박막 재료의 스퍼터 코팅 공정에 영향을 미치는 요인은 무엇인가요?

1. 금속 및 반도체 스퍼터링

2차 스퍼터링, 3차 스퍼터링 및마그네트론 스퍼터링이러한 일반적인 스퍼터링 방법은 주로 전극 구조로 구분됩니다.

일반적인 DC 2차 스퍼터링은 스퍼터링 타겟에 직접 음의 DC 전위를 가하고 코팅된 공작물의 기판 프레임을 양극으로 배치하는 방식으로 이루어집니다. 음극 타겟에서 타겟 물질의 원자가 스퍼터링되어 기판 표면에 증착되어 박막을 형성합니다. 스퍼터링 공정에서 Ar 방전은 비정상 글로우 방전 상태에 있으며 방전 글로우가 전체 음극 타겟 표면을 덮어 타겟 스퍼터링 및 기판 표면 막 형성을 균일하게 만듭니다. 비정상 글로우 방전 상태에서는 스퍼터링 전압을 조정하고 스퍼터링 전류를 변경하여 증착 속도를 변경할 수 있습니다. DC 이차 스퍼터링의 장점은 장치가 간단하고 금속 및 반도체 타겟 스퍼터링에 적합하다는 것입니다. 그러나 스퍼터링시 증착 속도가 낮고 직접 방전 전압이 높기 때문에 기판이 온도 상승으로 손상되기 쉽고 기압 조건의 선택이 가혹하고 저압 방전을 유지할 수 없으며 고압으로 증착 된 필름의 품질이 좋지 않으며 절연 재료의 스퍼터링은 적용 할 수 없습니다.

DC 3차 스퍼터링은 고온 필라멘트 음극과 양극을 2차 스퍼터링 장치에 도입하는 것으로, 필라멘트 음극은 접지되고 양극은 50-100V입니다. 필라멘트는 고온에서 전자를 방출하고 전기장에 의해 가속된 다음 양극으로 이동하는 동안 Ar 원자와 충돌하고 이온화되어 비자립적인 고온 음극 아크 방전을 생성합니다. 3단 스퍼터링은 방전 전류를 증가시키고 이온 전류와 이온 전하를 독립적으로 완전히 제어할 수 있으며 저전압에서 방전을 유지할 수 있어 2단 스퍼터링에 비해 우수합니다. 동시에 3 단계 스퍼터링은 기판에 방사선 손상을 덜 일으키고 집적 회로 및 반도체 소자를위한 박막을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 냉음극 방전보다 소자의 구조가 복잡하고 넓은 커버리지 면적과 균일한 밀도의 플라즈마를 제조하기 어렵고 필라멘트 소모 등의 문제가 있어 최근에는 거의 사용되지 않는 공정입니다.

마그네트론 스퍼터링 기술은 2 차 스퍼터링 음극 타겟 표면에 횡 자기장 분포의 타겟 표면과 평행 한 고리 모양의 폐쇄 자기장을 설정하는 것으로, 자기장은 자석의 타겟 바디에 의해 생성되며 현재 코팅을위한 주류 기술 중 하나입니다. 마그네트론 스퍼터링 코팅 장치 구조는 음극 표적 자기장에 적용되며, 결합 전자에 대한 자기장 물리적 효과를 사용하고 전자 궤적을 효과적으로 확장하여 전극과 가스 원자 충돌 속도를 증가시켜 가스 이온화 속도를 향상시켜 표적 물질의 더 에너지적인 이온 폭격을 향상시킵니다. 마그네트론 스퍼터링의 원리에 따르면, 마그네트론 스퍼터링 기술의 핵심은 효과적인 전자빔 트랩을 구축하는 것입니다. 마그네트론 스퍼터링은 고속 및 저온 스퍼터링 기술로, 작동 가스 압력은 0.1 Pa, 목표 전류 밀도는 수십 밀리암페어에 달하며 증착 속도는 분당 수백 나노미터에서 2000 나노미터에 이릅니다.

현재 마그네트론 스퍼터링 코팅 기술은 작동 매개 변수의 광범위한 동적 조정, 필름 증착 속도 및 두께를 쉽게 제어 할 수 있고, 필름 층에 액적 입자 문제가 없으며, 선택할 수있는 광범위한 대상 재료, 거의 모든 금속, 합금 및 세라믹 재료를 사용할 수 있으며, 자기 전극을 사용하면 스퍼터링 속도를 효과적으로 향상시킬 수 있다는 중요한 특징 덕분에 실제 생산에 광범위하게 응용되고 있습니다. 따라서 타겟 표면의 스퍼터 에칭 속도와 기판 표면의 박막 증착 속도가 모두 매우 높습니다. 동시에 마그네트론 스퍼터링은 저에너지 스퍼터링 기판 온도가 낮다는 장점이 있습니다. 그러나 고르지 않은 자기장을 사용하는 기존의 마그네트론 스퍼터링 타겟은 플라즈마의 국소 수렴 효과로 인해 고르지 않은 에칭을 초래합니다. 또한 타겟 재료는 기존 마그네트론 스퍼터링의 단점인 높은 자기 투과성을 가질 수 없습니다.

