《磁控溅射制备薄膜研究发展》

1、磁控溅射制备薄膜材料的研究及其发展 1. 摘要这篇文章简单的介绍了磁控溅射原理还有制备薄膜的应用举例，简述沉积工艺参数对薄膜附着能力的影响！通过回顾历史发展中各个关键的发现以及技术的更新改进，并根据现有的研究总结对未来展望一下。关键词：磁控溅射 应用 沉积工艺 历史 总结 展望2. 前言溅射技术是物理气相沉积(pvd)的一种，作为薄膜材料制备的重要方法之一。此项技术是利用了带电荷的粒子在电场中加速后具备一定动能，将离子引向想要溅射的物质材料做成的阴极靶电极，使靶材原子溅射出来让其沿着一定的方向运动到衬底并最后沉积于衬底之上形成成膜的方法。而磁控溅射是指把磁控原理与一般溅射技术结合起来利用控制磁

2、场的特殊分布进而控制电场中的电子运动，这样就改进了溅射的工艺。如今，磁控溅射技术已经是沉积耐磨、装饰、耐腐蚀、光学等等其他各种各样功能薄膜的重要制作方法！ 格洛夫 (Grove)在1852年研究发现阴极溅射的现象 ，溅射技术的发展由此开始。在上世纪30年代开始采用磁控溅射沉积技术制取薄膜，不过采蒸镀的方式制取薄膜在上世纪70年代中期以前，要比采用磁控溅射方法运用的更多。主要是溅射技术在那时初步发展，它的溅射的沉积率比较低，而且溅射的压强高。溅射同时发展的蒸镀技术其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术生产销售处于不利位置。美国贝尔实验室和西屋电气公司于1963年采用长度为10米的连续

3、溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由JChapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射有了实质的应用，磁控溅射也更好的发展起来了 。3.原理磁控溅射的工作原理：电子在电场加速E的作用下，使之飞向基片时与氩原子接触碰撞，并使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并具备高能量去撞击靶表面，导致靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就

4、以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。4.磁控溅射的发展历程：首先来说溅射沉积是在真空环境下

5、，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面逐渐生长成薄膜。溅射沉积技术的发展中下面几个算得上是重点总结一下啦。1）二级溅射：二级溅射是所有溅射沉积技术的基础，它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究，由于这种方法缺点气压过高基底温升高和沉积速率低限制它的广泛应用。2）传统磁控溅射（也叫平衡磁控溅射）：平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点，使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点，它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密，使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀

6、膜。3）非平衡磁控溅射：B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”，它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷，适用于大面积镀膜。并且在上世纪90年代前期，在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统（CFUBMS），采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束，使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。4）脉冲磁控溅射：由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜（尤其是氧化物薄膜）时，经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来，随着脉冲中频

7、电源的研发成功，使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶；利用中频电源，采用中频对靶或者孪生靶，进行中频磁控溅射，有效地解决了靶中毒严重的现象，特别是在溅射绝缘材料的靶时，克服了溅射过程中，阳极消失的现象。5）磁控溅射技术新型应用：磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上，再根据应用的需要，对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。5.沉积工艺参数对薄膜附着能力的影响附着性能是制约溅射薄膜使用性能及工作可靠性的关键因素。随着磁控溅射技术的不断发展和完善，薄膜的附着性能有了较大的改善。具体到各种薄膜/基体的使用性能，溅射过程的工

8、艺条件起了重要的作用，工艺条件已成为影响薄膜/基体附着性能的主要因素。1)溅射功率在一定的条件下，溅射功率的增加，会使放电载体如氩气的电离度提高，增加离子的密度，提高溅射速率，并使溅射出来的离子具有较高的能量，从而提高薄膜/基体的附着力及薄膜的致密度。相反，溅射功率太低，离子密度小，沉积速度慢，且离子能量低，得到的薄膜结构疏松，膜层附着力差。但是并不是溅射功率越大越有利于薄膜沉积。溅射功率过高会使溅射离子动能大大增加，过高的离子能量会产生较大的基底热效应，还会对薄膜造成损伤，薄膜质量下降。这是因为溅射功率较大时，电离得到的离子具有很高的能量，离子打入靶材的深度增加，能量损失增加，使被溅射原子的

