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    磁控溅射镀膜设备升级换代的新思路、新设备和新工艺

    浏览:607    日期:2020-10-08

      目前,传统产业的升级换代已经成为国家的战略决策,各级政府已出台,或者即将出台各种资助政策。在此大环境下,本网站将陆续推出一系列真空应用设备升级换代的方案供用户参考。本文着重探讨磁控溅射和阴极电弧镀膜设备升级换代的新路子和新对策。
     
      对真空镀膜设备而言,本底真空和放气率是关乎品质的两个最重要的概念。本底真空比较直观,容易测量,加上历史的原因,用户已经习惯于将它与真空质量等同了。其实,本底真空反映的是表象,真空室的放气率才是真空质量的本质。在很多场合,本底真空会误导用户,导致抽气工艺使用不当,降低产品质量等一系列问题。
     
      众所周知,真空镀膜大体可分为高真空镀膜(例如蒸发镀膜)和在工作气体环境中的中真空镀膜(例如磁控溅射和阴极电弧镀膜)二大类。
     
      前者,镀膜环境与本底真空基本一致,采用本底压强作真空质量的表征无问题,但这类镀膜设备通常容积大(约几个米3),主泵普遍采用抽速几万L/s的油扩散泵,目前存在的主要问题是能耗高和油蒸汽污染严重两大难题,相应的对策将在另文中讨论。
     
      后者,镀膜压强比本底压强高出几十至几百倍,镀膜的真空环境与本底真空差异很大,在选用真空泵和抽气工艺时,往往会产生差错和误解,本文将作讨论的重点。
     
      讨论之前,先明确如下几个基本问题:
     
      1. 真空室的压强P与真空室的放气量Q成正比,与真空泵所在工作条件下的实际抽速S成反比,即
     
      P= Q/ S                                                            1
     
      2. 镀膜阶段的活性气体分压强(主要是水蒸汽)是影响镀膜质量的关键,是镀膜设备真空质量的实质性指标。
     
      3. 对于未经仔细烘烤、经常暴露大气的真空室,本底压强中活性气体占90%以上。
     
      实测结果表明,本底压强中,抽气半小时,水蒸汽约占90%,抽气1小时,水蒸汽约95%,因此,镀膜室(包括工件)放出的气体可以认为全部是活性气体。
     
      4. 精抽的本质是降低镀膜室的放气率,精抽本底的放气率将带入镀膜阶段。由此可以得到一个十分“费解”的推论:采用有效抽速3,000L/s的真空泵,本低抽至8×10-3 Pa,其精抽质量与采用有效抽速1,500L/s的真空泵,本底抽至1.6×10-2 Pa时相同,即精抽阶段采用抽速较小的真空泵,允许较差的本底真空!
     
      实测结果表明:上述两种泵,将镀膜室抽至溅射镀膜所需的相同放气率,所需时间大体相同,后者仅增加了5分钟。后文所述的改造方案中,粗抽阶段的时间可以节省5分钟,即镀膜周期不变。
     
      5. 由式1可知,镀膜阶段活性气体的分压强与本底的放气率成正比,与镀膜阶段的抽速成反比。
     
      6. 对于镀膜阶段抽速与精抽阶段相同的场合(例如蒸发镀膜),由式1可知,镀膜阶段的活性气体分压与精抽本底压强相同,因此,本底压强可以用作表征镀膜设备真空质量的指标。
     
      7. 对于镀膜阶段抽速与精抽阶段不同的场合,镀膜阶段活性气体的分压强与精抽本底压强不相同,即真空质量不能用本底真空来表征。
     
      8. 在磁控镀膜阶段(通常为0.5Pa),扩散泵(必须加节流阀)的抽速仅为标称值的1/6~1/5,分子泵的抽速为标称值的50~70%,因此,镀膜阶段活性气体分压强分别为本底压强的5~6倍和1.5~2倍。分子泵在高压强下运行,还易发生打片危险。
     
