磁控溅射镀膜质量影响--工艺参数

这篇文章介绍一部分磁控溅射镀膜时工艺参数对最终成膜质量的影响。首先列举一下工艺参数的范围：溅射压强、溅射功率、靶基距、衬底类型、衬底温度、背景真空度、残余气体的处理以及退火处理等。

由于我们选择靶材，衬底以及工作气体的不同工艺参数的影响也会产生变化，因此本文主要对部分工艺参数的影响原因以及理论结果进行简介，读者朋友们还是更多了解分析方法从实验中获得自己理想的数据哦~

本文先介绍溅射气压、靶基距以及溅射功率三个工艺参数

1：溅射气压的影响

简单来说，溅射气压主要影响在于溅射离子的能量，离子能量影响离子到达衬底时迁移以及扩散等能力，会对电阻率，表面平滑度等产生影响。

溅射气压与与溅射粒子的平均自由程以及气体电离有关。气压过高，气体电离提高，但是平均自由程降低导致溅射原子到达衬底以前碰撞次数太多，从而损失很多能量，到达衬底后迁移能力受限，结晶质量变差；气压过低，平均自由程降低，但是气体电离会困难，难以发生溅射起辉效果。

因此，磁控溅射镀膜时改变溅射气压成膜质量会存在一个拐点，保证电离的同时需要也要降低气体平均自由程，提高溅射粒子到达衬底表面时的能量，以便迁移扩散。

2：靶基距与溅射功率

靶基距太大，溅射原子到达衬底碰撞次数过多，能量损失大，不利于薄膜的成核和长大且降低沉积速率。但是，靶基距太近会导致薄膜受到带电粒子轰击，且沉积速率太快会导致薄膜内部各种缺陷密度增加。

溅射功率实质与靶基距一样，最终影响溅射速率。当溅射功率过低时，沉积速率低，溅射原子到达衬底能量也低；溅射功率过高时，虽然可以提高溅射粒子能量，但是沉积速度过快，影响成膜质量，除此之外，过高的溅射功率会损伤靶材。

1：沉积速率

2：衬底类型

3：衬底温度

正文开始~

1：沉积速率

（1）影响的是什么？

沉积速率主要影响的是溅射原子在衬底表面的迁移时间，从而间接影响成核数量、膜内应力、表面粗糙度、内部缺陷以及表面粗糙度等因素

（2）综合分析

通常情况下，沉积速率低会导致原子在衬底上迁移时间长，容易在到达吸附点位置之前就被其余的小岛所俘获，从而形成较大的晶粒，这会使得薄膜表面粗糙、不致密。除此之外，吸附原子到达衬底后，后续原子长时间不到达，暴露的原子容易吸附残余气体分子或其他杂质。

如果沉积速率过高，虽然会使薄膜晶粒细化且致密，但是成核过多，核的能量过多，都会导致薄膜内部应力过大，缺陷也会增多。

因此，实验时需要通过溅射功率，靶基距等因素控制沉积速率，寻找拐点，达到薄膜最佳参数

2：衬底类型

（1）影响的是什么？

衬底是镀膜的载体，衬底和薄膜之间存在结合力，结合力的大小会影响两者间附着能力

另外由于温度不是一个常量，衬底的热膨胀系数通常要与薄膜相近，否则也容易造成脱落。

（2）综合分析

表面能高的衬底与薄膜附着力强，薄膜与衬底之间界面能越高附着力越差（衬底平整度，晶面指数以及热膨胀系数也相关）

衬底选择时考虑两个因素：膜基结合力和化学稳定性。

膜基结合力包括如下两点：

（1）衬底与薄膜的晶格匹配度（匹配度过大，导致薄膜无法很好的外延生长，引起缺陷过多，易脱落）

晶格匹配度计算公式

其中，ae是膜层材料晶格系数，ac是衬底材料晶格系数

3：衬底温度

（1）影响的是什么？

简单来说，衬底温度影响溅射原子在衬底的扩散能力

（2）综合分析

溅射原子再薄膜表面的扩散能力影响薄膜的结晶情况，沉积温度直接决定表面原子的扩散能力。

通常来说，衬底温度低，薄膜容易形成无定形结构，沉积原子很快失去动能，快速在表面凝结，这样形成的表面比较光滑致密，但是缺陷会较多；当温度升高，原子的生长动能加大，跨越表面势垒的概率也随之增大，特别是金属原子更易结晶，这样子薄膜却鲜少，内部应力也小，但是晶粒体积增大会导致薄膜表面粗糙度增加。

除此之外，对于不同材料，衬底温度高低会影响薄膜表面附着力，需要通过实验测试。