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离子溅射镀膜法
文章作者:admin 上传更新:2016-5-5

离子溅射镀膜法

离子溅射形成干涉膜是增进相间衬度显示组织的新方法。

离子溅射镀膜是在部分真空的溅射室中辉光放电,产生正的气体离子;在阴极(靶)和阳极(试样)间电压的加速作用下,荷正电的离子轰击阴极表面,使阴极表面材料原子化;形成的中性原子,从各个方向溅出,射落到试样的表面,于是在试样表面上形成一层均匀的薄膜。所以说这种形成干涉膜的方法与湃澎霍夫蒸发的方法相似。

由于阴极表面被击出的材料主要是中性原子,如果离子碰撞的能量是低的,即在低的加速电压下,击出的原子数目是相当少的,可忽略不计;在高能离子的撞击下,即加速电压超过500V,实际上每个离子能从靶材表面击出一个原子。从靶材表面溅出原子的速度,主要决定于靶材、加速电压,气压和气氛的性质。在试样表面上膜的增长速度,依赖于试样与靶的相对位置以及原子化的速度。溅射原子到达试样上的量,随着试样与靶材间距离平方的增加而降低。当试样的位置靠近和平行于靶的表面时,增长速度达到最大,是100nm/m的数量级。因此控制溅射膜厚可以用下列关系:

t=d2/v

式中

t-达到一定膜厚的时间;

d-试样与靶之间的距离;

v-所用电压;

k-常数,由实验来决定。

离子溅射镀膜与阴极离子浸蚀相反,离子溅射镀膜,试样是电路的阳极。

图1 离子溅射镀膜设备原理简图

离子溅射镀膜要求试样干燥清洁。为了使试样表面清洁,必要时将试样与阴极换位,利用火花放电清洁表面。然后试样复原,再进行溅射镀膜。显然,开始正式溅射镀膜时,要换一个新的阴极。以免清洁试样表面时,沉积在阴极表面的杂质污物,再沉积在试样表面。

由于溅射时,溅射室中所填充的气体和阴极溅射原子的作用不同,因而有中性溅射和反应溅射两种。如果把溅射室(真空室)抽真空到10-3汞柱,然后打开进气针阀,让纯氩气进入真空室,再用真空泵操作调节,使溅射室内气压维持在10-2mm到1mm汞柱,或者是氧化气氛而阴极材料不易氧化,溅射沉积膜是阴极材料,这就是中性溅射镀膜。如果让氧气或空气进入溅射室,阴极溅射的原子与氧作用沉积在试样上形成氧化膜,这就是反应溅射镀膜。近年来有人用俄歇能谱仪测试了抛光后钢试样表面和用铁阴极与氧气在溅射室中处理的铜试样表面,两者对比测试之后发现后者表面镀膜是氧化铁。同样情况,镍的试样用铅作阴极形成氧化铅。而用金作阴极材料,则产生纯金的镀膜。这些结果清楚地指出:(1)阴极材料被溅射在试样表面;(2)阴极溅射原子与气氛中的氧气有足够的亲合力时则形成氧化膜,如果阴极溅射原子与气氛中的氧气亲合力小或在惰性气氛的情况下,只形成纯金属镀膜。

现在离子溅射镀膜,多半是在反应气体存在下进行的,化合物沉积膜的稳定性和光学常数,依赖于气体的类型和阴极材料。常用的反应气体为氧气,常用的阴极材料有铁、镍、铜铅等,有时电刚金、铂、钯、铟和其他金属。反应溅射形成的氧化物是属于有吸收而折射率不是很高的镀膜材料。

溅射镀膜的操作与溅射镀膜设备是密切相关的。目前商业上已有很精制的设备安装在显微镜下的载物台的位置上。溅射镀膜时,将抛光的试样安放在式样头具上,倾转到面对电子枪(阴极)的位置,调节溅射室中的气压,辉光放电,阴极溅射,反应溅射沉积。一定时间后,中断溅射,把溅射沉积的试样表面,转回到面对物镜的位置,观察试样表面的颜色,来评定沉积膜的厚度,当要求的颜色得到时,镀膜操作停止。

图2 溅射镀膜及观察设备简图


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