する。

 

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(a)同軸シリンダー。 (b)フラットタイプ。 (c)コーン(Sガン)タイプ。 (d)平面または円筒中空タイプ
1 - 基板。 2 - ターゲット材料 3 - シールド

 

3スパッタリングプロセス:
マグネトロンスパッタリングコーティング機の描画システム図:

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スパッタリングプロセスパラメータ:

スパッタリングのターゲット電圧uとターゲット電流密度Jとの間の関係は、次の通りである。
ここで、K1は目標電力密度の許容値、定数です。

 

目標電流密度は、選択された目標電圧および許容目標電力密度に従って決定することができる。

 

Ar圧力を下げることは、堆積速度を改善し、そしてコーティングの接着性および膜密度を改善するのに役立つ。 マグネトロンスパッタリングのAr圧力は通常0.5Paとして選択され、Ar圧力の減少と共にガス放電のインピーダンスは上昇する。 マグネトロンスパッタリングは、Ar圧力を適切に調整し、同時に目標電力密度および電圧をそれぞれその目標値および最良値に近づけることができる。 したがって、堆積速度のプロセス原理を改善することは、次のとおりである。目標電力密度値にできるだけ近い。 目標電圧はできるだけ最適値に近い。

 

A.純金属膜のスパッタリング
物理蒸着法では、蒸発とスパッタリングの両方が純粋な金属膜に適していますが、蒸発速度は速くなります。
現在、使用されているターゲット材料は、Al、Ti、Cu、Crなどです。

B.合金膜のスパッタリング:
物理蒸着法の中で、スパッタリングは合金フィルムの蒸着に最も適している。 スパッタリング法としては、マルチターゲットスパッタリング、モザイクターゲットスパッタリングおよび合金ターゲットスパッタリングが挙げられる。
現在使用されているターゲット材料は、AlTi、ZrTi、CuTiなどを含む。

C.化合物膜のスパッタリング:
複合フィルムは、通常、金属元素とC、N、B、Sおよび他の非金属元素との相互の組み合わせによって形成されたフィルム層を指す。 メッキ法としては、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、反応性スパッタリング法が挙げられる。

 

1. DCスパッタリング化合物膜を使用する必要があります。例えば、SnO2、TiC、MoB、MoSi2などの導電性化合物ターゲットは通常粉末冶金で製造され、非常に高価です。ITO透明導電膜のめっきはdcの工業用途です。スパッタリング化合物膜。

RFスパッタリングは、ターゲットが導電性であるか否かによって制限されない。 それは金属または絶縁セラミックターゲットであり得る。

反応性スパッタリングは、金属ターゲットをスパッタリングすると同時に、コーティングチャンバに、必要な非xin元素を含むガスをスパッタリングすることである。 TiC(黒)Tiターゲットを使用し、作動ガスはAr + C 2 H 2またはAr + CH 4である。

 

反応性スパッタリングでは、注入された反応ガスがワークピース上に堆積した膜原子と反応して化合物膜を形成するだけでなく、ターゲット材料と反応してターゲット表面上に化合物を形成する。それに対応して、一桁でもコーティング速度を低下させます。これはターゲットの中毒を引き起こしやすいです。

 

スパッタリングの過程における化合物の初めに、純粋なArにのみ、次いで徐々に通過する反応ガス(C 2 H 2またはN 2など)を徐々に増加させ、反応ガスの初めに通過するだけで、スパッタリング速度の変化は大きくない。反応ガスがある限界に達すると、スパッタリング速度は明らかな変化を示し、その後反応ガスを増加させ続けると、スパッタリング速度は再び安定の傾向を示した。 位置ずれの曲線間のある範囲における逆過程の方向は、「ヒステリシス曲線」の画像に見えることがわかった。 これを「目標中毒曲線」と呼びます。 下記参照:

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ターゲット中毒曲線
標的中毒を防止するための対策
真空システムの抽出速度を高める。
反応ガスを減らしてください。
ターゲットから反応ガスを隔離します。

 

スパッタリング化合物膜の例は以下の通りである。

メンブレン素材
アーティファクト
関数
錫、
高速度鋼ビットとフライス
耐摩耗性
ステンレススチールケースとストラップ
金の装飾
セラミックとタイル
金の装飾
ITO
透明導電ガラス
透明導電性
SiO 2
透明導電ガラス
ナトリウムイオン拡散を防ぐ
Al 2 O 3
集積回路シリコンチップ
絶縁パッシベーション
MgF 2
光学レンズ
反射防止のマイナス
チック
ステンレススチール製電話ケースと部品
デコレーション

 

マグネトロンスパッタリングイオンプレーティング技術

80秒後に、マグネトロンスパッタリングの接続バイアスは、マグネトロンスパッタリングイオンプレーティングと呼ばれ、以後スパッタリングイオンプレーティング(Sputtreing Ion Plating、略してSIP)と呼ばれる。 私達の工場は現在めっきフィルムから成っている装置の使用、すなわち技術の使用を含んでいます。

マグネトロンスパッタリングイオンプレーティング技術による装飾コーティング(TiNまたはTiC)の製造方法:2。

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2. PVDコーティング工程:

