磁控濺射鍍膜質量影響--工藝參數

這篇文章介紹一部分磁控濺射鍍膜時工藝參數對最終成膜質量的影響。首先列舉一下工藝參數的范圍：濺射壓強、濺射功率、靶基距、襯底類型、襯底溫度、背景真空度、殘余氣體的處理以及退火處理等。

由于我們選擇靶材，襯底以及工作氣體的不同工藝參數的影響也會產生變化，因此本文主要對部分工藝參數的影響原因以及理論結果進行簡介，讀者朋友們還是更多了解分析方法從實驗中獲得自己理想的數據哦~

本文先介紹濺射氣壓、靶基距以及濺射功率三個工藝參數

1：濺射氣壓的影響

簡單來說，濺射氣壓主要影響在于濺射離子的能量，離子能量影響離子到達襯底時遷移以及擴散等能力，會對電阻率，表面平滑度等產生影響。

濺射氣壓與與濺射粒子的平均自由程以及氣體電離有關。氣壓過高，氣體電離提高，但是平均自由程降低導致濺射原子到達襯底以前碰撞次數太多，從而損失很多能量，到達襯底后遷移能力受限，結晶質量變差；氣壓過低，平均自由程降低，但是氣體電離會困難，難以發生濺射起輝效果。

因此，磁控濺射鍍膜時改變濺射氣壓成膜質量會存在一個拐點，保證電離的同時需要也要降低氣體平均自由程，提高濺射粒子到達襯底表面時的能量，以便遷移擴散。

2：靶基距與濺射功率

靶基距太大，濺射原子到達襯底碰撞次數過多，能量損失大，不利于薄膜的成核和長大且降低沉積速率。但是，靶基距太近會導致薄膜受到帶電粒子轟擊，且沉積速率太快會導致薄膜內部各種缺陷密度增加。

濺射功率實質與靶基距一樣，最終影響濺射速率。當濺射功率過低時，沉積速率低，濺射原子到達襯底能量也低；濺射功率過高時，雖然可以提高濺射粒子能量，但是沉積速度過快，影響成膜質量，除此之外，過高的濺射功率會損傷靶材。

1：沉積速率

2：襯底類型

3：襯底溫度

正文開始~

1：沉積速率

（1）影響的是什么？

沉積速率主要影響的是濺射原子在襯底表面的遷移時間，從而間接影響成核數量、膜內應力、表面粗糙度、內部缺陷以及表面粗糙度等因素

（2）綜合分析

通常情況下，沉積速率低會導致原子在襯底上遷移時間長，容易在到達吸附點位置之前就被其余的小島所俘獲，從而形成較大的晶粒，這會使得薄膜表面粗糙、不致密。除此之外，吸附原子到達襯底后，后續原子長時間不到達，暴露的原子容易吸附殘余氣體分子或其他雜質。

如果沉積速率過高，雖然會使薄膜晶粒細化且致密，但是成核過多，核的能量過多，都會導致薄膜內部應力過大，缺陷也會增多。

因此，實驗時需要通過濺射功率，靶基距等因素控制沉積速率，尋找拐點，達到薄膜最佳參數

2：襯底類型

（1）影響的是什么？

襯底是鍍膜的載體，襯底和薄膜之間存在結合力，結合力的大小會影響兩者間附著能力

另外由于溫度不是一個常量，襯底的熱膨脹系數通常要與薄膜相近，否則也容易造成脫落。

（2）綜合分析

表面能高的襯底與薄膜附著力強，薄膜與襯底之間界面能越高附著力越差（襯底平整度，晶面指數以及熱膨脹系數也相關）

襯底選擇時考慮兩個因素：膜基結合力和化學穩定性。

膜基結合力包括如下兩點：

（1）襯底與薄膜的晶格匹配度（匹配度過大，導致薄膜無法很好的外延生長，引起缺陷過多，易脫落）

晶格匹配度計算公式

其中，ae是膜層材料晶格系數，ac是襯底材料晶格系數

3：襯底溫度

（1）影響的是什么？

簡單來說，襯底溫度影響濺射原子在襯底的擴散能力

（2）綜合分析

濺射原子再薄膜表面的擴散能力影響薄膜的結晶情況，沉積溫度直接決定表面原子的擴散能力。

通常來說，襯底溫度低，薄膜容易形成無定形結構，沉積原子很快失去動能，快速在表面凝結，這樣形成的表面比較光滑致密，但是缺陷會較多；當溫度升高，原子的生長動能加大，跨越表面勢壘的概率也隨之增大，特別是金屬原子更易結晶，這樣子薄膜卻鮮少，內部應力也小，但是晶粒體積增大會導致薄膜表面粗糙度增加。

除此之外，對于不同材料，襯底溫度高低會影響薄膜表面附著力，需要通過實驗測試。