      9. 推论:采用镀膜阶段抽速大的真空泵,精抽阶段的本底压强可以高一些,或者精抽阶段的抽速可以低一些。
     
      提高。由此可见,本底压强作为真空质量的指标是一大误解。究其原因,可能与蒸发镀膜在前,磁控溅射在后,以及人们的习惯性思维有关。
     
      8. 降低真空室放气量的有效措施不是增加泵的抽速,而是延长抽气时间。
     
      推论:精抽阶段可以采用抽速较小的真空泵。
     
      上述结论不大容易理解。事实上,规范的真空设计中,真空泵抽速配置步骤如下:
     
      设定抽气(即存
     
      放真空)时间
     
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      设定本底压强
     
      了解真空室和工件的材料、表面积和表面状况
     
      估算真空室
     
      的总放气率
     
      估算真空泵
     
      所需的抽速
     
      该步骤中,仅给出了存放在真空中的时间(即抽气时间),未提出存放环境的真空要求,已经默认了存放环境的真空度不是主要的影响因素。
     
      实测结果表明,在10-2~10-3 Pa压强范围,将精抽泵的抽速减小一半,在相同的抽气时间内,真空室的放气率降低的幅度基本相同(误差不超过10%)。
     
      下面以钛金镀膜为例,进一步介绍镀膜设备的升级换代的新思路、
     
      钛金镀膜是建立在低压气体放电的基础上的镀膜方式,过高或过低的压强均不利于放电,再加上往往是一个反应沉积的过程,必须导入反应气体,因此最佳的沉积压强应在0.2 Pa-0.6 Pa之间,对于阴极电弧离子镀甚至要求1Pa的工作压强,只是传统的真空获得设备无法有效地满足这一条件,为此对工艺的进一步探索留下了悬念。
     
      但对绝大多数的应用来讲,有一点是肯定的,在镀膜过程中,活性气体的分压强(主要是水蒸汽)越低越好,钛金镀膜更是如此。所以真空重要的往往不在数量(绝对压强),而是在于质量(对活性气体分压的抑制)。一个真空系统,当压强达到约0.5 Pa时,其中90%的是水蒸汽,而进入 Pa,水蒸汽含量则可能达到95%。所以真空系统的本底压强也就是活性气体的分压。水蒸汽的来源是由于真空容器内壁和工件吸附气体的解吸过程,即所谓的放气。
     
      沉积膜层化学稳定性的检测方法中,通常将被镀工件浸泡在盛有酸碱溶液的容器中,而对膜层的浸蚀作用,并不是容器中酸碱的绝对数量,而是酸碱的浓度和浸泡的时间。同样在膜层沉积过程,活性气体对膜层的不利影响也不是真空室内的活性气体总量,而是活性气体的分压强。
     
      从以上的讨论可知,真空室的本底压强近似等于活性气体的分压,若镀膜过程就在该压强范围附近进行(即真空机组对系统的有效抽速不变),本底压强与活性气体分压强是一致的,因此,用本底压强作为镀膜设备真空质量的指标是合理的。
     
      如果不满足上述条件,则更重要的应该是放气量,而本底真空仅是一个标致性的参量。传统的高真空机组,不论是扩散泵机组还是涡轮分子泵机组,必须在分子流状态(泵口压强<10-1Pa)下才能稳定工作,当它们用于磁控溅射,或阴极电?。ǖ湫凸ぷ餮骨吭?.2-0.6 Pa)时,抽速将迅速降低,其中扩散泵的返油率还会大幅度上升。
     
      为了让泵口压强进入稳定工作的范围,传统的方法采用节流措施,这样必然降低机组对系统的有效抽速,对扩散泵而言,抽速要降至标称抽速的10%~20%。涡轮分子泵也要降低约50%。在放气量不变的情况下,扩散泵系统的活性气体分压强就会上升至5~10倍,涡轮分子泵系统也要上升至2倍。这一现象是客观存在的,只是普通镀膜设备不配置分压强计,无法觉出而已。在这种应用场合,本底真空就无法表征镀膜设备真空质量的优劣了。
     
