マグネトロンスパッタリングコーティング技術の開発と応用

- Oct 30, 2018-

マグネトロンスパッタリングコーティング技術の開発と応用

 

近年、新しい材料の開発、特に薄膜材料の開発と応用により、スパッタ堆積技術の急速な発展は、科学研究および工業生産の分野では置き換えられない役割を果たしてきた。 本稿では、主にマグネトロンスパッタリングメッキ技術の特徴であるスパッタデポジションコーティング技術のプロセスと開発を紹介し、様々な分野におけるマグネトロンスパッタリング技術の主な用途を紹介する。

 

スパッタリングコーティングのプロセスは、主に、スパッタリング堆積システムの陰極に固定されたターゲット材料を薄膜にし、堆積される薄膜の基板を反対のターゲット表面のアノード上に置くことである。スパッタリングシステム高真空にポンピングされ、アルゴンなどで満たされる。カソードとアノードとの間に高圧が印加され、アノードとカソードとの間に低圧グロー放電が発生する。放電によって生成されたプラズマでは、アルゴン陽イオンがカソード電場の作用下で標的表面と衝突する。 衝突後のターゲット表面から放出されるターゲット原子をスパッタ原子と呼ぶ。 スパッタリング原子のエネルギーは、一般に1〜数十電子ボルトの範囲である。スパッタリングコーティングは、低圧グロー放電によって生成されたアルゴン陽イオンを電界の作用下で高速でカソードターゲットに衝突させることである。 ターゲット内の原子または分子などの粒子はスパッタリングされ、基板またはワークピースの表面に堆積され、必要なフィルム層を形成する。しかし、スパッタ堆積プロセスは非常に低いエネルギーのスパッタリング粒子をもたらし、結果として膜速度が遅くなる。

 

マグネトロンスパッタリング技術は、ターゲットの表面におけるスパッタリングコーティング、設置および電界垂直磁場による成膜速度を向上させることであり、アルゴンガスのイオン化率は0.3%から5%6%まで0.5%増加するので、スパッタリングの問題を解決することができますコーティング率は低い、主な方法の一つは、精密なコーティング業界です。 マグネトロンスパッタカソード材料は、広範囲の材料から調製することができ、すべての金属、合金およびセラミックをターゲットに調製することができる。 マグネトロンスパッタリングコーティングは、その速い堆積速度と、コンパクトな膜と、垂直磁場および電場の影響下での基板への良好な接着のために、大量および高効率の工業生産に適している。

 

1.マグネトロンスパッタリングのプロセス

マグネトロンスパッタリングプロセスでは、特定のプロセスが膜性能に大きな影響を与え、主なプロセスは次のとおりです。

(l)主にイソプロピルアルコールによるスチーム洗浄による基材洗浄、続いて基材をエタノールおよびアセトンで浸漬して表面の油を除去した後に急速乾燥する。

(2)真空。 膜の純度を確保するためには、真空を2×10 -4 Pa以上に制御する必要があります。

(3)加熱は、基板表面の水分を除去するために、フィルムと基板の接着強度を向上させるために、基板を加熱する必要があり、温度は通常150 〜150 ℃の 間で選択する

(4)グロー放電の圧力条件を満たすために、一般に0.01lPaの範囲内のアルゴン分圧;

(5)プレスパッタリング。 プレスパッタリングは、イオン衝撃によってターゲット材料表面の酸化膜を除去し、膜質に影響を与えないようにすることである。

(6)スパッタリング。 アルゴンイオン化によって形成された正イオンは、直交磁場および電場の作用により、高速でターゲット物質に衝突し、スパッタリングによって放出されたターゲット粒子を基板の表面に到達させ、膜に堆積させる。

(7)アニール時には、膜と基板との熱膨張係数が異なり、拘束力が小さい。 アニーリング中の膜と基板原子の相互拡散は、接着を効果的に改善することができる。

 

2.マグネトロンスパッタリングコーティング技術の開発

 

近年、マグネトロンスパッタリング技術の開発は非常に迅速である。 典型的な方法には、平衡型マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、中周波マグネトロンスパッタリングおよび高エネルギーパルスマグネトロンスパッタリングが含まれる。

平衡マグネトロンスパッタリング:最も伝統的なマグネトロンスパッタリング技術は、ターゲットの表面上の電界の方向に対して垂直な磁場を形成するターゲットの後ろに永久磁石または電磁コイルを配置することを含む。 プラズマ中に高圧下でアルゴンガスイオン化すると、陰極材料を衝突させる電界加速によるAr +イオン、二次電子がスパッタリングターゲット材料であり、陰極で結合した垂直電界と磁場の役割を果たす電子がアルゴンガスを低ガス下でも放電させることができるため、ターゲット材料の表面が電子ガスとの衝突の危険性を高め、アルゴンガスのイオン化速度を高め、マグネトロンスパッタリングによりスパッタガス圧力を低下させるとともに、スパッタリングの効率および堆積速度。 しかし、従来のマグネトロンスパッタリングにはいくつかの欠点がある。 例えば、低圧放電で発生した電子とスパッタリングターゲットから放出された第2電子の両方を約60mmのターゲット面近傍に拘束することで、50mmと100mmの範囲内にしかワークを置くことができないmmである。 そのような狭い範囲のコーティングは、メッキされるワークピースのサイズを制限する。

