磁控溅射(she)镀膜(mo)技(ji)术(shu)的(de)发展(zhan)及(ji)应用(yong)

近年(nian)来，随着(zhe)新材料的开(kai)发(fa)，尤(you)其(qi)是薄膜(mo)材料的(de)发展和(he)应(ying)用(yong)，带动控(kong)溅射沉(chen)积技术的飞速(su)发展，在(zai)科(ke)学(xue)研(yan)究(jiu)领域和工业生(sheng)产(chan)中(zhong)有着不可替代的重(zhong)要(yao)作用。本文(wen)主(zhu)要介绍(shao)了控溅射(she)沉(chen)积镀膜(mo)技(ji)术(shu)的工艺(yi)过程及(ji)其发(fa)展情(qing)况(kuang)，各(ge)种(zhong)主(zhu)要磁控溅射镀(du)术(shu)的(de)特(te)点(dian)，并介(jie)绍(shao)磁(ci)控(kong)溅射技术在(zai)各个(ge)领(ling)域(yu)的主要应(ying)用。

溅射(she)镀膜(mo)过(guo)程(cheng)主(zhu)要(yao)是(shi)将欲(yu)沉积(ji)成薄膜的(de)材(cai)料(liao)制成靶(ba)材，固(gu)定(ding)在溅(jian)射(she)沉(chen)积系统(tong)的(de)阴极(ji)上，待沉积薄膜的基片放(fang)在正对(dui)靶(ba)面的(de)阳(yang)极上。溅射系统(tong)抽(chou)至(zhi)高真空后(hou)充(chong)入(ru)氩气(qi)等，在(zai)阴(yin)极和阳(yang)极之间(jian)加载高(gao)压，阴(yin)阳极(ji)之(zhi)间会产生低压(ya)辉光(guang)放(fang)电(dian)。放电产生的(de)等(deng)离子(zi)体(ti)中，氩气(qi)正离子在电(dian)场作用(yong)下向(xiang)阴(yin)极移(yi)动(dong)，与靶材表(biao)面(mian)碰撞，受碰(peng)撞而(er)从(cong)靶材表(biao)面溅(jian)射(she)出的(de)靶(ba)材原子(zi)称(cheng)为溅(jian)射(she)原子，溅(jian)射(she)原(yuan)子的能(neng)量一(yi)般在一至几(ji)十(shi)电子伏(fu)范围(wei)，溅射原子(zi)在基片(pian)表(biao)面(mian)沉(chen)积而(er)后(hou)成(cheng)膜(mo)。溅(jian)射镀(du)膜就(jiu)是(shi)利(li)用(yong)低(di)气压(ya)辉(hui)光放(fang)电产生的氩气正(zheng)离子(zi)在电场(chang)作(zuo)用下(xia)高速轰击阴极靶(ba)材，把靶材(cai)中(zhong)的(de)原子(zi)或分子(zi)等粒(li)子溅射(she)出(chu)而(er)沉(chen)积到(dao)基(ji)片或(huo)者工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)，形成(cheng)所(suo)需(xu)的薄膜层。但是(shi)溅(jian)射(she)镀膜(mo)过(guo)程中(zhong)溅(jian)射(she)出(chu)的(de)粒子的能量(liang)很低(di)，导(dao)致成(cheng)膜(mo)速率不(bu)高(gao)。