2. 절연 재료의 스퍼터링

소자 구조상 DC 스퍼터링 및 DC 마그네트론 스퍼터링 코팅은 스퍼터링 타겟에 음전위를 가해야 하므로 타겟 재료가 좋은 도체여야 하며 절연 유전막 제조에는 적용되지 않습니다. 이와 관련하여 RF 스퍼터링 기술을 사용하여 DC 스퍼터링 장치 전원 공급 장치를 RF 전원 공급 장치로 대체할 수 있습니다. 스퍼터링 공정에서 전원 공급 장치의 극성은 주기에 따라 전환되고 타겟 극과 기판 사이의 RF 플라즈마에있는 양이온과 전자가 절연 타겟을 교대로 충돌하여 스퍼터링을 생성합니다.

RF 스퍼터링은 원자의 큰 산란을 방지하고 스퍼터 증착 속도를 향상시킵니다. 동시에 스퍼터링된 입자는 비행 중 에너지 손실이 적고 기판에 도달할 때 에너지가 높아 필름 층의 결합 강도와 치밀화를 개선하는 데 도움이 됩니다. 동시에 RF 스퍼터링은 2차 전자에 대한 방전 의존도를 효과적으로 줄이고 항복 전압을 낮추어 유전체 재료를 포함한 모든 재료의 스퍼터링이 가능합니다. 그러나 RF 스퍼터링의 소자 구조가 2차 스퍼터링과 근본적으로 다르지 않기 때문에 낮은 증착률, 높은 기판 온도, 낮은 스퍼터링 균일성 등의 단점도 존재합니다.

3. 복합 박막 스퍼터링

합금 및 화합물의 스퍼터링은 단일 원자 고체의 스퍼터링과 크게 다릅니다. 고체를 구성하는 원소는 서로 다른 스퍼터링 수율을 가지므로 고주파 스퍼터링 방법 외에도 반응성 스퍼터링 방법으로 화합물 필름의 제조를 수행 할 수 있습니다. 즉, 스퍼터링 코팅 공정에서 나중에 도입 된 반응 가스는 스퍼터링 된 대상 물질과 반응하여 기판 표면에 증착되어 대상 물질과 다른 조성을 가진 박막을 얻습니다. 반응성 스퍼터링의 장점은 표적 물질과 반응성 가스가 고순도를 쉽게 얻을 수있어 고순도 화합물 필름의 제조에 도움이되고 필름의 조성을 인위적으로 조정하여 필름의 특성을 조절할 수 있으며 반응 증착의 전체 과정에서 기판의 온도 상승이 낮아 대면적 균질 필름을 준비하고 산업화 된 생산을 실현하는 데 사용할 수 있다는 것입니다. 그러나 공정의 실제 작동에서 화합물 타겟의 준비가 어렵고 DC 반응 스퍼터링 공정이 불안정하고 타겟 중독, 타겟 소스 및 공작물 화재 아크 표면 및 기타 현상으로 인해 공정을 쉽게 제어하기 어렵고 이러한 문제는 반응 스퍼터링 기술의 개발 및 촉진에 심각한 제약이됩니다.

반응성 스퍼터링에서 타겟 중독, 아크 방전 및 양극 소실 현상은 스퍼터링 타겟 전원 공급 장치의 주파수를 변경하여 해결할 수 있습니다. 중주파 펄스 전원 공급 장치는 점차 복합 반응 스퍼터링을위한 새로운 전원 공급 모드가되었으며이 전원 공급 장치의 주파수는 DC와 RF 사이입니다. 중주파 교류 마그네트론 반응 스퍼터링 공정에서 두 개의 트윈 타겟은 교류(AC)의 작용에 따라 주기적으로 음극과 양극으로 서로 번갈아 가며 순환 라운드 로빈으로 스퍼터링됩니다. 중주파 반응성 스퍼터링 장비로 제조된 절연막은 기본적으로 DC 스퍼터링에 비해 큰 입자가 없으며, 필름 층이 더 조밀합니다. 또한 높은 증착률, 안정적인 작업 조건, 낮은 생산 비용 및 스퍼터링 공정 중 높은 기판 온도는 필름 품질과 접착력 향상에 도움이됩니다.