濺射功率對金屬化薄膜性能的影響分析
濺射功率對金屬化薄膜成膜速率的影響
從理論上看, 對于磁控濺射源, 鍍膜沉積速率都會隨著靶功率的增大而增大, 二者具有較好的線性關(guān)系。由于在異常輝光放電中, 電流的增大, 必然導(dǎo)致電流密度成比例地增加, 而電流密度的增加會引起電場的進(jìn)一步畸變, 使陰極位降區(qū)的長度不斷減少, 維持放電所必須的陰極位降將進(jìn)一步增加, 撞擊陰極的正離子數(shù)目及動能都大為增加, 在陰極表面發(fā)生濺射作用也要強(qiáng)烈得多, 致使沉積速率增大。實(shí)驗(yàn)保持其他條件不變, 測試了不同功率密度下Cr 靶、Ni- Cu 靶和Ag 靶的成膜速率如圖1。
圖1 不同濺射功率下各個(gè)靶的成膜速率
可見, 隨著濺射功率密度的增加, 濺射靶的濺射速率迅速增加, 在超過20 W·cm- 2 以后濺射速率增加明顯變緩。
但是需要指出的是, 靶材承受的功率是有限的。靶面溫度過高會導(dǎo)致靶材熔化或引起弧光放電。因此靶功率應(yīng)當(dāng)在靶材允許值范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此提高鍍膜速率的工藝原則應(yīng)當(dāng)盡可能接近允許值; 靶電壓盡可能接近最佳值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看, 20 W·cm- 2 的濺射功率比較合適。
濺射功率對金屬化薄膜形貌的影響
由于在濺射過程中, 濺射功率不是完全用于濺射的, 還有用于靶材發(fā)熱、γ 光子和χ 射線發(fā)射、二次電子發(fā)射等, 對于后面的幾種能量消耗來說, 可以認(rèn)為是無用功[5,6]。因此, 當(dāng)濺射功率較小時(shí), 用于濺射時(shí)的有用功達(dá)不到要求, 無法進(jìn)行輝光放電, 濺射也就無法進(jìn)行。當(dāng)濺射功率過大時(shí), 有用功雖然足夠了, 但薄膜的沉積速率太快, 導(dǎo)致基片溫度升高, 從而使薄膜均勻性不好,致密度也達(dá)不到要求。因此, 濺射功率過大或過小, 均不能滿足要求。
實(shí)驗(yàn)保持其他條件不變, 測試觀察了不同濺射功率密度下制備的金屬化薄膜的表面形貌, 如圖2 所示。
當(dāng)功率較低時(shí)(圖2a) , 膜層很薄, 甚至有的區(qū)域還未形成完整的覆蓋層。當(dāng)濺射功率較高時(shí)(圖2c), 薄膜結(jié)構(gòu)中有很多孔隙, 膜層疏松。就薄膜的致密性和完整性而言, 濺射功率密度為20W·cm- 2( 圖2b)時(shí)較理想, 其柱狀晶粒度明顯要小于功率在10 W·cm- 2 和30 W·cm- 2 的柱狀晶粒度, 進(jìn)一步說明了結(jié)晶情況與濺射功率的關(guān)系。而且可以看出隨著晶粒的長大, 柱狀組織間的空隙減少。這是由于功率增大會引起沉積速率增大, 其薄膜臨界核半徑與臨界形核自由能均隨之降低, 從而導(dǎo)致高的形核速率和細(xì)密的薄膜組織。當(dāng)功率過大時(shí), 沉積速率太快, 反而破壞膜層組織結(jié)構(gòu)。
圖2 不同濺射功率下的薄膜表面形貌濺射功率對薄膜性能的影響
濺射功率對金屬化薄膜性能的影響
隨著功率的增大, 濺射原子的能量增大, 部分高能量的濺射原子會使基片表層產(chǎn)生缺陷,成為薄膜新相的成核中心, 隨著薄膜的生長, 自由能下降, 在基片與薄膜之間形成一層濺射原子與基片原子相互融合的偽擴(kuò)散層, 這樣提高了薄膜與基片的附著力。同時(shí)高能量的濺射原子沉積在基片上產(chǎn)生較高的熱能, 也會增強(qiáng)薄膜與基片的附著力。此外功率的改變亦會影響膜的生長方式, 改善膜組織, 從而對膜的塑性、強(qiáng)度等性能指標(biāo)造成影響, 進(jìn)而影響結(jié)合強(qiáng)度。但是過高的功率密度要求靶具有很強(qiáng)的冷卻, 同時(shí)鐵氧體基片會升溫, 破壞膜層結(jié)構(gòu), 降低膜層的致密性和均勻度, 顯著影響其焊接性能。并且過快的沉積速率會使金屬化膜層內(nèi)應(yīng)力過大, 反而降低結(jié)合力。
實(shí)驗(yàn)保持其他條件不變, 在不同濺射功率下制備了Cr (150 nm)/Ni- Cu (460 nm)/Ag(200 nm) 結(jié)構(gòu)的金屬化薄膜,可以看出, 初期隨著濺射功率的增加, 薄膜抗拉強(qiáng)度和焊接性能都明顯提高; 當(dāng)濺射功率超過20 W·cm- 2 后, 結(jié)合力和焊接合格率迅速下降。因此, 認(rèn)為20W·cm- 2 的濺射功率最為合適。
