1、磁控濺射制備薄膜材料的研究及其發展 1. 摘要這篇文章簡單的介紹了磁控濺射原理還有制備薄膜的應用舉例，簡述沉積工藝參數對薄膜附著能力的影響！通過回顧歷史發展中各個關鍵的發現以及技術的更新改進，并根據現有的研究總結對未來展望一下。關鍵詞：磁控濺射 應用 沉積工藝 歷史 總結 展望2. 前言濺射技術是物理氣相沉積(pvd)的一種，作為薄膜材料制備的重要方法之一。此項技術是利用了帶電荷的粒子在電場中加速后具備一定動能，將離子引向想要濺射的物質材料做成的陰極靶電極，使靶材原子濺射出來讓其沿著一定的方向運動到襯底并最后沉積于襯底之上形成成膜的方法。而磁控濺射是指把磁控原理與一般濺射技術結合起來利用控制磁

2、場的特殊分布進而控制電場中的電子運動，這樣就改進了濺射的工藝。如今，磁控濺射技術已經是沉積耐磨、裝飾、耐腐蝕、光學等等其他各種各樣功能薄膜的重要制作方法！ 格洛夫 (Grove)在1852年研究發現陰極濺射的現象 ，濺射技術的發展由此開始。在上世紀30年代開始采用磁控濺射沉積技術制取薄膜，不過采蒸鍍的方式制取薄膜在上世紀70年代中期以前，要比采用磁控濺射方法運用的更多。主要是濺射技術在那時初步發展，它的濺射的沉積率比較低，而且濺射的壓強高。濺射同時發展的蒸鍍技術其鍍膜速率比濺射鍍膜高一個數量級，使得濺射鍍膜技術生產銷售處于不利位置。美國貝爾實驗室和西屋電氣公司于1963年采用長度為10米的連續

3、濺射鍍膜裝置，鍍制集成電路中的鉭膜時首次實現的。在1974年，由JChapin發現了平衡磁控濺射后，使高速、低溫濺射有了實質的應用，磁控濺射也更好的發展起來了 。3.原理磁控濺射的工作原理：電子在電場加速E的作用下，使之飛向基片時與氬原子接觸碰撞，并使其電離產生出Ar正離子和新的電子；新電子飛向基片，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并具備高能量去撞擊靶表面，導致靶材發生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產生的二次電子會受到電場和磁場作用，產生E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環形磁場，則電子就

4、以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內，并且在該區域中電離出大量的Ar來轟擊靶材，從而實現了高的沉積速率。隨著碰撞次數的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經歷復雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯過程。在這種級聯過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量，離開靶被濺射出來。4.磁控濺射的發展歷程：首先來說濺射沉積是在真空環境下

5、，利用等離子體中的荷能離子轟擊靶材表面，使靶材上的原子或離子被轟擊出來，被轟擊出的粒子沉積在基體表面逐漸生長成薄膜。濺射沉積技術的發展中下面幾個算得上是重點總結一下啦。1）二級濺射：二級濺射是所有濺射沉積技術的基礎，它結構簡單、便于控制、工藝重復性好主要應用于沉積原理的研究，由于這種方法缺點氣壓過高基底溫升高和沉積速率低限制它的廣泛應用。2）傳統磁控濺射（也叫平衡磁控濺射）：平衡磁控濺射技術克服了二級濺射沉積速率低的缺點，使濺射鍍膜技術在工業應用上具有了與蒸發鍍膜相抗衡的能力。但是平衡磁控濺射鍍膜同樣也有缺點，它的缺點在于其對二次電子的控制過于嚴密，使等離子體被限制在陰極靶附近，不利于大面積鍍