9、逸出难度增加，靶材原子不易逸出，使沉积速率降低。同时，由于溅射功率的增加，使溅射时产生的二次电子增多，对基体会产生一定的加热作用，使基体上沉积的CN 基团挥发，也会降低沉积速率。2）基体表面温度 提高基体温度有利于薄膜和基体间原子的相互扩散，而且会加速化学反应，从而有利于形成扩散结合和化学键附着，使附着力增加。当基体温度较低时，形成膜的原子活性受到限制，形核密度较低，在界面处容易产生孔隙，形成不完全致密的薄膜；而随着基体温度升高，基体表面活性增强，形核密度变大，沉积速率增加，界面孔隙减少，薄膜/基体界面结合较强，附着性变好。但基体温度过高会使薄膜晶粒粗大，薄膜中热应力增大，薄膜开裂及剥落倾向变

10、大，从而降低薄膜的质量及使用性能。因此要综合考虑基体温度的影响，针对不同的薄膜/基体选择合适的基体温度，得到较好附着性能的薄膜。3)溅射气体纯度及压力的影响以常用的 Ar 气为例。Ar 气被电离成Ar 离子轰击阴极靶材表面，但仍有一部分Ar 离子混入溅射出的靶原子，沉积到基体表面。因此，如果Ar 气中杂质过多，膜层中将形成很多缺陷，从而使薄膜结构疏松，降低其表面力学性能，严重影响薄膜质量。Ar 气分压大小也是影响薄膜质量的重要因素。溅射压力较小时，溅射出来的原子和气体分子的碰撞次数减少，损失的能量较小，可以提高沉积原子与基体的扩散能力，从而提高薄膜的致密度和附着性；如果溅射气体的压力太小，则溅

11、射靶材原子数目较少，薄膜沉积速率降低，且不能起辉或起辉不足。如果溅射气压过高，靶材原子与气体的碰撞次数变多，损失能量太大，造成沉积基体的靶材原子能量太低，影响膜层的致密性和附着力。4)靶材的影响靶材作为一种具有特殊用途的材料,具有很强的应用目的和明确的应用背景。脱离开溅射工艺和薄膜性能来单纯地研究靶材本身的性能没有意义。而根据薄膜的性能要求,研究靶材的组成、结构、制备工艺、性能,以及靶材的组成、结构、性能与溅射薄膜性能之间的关系,既有利于获得满足应用需要的薄膜性能,又有利于更好地使用靶材,充分发挥其作用,促进薄膜技术应用的发展。靶材的工艺指标主要包括纯度和结构均匀性。6.制膜应用磁控溅射目前是

12、一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。 1）在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。 2）磁控溅射技术在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面也得到应用。在透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂Z

13、nO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可见光范围内平均光透过率在90%以上。 3）在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术制作表面功能膜、超硬膜,自润滑薄膜,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。 4）制备固体润滑膜 固体润滑膜MoS2薄膜已成功应用于真空工业设备、原子能设备以及航空航天领域，对于工作在高温环境的机械设备也是毕不可少的。虽然MoS2 可用化学反应镀膜法制备，但溅射镀膜发得到MoS2 薄膜

14、致密性好，膜基附着力大，添加Au(5wt%)的MoS2膜，其致密性和附着性更好，摩擦系数更小。 6.发展薄膜与基体间的附着性能是制约磁控溅射薄膜使用的关键因素。改善基体表面状态、优化工艺参数并合理匹配薄膜/基体等都是得到较好附着性能薄膜的有效途径。通过设置成分或结构渐变的过渡层也是改善薄膜/基体附着性和力学性能的有效方法。实际镀膜的过程中，根据具体匹配的基体/薄膜，通过试验找出适宜的工艺条件并得到较好质量的薄膜。另外，平衡磁控溅射是磁控溅射技术的一个重要发明，但其不利于大面积镀膜的缺点使其难以在工业上大范围的推广。1985年非平衡磁控溅射理论的出现解决了这一难题。非平衡磁控溅射的特性就是通过磁控溅射阴极的内、外两个磁极的磁通量不相等，利用其阴极的磁场大量向靶外发散的特性，可将等离子体扩展到远离靶面处，使基片浸没其中，这样有利于以磁控溅射为基础实现大面积离子镀。磁控溅射技术已经在我国的建材、装饰、光学、防腐蚀、工磨具强化、集成电路等领域得到比较广泛的应用，利用磁控溅射技术进行光电、光热、磁学、超导、介质