 

反応性マグネトロンスパッタリング:表面工学の発展に伴い、様々な種類の化合物薄膜がますます使用されています。 化合物フィルムは、金属または合金ターゲット上でのスパッタリングの際に、化合物材料で作られたターゲット上に直接または反応性ガスによってスパッタリングすることによって調製することができる。 後者は、反応性マグネトロンスパッタリングと呼ばれる。 一般に、純金属をターゲットとし、ガス反応を利用して高品質の化合物膜を得る方が簡単です。

 

スパッタリングプロセスにおいて、システムによって印加される電圧が交流の負の半サイクルにあるとき、ターゲット材料は、正イオンによってスパッタリングされ、スパッタリングされ、一方、正の半サイクルでは、ターゲット材料の表面が プラズマ中の電子によって 衝突され スパッタリングされると同時に、ターゲット材料の表面上の蓄積された正の電荷が中和されるアーク打撃現象が抑制される。マグネトロンスパッタリング電源の周波数が通常10〜80kHzの場合、周波数が高く、正イオンの加速時間が短く、ターゲットに当たったときのエネルギーが低く、スパッタリング堆積速度はそれに応じて低下する。中周波数のマグネトロンスパッタリングシステムは、一般に、カソードとアノードを周期的に交互に使用する2つのターゲットを有する 一方、アーク衝突現象もなくなる。

 

高エネルギーパルスマグネトロンスパッタリング:高エネルギーパルスをマグネトロンスパッタリング電力供給モードとして使用するスウェーデンの科学者およびCu薄膜堆積後初めて、HPPMSは近年高金属イオン化率が注目されているため、高エネルギーパルス型マグネトロンスパッタリング技術は、高パルスピーク電力を使用し、パルスデューティ比が低いため、マグネトロンスパッタリング技術のスパッタリング金属イオン化速度が速く、パルス持続時間が短く、平均電力が高くなく、このカソードが過熱しないでそのピーク電力は通常のマグネトロンスパッタリングの100倍であり、約1000〜3000w / cm2である。 プラズマ密度は、1018m-3オーダーの大きさにすることができる。 スパッタリング材料のイオン化率は非常に高く、スパッタリングCuターゲットは70%まで可能である。

 

3. マグネトロンスパッタリングコーティング技術の応用

 

マグネトロンスパッタリングコーティング技術は、主に、プラスチック、セラミックス、ガラス、シリコンおよび他の製品の金属または化合物薄膜の堆積に使用され、明るく美しく経済的なプラスチックおよびセラミックの表面メタライゼーション製品を得る。 装飾、ランプ、家具、玩具、芸術品、工芸品、装飾などの製作技術は、軍事保護フィルム、光学製品、磁気記録媒体、回路基板の産業分野にも適用されるマグネトロンスパッタリング法を使用する、耐湿・透湿性フィルム、耐摩耗性フィルム、耐錆性、耐食性などがあります。

 

マグネトロンスパッタリングは、科学的研究分野や産業分野だけでなく、化学気相蒸着による困難な薄膜の製造に主に使用される多くの日用品にも適用されています。 マグネトロンスパッタリング技術は、電子パッケージングおよび光学薄膜の製造において長年使用されてきており、特に先進の中間周波数非平衡マグネトロンスパッタリング技術が、光学薄膜および透明導電性ガラスにも適用されている。 現在、テレビのコンピュータパネル表示装置、電磁波マイクロ波、無線周波数遮蔽装置、太陽電池などの透明導電ガラスが広く使用されている。 加えて、マグネトロンスパッタリングコーティング技術は、光メモリにおいて重要な役割を果たす。 さらに、この技術は、表面機能性フィルム、自己潤滑性フィルム、超硬質フィルムなどに広く用いられている。

 

マグネトロンスパッタリングコーティング技術は、広く使用されている上記の分野に加えて、高温、超伝導薄膜、巨大磁気抵抗薄膜、強誘電薄膜、発光薄膜、形状記憶合金薄膜の研究においても重要な役割を果たすフィルムおよび太陽電池。

 

結論

マグネトロンスパッタリングコーティング技術は、その顕著な利点のために薄膜を製造するための主な技術の1つとなっている。 非平衡マグネトロンスパッタリングは、プラズマの分布および膜の品質を改善する。 中周波スパッタリングコーティング技術の開発は、反応性スパッタリングプロセスにおけるアーク打撃現象を効果的に克服し、膜の構造欠陥を減少させ、膜の堆積速度を著しく増加させた。 高速スパッタリングと高エネルギーパルスマグネトロンスパッタリング技術は、スパッタリング膜の新しい研究分野を開拓しています。 将来の研究では、マグネトロンスパッタリング堆積技術とコンピュータの組み合わせが、磁場、電場、温度場、および磁場の場合のコーティングのコンピュータシミュレーションを使用して熱い研究テーマになり、プラズマの分布は、巨大なスペースの拡大の開発のためにスパッタリングコーティング技術を提供し、産業および生活分野の変換にマグネトロンスパッタリングコーティング技術を促進する。

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