6、膜。3）非平衡磁控濺射：B.Window在1985年開發出了“非平衡磁控濺射技術”，它克服了平衡磁控濺射技術的缺陷，適用于大面積鍍膜。并且在上世紀90年代前期，在非平衡磁控濺射的基礎上發展出了閉合非平衡系統（CFUBMS），采用多個靶以及非平衡結構構成的閉合磁場可以對電子進行有效地約束，使整個真空室的等離子體密度得以提高。這樣可以使磁控濺射技術更適合工業生產。4）脈沖磁控濺射：由于在通過直流反應濺射來制得高密、無缺陷的絕緣膜（尤其是氧化物薄膜）時，經常存在不少的問題。其結果會嚴重的影響膜的結構和性能。但是通過脈沖磁控濺射可以與制得金屬薄膜同樣的效率來制得高質量的絕緣體薄膜。近年來，隨著脈沖中頻

7、電源的研發成功，使鍍膜工藝技術又上了一個新的臺階；利用中頻電源，采用中頻對靶或者孿生靶，進行中頻磁控濺射，有效地解決了靶中毒嚴重的現象，特別是在濺射絕緣材料的靶時，克服了濺射過程中，陽極消失的現象。5）磁控濺射技術新型應用：磁控濺射技術的新型應用是指在以上基礎上，再根據應用的需要，對磁控濺射系統進行改進而衍生出的多種多樣的設備和裝置。這些改進主要是在系統內磁力線的分布上以及磁控濺射靶的設置和分布上。5.沉積工藝參數對薄膜附著能力的影響附著性能是制約濺射薄膜使用性能及工作可靠性的關鍵因素。隨著磁控濺射技術的不斷發展和完善，薄膜的附著性能有了較大的改善。具體到各種薄膜/基體的使用性能，濺射過程的工

8、藝條件起了重要的作用，工藝條件已成為影響薄膜/基體附著性能的主要因素。1)濺射功率在一定的條件下，濺射功率的增加，會使放電載體如氬氣的電離度提高，增加離子的密度，提高濺射速率，并使濺射出來的離子具有較高的能量，從而提高薄膜/基體的附著力及薄膜的致密度。相反，濺射功率太低，離子密度小，沉積速度慢，且離子能量低，得到的薄膜結構疏松，膜層附著力差。但是并不是濺射功率越大越有利于薄膜沉積。濺射功率過高會使濺射離子動能大大增加，過高的離子能量會產生較大的基底熱效應，還會對薄膜造成損傷，薄膜質量下降。這是因為濺射功率較大時，電離得到的離子具有很高的能量，離子打入靶材的深度增加，能量損失增加，使被濺射原子的

9、逸出難度增加，靶材原子不易逸出，使沉積速率降低。同時，由于濺射功率的增加，使濺射時產生的二次電子增多，對基體會產生一定的加熱作用，使基體上沉積的CN 基團揮發，也會降低沉積速率。2）基體表面溫度 提高基體溫度有利于薄膜和基體間原子的相互擴散，而且會加速化學反應，從而有利于形成擴散結合和化學鍵附著，使附著力增加。當基體溫度較低時，形成膜的原子活性受到限制，形核密度較低，在界面處容易產生孔隙，形成不完全致密的薄膜；而隨著基體溫度升高，基體表面活性增強，形核密度變大，沉積速率增加，界面孔隙減少，薄膜/基體界面結合較強，附著性變好。但基體溫度過高會使薄膜晶粒粗大，薄膜中熱應力增大，薄膜開裂及剝落傾向變

10、大，從而降低薄膜的質量及使用性能。因此要綜合考慮基體溫度的影響，針對不同的薄膜/基體選擇合適的基體溫度，得到較好附著性能的薄膜。3)濺射氣體純度及壓力的影響以常用的 Ar 氣為例。Ar 氣被電離成Ar 離子轟擊陰極靶材表面，但仍有一部分Ar 離子混入濺射出的靶原子，沉積到基體表面。因此，如果Ar 氣中雜質過多，膜層中將形成很多缺陷，從而使薄膜結構疏松，降低其表面力學性能，嚴重影響薄膜質量。Ar 氣分壓大小也是影響薄膜質量的重要因素。濺射壓力較小時，濺射出來的原子和氣體分子的碰撞次數減少，損失的能量較小，可以提高沉積原子與基體的擴散能力，從而提高薄膜的致密度和附著性；如果濺射氣體的壓力太小，則濺