磁(ci)控(kong)溅(jian)射技(ji)术(shu)是(shi)为了提(ti)高(gao)成膜速率(lv)在(zai)溅射(she)镀膜基(ji)础上(shang)发(fa)展(zhan)起(qi)来(lai)的(de)，在靶(ba)材表面建立与电(dian)场(chang)正(zheng)交的磁(ci)场(chang)，氩(ya)气(qi)电(dian)离率从(cong) 0.3％一(yi)0.5％提(ti)高到了5％一6％，这样(yang)就解(jie)决了(le)溅(jian)射镀(du)膜沉积(ji)速(su)率低的(de)问题，是(shi)目(mu)前(qian)工(gong)业上精密(mi)镀膜的主要(yao)方(fang)法之(zhi)一。可制(zhi)备成磁控溅(jian)射阴(yin)极靶(ba)材的原料(liao)很广，几(ji)乎(hu)所(suo)有(you)金(jin)属、合(he)金以及(ji)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)都可(ke)以制(zhi)备(bei)成(cheng)靶材(cai)。磁(ci)控溅射(she)镀膜(mo)在相(xiang)互垂直的磁(ci)场(chang)和电(dian)场的双(shuang)重(zhong)作用下，沉(chen)积(ji)速度快(kuai)，膜层(ceng)致(zhi)密且(qie)与(yu)基(ji)片(pian)附(fu)着性(xing)好，非(fei)常适合于(yu)大批(pi)量(liang)且高(gao)效率(lv)的工业(ye)化生产。

1、磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)的(de)工艺(yi)流(liu)程(cheng)

在磁(ci)控溅射过(guo)程(cheng)中，具(ju)体(ti)工(gong)艺(yi)过(guo)程对(dui)薄(bao)膜性能(neng)影(ying)响很(hen)大(da)，主要(yao)工(gong)艺流程如(ru)下(xia)：

（l）基片(pian)清洗，主(zhu)要(yao)是(shi)用(yong)异(yi)丙(bing)醇(chun)蒸汽(qi)清洗，随(sui)后(hou)用(yong)乙醇(chun)、丙酮浸(jin)泡(pao)基片(pian)后快速(su)烘(hong)干(gan)，以去除表面(mian)油(you)污(wu)；

（2）抽(chou)真(zhen)空(kong)，真空须(xu)控(kong)制(zhi)在2 × 104 Pa以(yi)上(shang)，以保(bao)证薄(bao)膜的(de)纯(chun)度(du)；

（3）加(jia)热(re)，为(wei)了除(chu)去基片(pian)表面水(shui)分(fen)，提(ti)高(gao)膜与(yu)基片的结合力，需要(yao)对(dui)基片进行加热(re)，温(wen)度一般(ban)选(xuan)择(ze)在150 ℃~200 ℃之(zhi)间；

（4）氩(ya)气分压(ya)，一般选(xuan)择在0.01一(yi)lPa范(fan)围(wei)内(nei)，以满(man)足(zu)辉(hui)光放电的气压(ya)条(tiao)件；

（5）预(yu)溅(jian)射(she)，预溅(jian)射是通(tong)过离子轰击(ji)以除去靶材表面氧(yang)化膜(mo)，以(yi)免(mian)影(ying)响薄膜(mo)质量；

（6）溅射(she)，氩气电离(li)后(hou)形成的正离子在正(zheng)交的磁(ci)场和电(dian)场的作用下(xia)，高(gao)速(su)轰击靶材(cai)，使溅射(she)出的靶(ba)材粒(li)子(zi)到(dao)达基片(pian)表面沉(chen)积(ji)成(cheng)膜；

（7）退(tui)火，薄膜与基片(pian)的(de)热(re)膨(peng)胀(zhang)系数有(you)差(cha)异，结合力小，退(tui)火时薄(bao)膜(mo)与基(ji)片原(yuan)子相互(hu)扩散(san)可以(yi)有效(xiao)提高粘着力(li)。

2、磁控(kong)溅(jian)射(she)镀膜技术(shu)的(de)发(fa)展(zhan)

近年(nian)来(lai)磁(ci)控(kong)溅射(she)技(ji)术发展非常迅(xun)速，代(dai)表性方(fang)法有(you)平(ping)衡(heng)平衡磁(ci)控(kong)溅射(she)、反应磁控溅射、中频磁控(kong)溅(jian)射(she)及高(gao)能(neng)脉冲磁控(kong)溅射(she)等等。