      任何事物都是由量变到质变?;钚云遄魑跋炷げ阒柿康挠泻Τ煞?,视其影响的程度应存在一临界的压强,超过此压强其影响不可忽略,而不及此压强其影响可以忽略。这样一来,对配置传统的高真空机组的设备,如把临界压强作为系统本底压强或本底压强,显然是错误的,因为在镀膜阶段,活性分压会明显上升,甚至远远超过临界压强。这不仅在钛金镀膜,其它凡是有预除气过程的应用领域都如此。
     
      摩尔真空技术有限公司研发并推向市场的基于全拖动原理的分子增压泵,比传统高真空泵的工作压强提高了两个数量级,在1Pa左右可以达到满抽速,因此在放气量相同的情况下,可以更显著地抑制活性气体的分压。加上分子增压泵超强的中真空抽气能力,镀膜设备从此不再需罗茨泵,仅用分子增压泵与前级泵就可构成高效的高真空机组,用于钛金镀膜显示出的优越性是无可争议的。
     
      若采用分子增压泵取代扩散泵机组,除了简化真空系统,大幅度降低能耗(80%以上),消除油蒸汽污染这些显然的优点外,在抑制活性气体方面更有独到之处。由于标称抽速相同的分子增压泵,在镀膜阶段的有效抽速为扩散泵的5~6倍,若保持镀膜阶段的活性气体分压强不变,则允许的精抽本底放气量可以提高5~6倍,真有点难以置信!
     
      恒定抽速的分子增压泵,则可以大大缩短精抽的时间而显著提高效率。也就是分子增压泵的精抽压强或放气量可以大大提高。因为放气量是随时间线性减少的。
     
      若取代涡轮分子泵机组,除了简化机组,消除了转子打片的风险外,还能实现用一台1000升/秒的分子增压泵取代一台1500升/秒的涡轮分子泵,并具有更佳的效果。这个看似不可接受的事实其实道理亦很简单,就在于两种泵性能的差异。相关的论述曾强调,放气量主要决定于烘烤的温度和精抽的时间,所以两种泵在上述条件相同的情况下,可以达到相同的放气量,由于分子增压泵抽速低,故平衡压强(本底压强)要高50%,但进入放电沉积阶段,分子增压泵抽速不变,而涡轮分子泵抽速则减半,所以此时的活性分压反而高于分子增压泵。
     
      本文所阐述的是放气量、抽速、平衡压强的辩证关系。道理很简单,但必须摒弃传统的理念,否则,则会出现这样的笑话:在溅射镀膜阶段,仍用节流的方法强行抑制分子增压泵强劲的抽速,让活性气体分压大幅反弹,而目的仅仅是为了节省一些氩气。节流技术有些事情,本来是权宜之计,是没有办法的办法,然而时间久了,就忘了为什么要这样做,反到成了非做不可的硬道理,这就偏离了真理。溅射沉积阶段不是不需要的抽速应该越大越好,除了压低活性分压外,最新的一些实验结果表明,在沉积阶段加大氩气流量有益于提高沉积速率。
     
      最后,通过一个贴近生活的例子,可能有利于更形象地理解文中反复述及的道理。
     
      常识告诉我们,饮食要讲卫生,而苍蝇容易传染疾病,假定有A、B两个餐厅,A餐厅工作人员数量多,在没开饭的时间,所有的人员都努力驱赶苍蝇,而最终将餐厅内苍蝇赶的一个不剩。而B餐厅工作人相对较少,虽也很努力,最终厅内仍有零星苍蝇飞行。到了开饭时间,A餐厅工作人员全部都去忙于卖饭,被赶走的苍蝇又全部回来了。而B餐厅由于实现自动售饭,所有的人仍在驱赶苍蝇,所以还能保持零星的水平。如果将驱赶苍蝇的工作人员比作泵的抽速,而把苍蝇比作活性气体分子,是否能形成一幅生动的写照呢?当然不要产生这样一种误解:不喜欢苍蝇就一定要喜欢分子增压泵。
     
      以色列学者罗思说的好:“真空技术总是和科技进步联系在一起”。那么,真空技术的进步呢?
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