11、射靶材原子數目較少，薄膜沉積速率降低，且不能起輝或起輝不足。如果濺射氣壓過高，靶材原子與氣體的碰撞次數變多，損失能量太大，造成沉積基體的靶材原子能量太低，影響膜層的致密性和附著力。4)靶材的影響靶材作為一種具有特殊用途的材料,具有很強的應用目的和明確的應用背景。脫離開濺射工藝和薄膜性能來單純地研究靶材本身的性能沒有意義。而根據薄膜的性能要求,研究靶材的組成、結構、制備工藝、性能,以及靶材的組成、結構、性能與濺射薄膜性能之間的關系,既有利于獲得滿足應用需要的薄膜性能,又有利于更好地使用靶材,充分發揮其作用,促進薄膜技術應用的發展。靶材的工藝指標主要包括純度和結構均勻性。6.制膜應用磁控濺射目前是

12、一種應用十分廣泛的薄膜沉積技術,濺射技術上的不斷發展和對新功能薄膜的探索研究,使磁控濺射應用延伸到許多生產和科研領域。 1）在微電子領域作為一種非熱式鍍膜技術,主要應用在化學氣相沉積(CVD)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長困難及不適用的材料薄膜沉積,而且可以獲得大面積非常均勻的薄膜。包括歐姆接觸的Al、Cu、Au、W、Ti等金屬電極薄膜及可用于柵絕緣層或擴散勢壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質薄膜沉積。 2）磁控濺射技術在光學薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導電玻璃等方面也得到應用。在透明導電玻璃在玻璃基片或柔性襯底上,濺射制備SiO2薄膜和摻雜Z

13、nO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可見光范圍內平均光透過率在90%以上。 3）在現代機械加工工業中,利用磁控濺射技術制作表面功能膜、超硬膜,自潤滑薄膜,能有效的提高表面硬度、復合韌性、耐磨損性和抗高溫化學穩定性能,從而大幅度地提高涂層產品的使用壽命。磁控濺射除上述已被大量應用的領域,還在高溫超導薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發揮重要作用。 4）制備固體潤滑膜 固體潤滑膜MoS2薄膜已成功應用于真空工業設備、原子能設備以及航空航天領域，對于工作在高溫環境的機械設備也是畢不可少的。雖然MoS2 可用化學反應鍍膜法制備，但濺射鍍膜發得到MoS2 薄膜

14、致密性好，膜基附著力大，添加Au(5wt%)的MoS2膜，其致密性和附著性更好，摩擦系數更小。 6.發展薄膜與基體間的附著性能是制約磁控濺射薄膜使用的關鍵因素。改善基體表面狀態、優化工藝參數并合理匹配薄膜/基體等都是得到較好附著性能薄膜的有效途徑。通過設置成分或結構漸變的過渡層也是改善薄膜/基體附著性和力學性能的有效方法。實際鍍膜的過程中，根據具體匹配的基體/薄膜，通過試驗找出適宜的工藝條件并得到較好質量的薄膜。另外，平衡磁控濺射是磁控濺射技術的一個重要發明，但其不利于大面積鍍膜的缺點使其難以在工業上大范圍的推廣。1985年非平衡磁控濺射理論的出現解決了這一難題。非平衡磁控濺射的特性就是通過磁控濺射陰極的內、外兩個磁極的磁通量不相等，利用其陰極的磁場大量向靶外發散的特性，可將等離子體擴展到遠離靶面處，使基片浸沒其中，這樣有利于以磁控濺射為基礎實現大面積離子鍍。磁控濺射技術已經在我國的建材、裝飾、光學、防腐蝕、工磨具強化、集成電路等領域得到比較廣泛的應用，利用磁控濺射技術進行光電、光熱、磁學、超導、介質