平(ping)衡(heng)磁(ci)控(kong)溅射(she)：即*传(chuan)统的磁控(kong)溅射(she)技(ji)术(shu)，将永(yong)磁体或(huo)电(dian)磁(ci)线(xian)圈(quan)放(fang)到在靶(ba)材背(bei)后，在靶材表面会(hui)形(xing)成与电(dian)场方向(xiang)垂直(zhi)的(de)磁场。在高压(ya)作(zuo)用(yong)下(xia)氩(ya)气电(dian)离成等离子(zi)体(ti)，Ar+离(li)子经(jing)电(dian)场(chang)加速(su)轰击阴(yin)极(ji)靶材(cai)，靶材二次电子被溅(jian)射出，且电(dian)子在相互(hu)垂直的(de)电场(chang)及磁(ci)场(chang)作(zuo)用(yong)下(xia)，被束(shu)缚在阴极靶材表面附(fu)近，增(zeng)加(jia)了(le)电子(zi)与(yu)气体碰(peng)撞(zhuang)的几(ji)率，即(ji)增(zeng)加了(le)氩(ya)气电离率，使(shi)氩气在(zai)低气(qi)体(ti)下(xia)也可(ke)维持(chi)放(fang)电(dian)，因而磁控溅(jian)射(she)既降(jiang)低了溅(jian)射(she)气体压(ya)力，同时也提高了(le)溅射效率及沉积速(su)率(lv)。但传(chuan)统磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)有一些(xie)缺(que)点，比(bi)如：低(di)气压(ya)放电产(chan)生(sheng)的(de)电子和溅(jian)射(she)出(chu)的靶(ba)材(cai)二次电(dian)子(zi)都(dou)被束缚(fu)在(zai)靶(ba)面(mian)附近大(da)约60 mm的区域(yu)内，这样(yang)工(gong)件(jian)只能被安·放在靶(ba)表(biao)面(mian)50一100 mm的(de)范(fan)围内。这(zhe)样(yang)小的(de)镀(du)膜(mo)区间(jian)限制(zhi)了待(dai)镀(du)工(gong)件(jian)的(de)尺寸(cun)，较(jiao)大(da)的(de)工件或装炉量(liang)不(bu)适(shi)合传统(tong)方法(fa)。

反应(ying)磁(ci)控溅(jian)射(she)：随着表面(mian)工程技术的(de)发展，越(yue)来越(yue)多地用到各(ge)种(zhong)化合(he)物(wu)薄膜材料。可以(yi)直接使用(yong)化(hua)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)制作的(de)靶材(cai)通(tong)过溅射来制备化(hua)合(he)物薄膜(mo)，也可(ke)在(zai)溅(jian)射(she)金属(shu)或(huo)合(he)金靶材(cai)时，通(tong)人(ren)一定(ding)的(de)反(fan)应(ying)气体(ti)，通(tong)过发(fa)生化学(xue)反应制(zhi)备化合(he)物薄(bao)膜(mo)，后(hou)者被(bei)称(cheng)为(wei)反应(ying)磁(ci)控溅(jian)射(she)。一般(ban)来说(shuo)纯金(jin)属(shu)作为(wei)靶材(cai)和(he)气体反应较容易(yi)得(de)到高质量的(de)化(hua)合物(wu)薄(bao)膜(mo)，因(yin)而大多数(shu)化合(he)物(wu)薄(bao)膜是(shi)用(yong)纯(chun)金(jin)属为靶材的反应溅磁(ci)控(kong)射来(lai)制(zhi)备(bei)的(de)。

中(zhong)频磁(ci)控溅射：这种(zhong)镀(du)膜方法是将磁控(kong)溅(jian)射(she)电(dian)源(yuan)由(you)传统的(de)直(zhi)流(liu)改(gai)为中频交(jiao)流电源(yuan)。在溅射(she)过程(cheng)中，当系统(tong)所加电压(ya)处在(zai)交(jiao)流电负半周期(qi)时，靶材被正离子轰(hong)击而溅(jian)射(she)，而(er)处于正(zheng)半(ban)周期(qi)时(shi)，靶(ba)材表(biao)面被(bei)等(deng)离(li)子(zi)体中(zhong)的电子(zi)轰击而(er)溅(jian)射，同(tong)时(shi)靶(ba)材表面累积的(de)正电荷被中和，打弧(hu)现象(xiang)得到抑(yi)制(zhi)。中频磁控(kong)溅射(she)电源(yuan)的(de)频率通(tong)常在(zai)10一(yi)80 kHz之(zhi)间(jian)，频(pin)率高，正离(li)子(zi)被(bei)加速(su)的时(shi)间(jian)就(jiu)短(duan)，轰击靶材(cai)时(shi)的(de)能(neng)量就低(di)，溅射沉(chen)积速率(lv)随之(zhi)下降。中频磁(ci)控溅(jian)射系(xi)统(tong)一(yi)般有(you)两个靶，这两(liang)个靶周(zhou)期性轮(lun)流作(zuo)为(wei)阴极(ji)和阳极(ji)，一(yi)方面减小(xiao)了(le)基(ji)片(pian)溅(jian)伤(shang)；另一(yi)方(fang)面(mian)也(ye)消(xiao)除了(le)打(da)弧(hu)现象。