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要約:フィルムの要件に応じて、真空のレベルはフィルムの品質に重要な役割を果たします。 当社工場の製品では、成膜前の真空度は5.0×10 -3 Paに達する必要があります(排気時間は約30〜60分)。

 

ポンピング加熱:真空度(例えば、2.0×10 −2 pa)に達したら、加熱を開始して回転フレームを開く。

 

目的:要件を満たすためにフィルムの品質および性能を向上させるために、ベーキングによって製品の表面および真空チャンバ上の吸着ガスを低減または除去すること。ただし、以下のことに留意しなければならない。

 

A.真の範囲では、加熱をオンにすることができ、それによって商品の表面が酸化するのを防ぐことができます。
B.ターンテーブルは暖房が始まるとき開いていなければなりません。

 

ターゲット洗浄(ポイントターゲットとも呼ばれます):真空度が特定の範囲に達したときにのみ、ターゲットを開いて洗浄することができます(当社の工場で生産される製品の必要範囲は7.0 10 -3〜5.0 10 -3paです)。

 

目的:吸着ガスを除去し、ターゲット表面のコーティングをきれいにすること。

 

イオンクリーニング:予熱処理後のアーティファクト、表面にはまだ多少の汚れがあるでしょう、またわずかな酸化物層があるかもしれません、イオンクリーニングは汚れや表面酸化層を除去することです効果的な方法の一つです。 真空チャンバ内の高圧を満たすArガスの場合、電場の作用の下でのArイオンのイオン化によるグロー放電によって引き起こされるアーチファクトおよび負のバイアス、高エネルギー衝撃アーチファクト、および汚れの達成工作物の表面が飛び散る、きれいにし、貨物の表面に活性化の目的。

 

成膜:作動ガスアルゴンの圧力が一定のレベルに達すると、ターゲットが開かれ、スパッタリングのために適切な量の反応性ガスが添加され、最後に必要なフィルムが得られる。 現在、窒化膜、酸化膜、炭化物膜は、窒素(N 2)、酸素(O 2)、メタン(CH 4)、アセチレン(C 2 H 2)、一酸化炭素(CO)などのガスを介して得られる。

 

成膜プロセスに注意を要する事項

1. Arの流量と圧力は正常ですか。
2.ターゲットを開く前に、バイアス電圧を印加し、回転フレームを開始して、貨物に短絡がないかどうかを確認します。
3.成膜時には、ターゲット電圧、ターゲット電流、圧力、バイアス電流に注意してください。

 

冷却:真空チャンバの内側と外側との間の温度差によって引き起こされる応力からフィルム層を回避するために、フィルム形成プロセス中に高温が発生する。 成膜後、フィルムを剥離する前に適切な冷却が必要である。
真空室 。 カーゴユニットと真空チャンバーのクリーニング

 

マグネトロンスパッタリングイオンプレーティングの関連パラメータ

マグネトロンスパッタリングワークピースは、接地、サスペンション、バイアスの3種類の電気的接続を持っています。
コーティング装置は、通常、陽極として接地された真空チャンバハウジングであり、ゼロ電位の規定である。
吊り下げとは、ワークピースをアノード(ハウジング)とカソードから絶縁し、プラズマで吊り下げるプロセスです。
バイアスとは、バイアスがゼロで接地されているときに、ワークピースに数十ボルトから数百ボルトの負バイアスを加えることです。

 

イオン到着率:

イオンプレーティングにおいて、フィルムの構造および特性に対する入射イオンの影響は、主にイオンエネルギーおよびイオン流束に依存する。
イオンプレーティングにおいて、各堆積原子に入射イオンによって得られるエネルギーはエネルギー利得値と呼ばれる。
Ea = Ei(ev)
Eiのタイプは入射イオンのエネルギー(ev)、I / aに達するイオンのI /ΦΦです。

 

バイアスと電流:

イオンプレーティングの実用的なプロセスパラメータは、ワークピースのバイアス電圧と電流密度です。現在のところ、当社のTiNまたはTiCメッキプロセスの工場では、バイアス制御は-100〜-400V、バイアス電流は2〜6A程度です。 。

 

パルススパッタリング

パルススパッタリングは一般に矩形波電圧を使用する。

パルス周期はTであり、各サイクルにおけるターゲットスパッタリングの時間はt−デルタTであり、デルタTはターゲットに加えられる正のパルス時間(幅)である。V−およびV +は負および正のパルスに加えられるパルスの電圧振幅である。それぞれターゲット。

 

4.運転中の異常な場合

現時点では、生産に使用される主なモデルは次のとおりです。vt-1200、SVSおよびCOM連続コーティング機、zck-1500およびその他の異なるタイプのターゲット機器。

異常現象
その結果
a。
ターゲットが洗浄されたときに車のシールドはよくありません
商品の表面が汚染されていて、爆発塗装後の商品のフィルム
B
イオンクリーニング中にバイアス短絡が発生する
成膜後機能テスト不可(不合格)
C
成膜プロセス中、反応ガス流量が多すぎ(例、C 2 H 2)、ターゲットの被毒が起こる
生成物が炉から出た後、フィルムコーティングまたは色むら現象は明白です
D
ターゲット開放時にターゲット冷却水が開放されていない
機器の損傷、重大な死傷者

IKS PVD、真空コーティング機、連絡先:iks.pvd@foxmail.com

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