溅射气压对磁控溅射成膜性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学信电系 作者:郑建潮

溅射气压对磁控溅射成膜速率的影响

       在直流磁控溅射过程中, 溅射气压( 工作气压)是一个很重要的参数, 它对溅射速率, 沉积速率以及薄膜的质量都有很大的影响。气体分子从一次碰撞到相邻的下一次碰撞所通过的距离的统计平均值, 称之为平均自由程。从分子的平均自由程的角度来说, 溅射气体压力低时溅射粒子的平均自由程大, 与气体离子的碰撞的几率小, 使沉积速率增大。但是, 溅射气体压力低时入射离子浓度低, 溅射出的离子数目也少, 又使沉积速率减小。

       当溅射气体压力高时, 轰击靶的气体离子多, 溅射出的离子数也多, 使溅射速率增大。但是溅射粒子的平均自由程减小, 与气体离子碰撞的几率增大, 使沉积速率减小。溅射气压所产生的这两种效果互相制约, 随着溅射气压的增加, 最初沉积速率不断增大, 当溅射气压增大到一定程度时, 沉积速率达到最大值, 之后随着溅射气压的增大又不断减小。实验保持其他条件不变, 测试了溅射工作气压下Cr 靶、Ni- Cu 靶和Ag 靶的成膜速率如图8。

不同的溅射气压对成膜速率的影响 

图8:不同溅射气压下的成膜速率

        可见, 随着溅射气压的增加, 成膜速率随之增加;当溅射气压在0.45~0.55 Pa 时, 成膜速率达到最大; 之后随着溅射气压的增加, 成膜速率迅速降低。所以从成膜速率来考虑, 0.5 Pa 的溅射工作气压最为合适。

溅射气压对磁控溅射成膜薄膜性能的影响

       不同溅射气压对薄膜的结构和性质也有一定的影响。压强过低时, 溅射原子能量比较大, 随着溅射压强升高, 溅射原子在飞向基底的过程中受到的散射增加, 到达基底时能量减少, 迁移能力下降, 薄膜的结晶状况也随着改变。溅射出的高速粒子部分首先与氩气原子发生碰撞, 同时高速粒子本身的能量降低, 速率相应减小, 这样有利沉积到基底表面而不造成小丘或空洞, 有利提高薄膜的质量。然而过高的溅射气压会使粒子与大量氩原子相互碰撞而大大降低其本身的能量, 结果导致薄膜的成绩速率减小, 并且减少输入到基底上原子的表面迁移能,进而不能获得高的薄膜结晶度。因此溅射气压的变化, 引起表面形貌和沉积速率的变化, 同时影响薄膜的性能。

       实验保持其他条件不变, 在不同溅射工作气压下制备了Cr(150 nm)/Ni- Cu(460 nm)/Ag(200 nm)结构的金属化薄膜, 可以看出, 初期随着溅射气压的增加, 薄膜抗拉强度和焊接性能都明显提高; 当溅射气压在0.45 ~0.55 Pa 之间时抗拉强度和焊接性最好; 溅射气压超过0.55Pa 后, 结合力和焊接合格率随着气压增大而迅速下降。因此, 认为0.5 Pa 左右的溅射气压是比较合适的。

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