高(gao)能(neng)脉(mai)冲(chong)磁控溅射：自(zi)瑞典(dian)科(ke)学(xue)家**采(cai)用高能脉(mai)冲作为(wei)磁(ci)控(kong)溅射(she)的供电(dian)模(mo)式并沉(chen)积了(le)Cu薄(bao)膜后(hou)，HPPMS自(zi)以其(qi)较高的金属离(li)化率在(zai)近几年受(shou)到广(guang)泛(fan)关(guan)注，高(gao)能(neng)脉冲(chong)磁控溅(jian)射(she)技术(shu)是(shi)利用较(jiao)高(gao)的脉冲(chong)峰值功率和(he)较(jiao)低的(de)脉冲(chong)占空比来(lai)产生高溅射金(jin)属(shu)离(li)化(hua)率的一(yi)种磁(ci)控(kong)溅(jian)射(she)技(ji)术(shu)，由于(yu)脉(mai)冲作用时间(jian)短，其(qi)平(ping)均功(gong)率不高(gao)，这样(yang)阴极不(bu)会因过(guo)热而增(zeng)加(jia)靶(ba)冷却(que)的要求(qiu)。它(ta)的峰值(zhi)功(gong)率(lv)是(shi)普(pu)通磁(ci)控溅射(she)的100倍(bei)，约为(wei)1000- 3000W/cm²，等(deng)离子体(ti)密度(du)可以高(gao)达1018m^-3数(shu)量(liang)级，溅射(she)材料离化(hua)率(lv)极高(gao)，溅射Cu靶可(ke)达(da)70%，且这个高(gao)度离(li)子化(hua)的束流(liu)不(bu)含(han)大(da)颗粒(li)，生成的薄膜致密(mi)，性(xing)能(neng)优(you)异(yi)。

3、磁控溅射(she)镀膜技(ji)术的(de)应用

磁(ci)控(kong)溅射(she)镀膜(mo)技(ji)术主要用(yong)于塑(su)料(liao)、陶瓷(ci)、玻(bo)璃(li)、硅(gui)片(pian)等制(zhi)品(pin)来(lai)沉积金属或(huo)化合物(wu)薄膜从而获(huo)得光(guang)亮、美(mei)观、经济(ji)的塑料(liao)、陶(tao)瓷表(biao)面(mian)金(jin)属化(hua)制(zhi)品。装(zhuang)饰、灯具(ju)、家(jia)具、玩具、工(gong)艺美(mei)术、装(zhuang)璜等生(sheng)活(huo)领(ling)域(yu)的(de)制(zhi)膜技(ji)术通(tong)常(chang)用磁控(kong)溅(jian)射方(fang)法(fa)，该(gai)方(fang)法(fa)还应用(yong)于军事(shi)保(bao)护膜、光学产(chan)品、磁(ci)记录(lu)介(jie)质(zhi)、电路印制板、防潮增透膜(mo)、耐(nai)磨(mo)膜、防锈(xiu)抗蚀等(deng)工(gong)业领(ling)域。

磁控(kong)溅射(she)不(bu)仅(jin)应(ying)用(yong)于科(ke)研及工(gong)业领(ling)域，已(yi)延伸到(dao)许(xu)多日常生活用(yong)品，主要应用(yong)在(zai)化学气相沉积(ji)制膜(mo)困(kun)难(nan)的薄(bao)膜(mo)制备。磁控(kong)溅射(she)技(ji)术在(zai)制备电(dian)子封装及(ji)光学(xue)薄(bao)膜(mo)方(fang)面(mian)已有(you)多(duo)年(nian)，特别是先(xian)进的(de)中(zhong)频非平衡(heng)磁控(kong)溅(jian)射技(ji)术也已在光(guang)学(xue)薄膜、透(tou)明导(dao)电(dian)玻(bo)璃(li)等方面得到应(ying)用。透(tou)明(ming)导(dao)电玻璃目(mu)前应(ying)用(yong)广泛(fan)，如(ru)电(dian)视电脑(nao)平(ping)板显(xian)示(shi)器件、电(dian)磁(ci)微波与射(she)频屏(ping)蔽(bi)装置及(ji)器件、太(tai)阳能(neng)电(dian)池(chi)等(deng)。另(ling)外(wai)，在光学(xue)存(cun)储领域中磁控溅射镀膜(mo)技(ji)术也发(fa)挥(hui)着(zhe)很(hen)大的作用(yong)。再者，该(gai)制膜技(ji)术在(zai)表(biao)面功能(neng)薄(bao)膜(mo)、自(zi)润(run)滑薄(bao)膜、超(chao)硬(ying)薄膜等方(fang)面(mian)的(de)应用(yong)也(ye)很广(guang)泛。

除(chu)上(shang)述已被大量应(ying)用(yong)的领(ling)域外(wai)，磁(ci)控溅(jian)射(she)镀膜(mo)技术还在(zai)高(gao)温、超导(dao)薄膜、巨(ju)磁阻薄膜、铁(tie)电(dian)体薄膜(mo)、发(fa)光(guang)薄膜(mo)、形状记忆合金薄膜(mo)、太(tai)阳能电池等研究方面(mian)发挥(hui)着重要(yao)作用。

4、结论(lun)

磁控(kong)溅射(she)镀(du)膜(mo)技术(shu)由(you)于其(qi)显著(zhu)的(de)优(you)点已经(jing)成(cheng)为(wei)制备(bei)薄(bao)膜(mo)的(de)主要(yao)技(ji)术之(zhi)一(yi)。非(fei)平(ping)衡(heng)磁(ci)控(kong)溅射改善(shan)了等离子体区域(yu)的分(fen)布，显(xian)著(zhu)提高(gao)了薄膜的(de)质(zhi)量。中(zhong)频溅射镀膜技术的发展有效(xiao)克服了反应(ying)溅(jian)射(she)过(guo)程中出(chu)现(xian)的(de)打(da)弧(hu)现象，减少(shao)了(le)薄(bao)膜的结(jie)构缺(que)陷，明显(xian)提高(gao)了(le)薄(bao)膜的(de)沉积(ji)速(su)率(lv)。高速(su)溅射、高(gao)能脉冲(chong)磁控溅(jian)射(she)镀(du)膜(mo)技术(shu)为溅(jian)射镀膜(mo)开辟了崭新的研(yan)究领(ling)域。在未(wei)来(lai)的(de)研(yan)究中，新溅射技术向(xiang)生(sheng)活领(ling)域(yu)的(de)推(tui)广(guang)、磁控溅射镀(du)膜(mo)技术与(yu)计算机的(de)结(jie)合都将(jiang)成(cheng)为研究热(re)点，利(li)用(yong)计(ji)算(suan)机(ji)模(mo)拟镀(du)膜(mo)时的(de)磁(ci)场(chang)、电(dian)场(chang)、温(wen)度场、以及等离(li)子体的分布(bu)，必(bi)将(jiang)能给(gei)溅射(she)镀膜(mo)技术(shu)的发(fa)展提供巨(ju)大的扩(kuo)展空间(jian)，推动(dong)磁(ci)控溅(jian)射(she)镀膜(mo)技术(shu)向(xiang)工(gong)业(ye)及生(sheng)活领域转化(hua)。

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