磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展郭聪（黄石理工学院机电工程学院黄石 435000）摘要：磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。

探讨了磁控溅射技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步，说明利用新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等，并进一步取代电镀等传统表面处理技术。

阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。

关键词：非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射薄膜制备工艺应用中图分类号：O484.10 前言薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。

薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、锗、绝缘体玻璃、陶瓷等。

从导电性考虑，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料；从化学组成来考虑，可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。

制备薄膜的方法有很多，归纳起来有如下几种：1）气相方法制模，包括化学气相淀积（CVD）,如热、光或等离子体CVD和物理气相淀积（PVD），如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等；2）液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等；3）其他方法制膜，包括喷涂、涂覆、压延、印刷、挤出等。

[1]而在溅射镀膜的发展过程中，新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等。

辉光等离子体溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下，靶材原子从靶材溅射出来，然后在衬底上凝聚形成薄膜；在此过程中靶材表面同时发射二次电子，这些电子在保持等离子体稳定存在方面具有关键作用。

溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段，最初，只是简单的二极、三极放电溅射沉积；经过30多年的发展，磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐蚀、装饰以及光学、电学等功能性薄膜的一种不可替代的方法，脉冲磁控溅射技术是该领域的另一项重大进展。

利用直流反应溅射沉积致密、无缺陷绝缘薄膜尤其是陶瓷薄膜几乎难以实现，原因在于沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变。

利用脉冲磁控溅射技术可以克服这些缺点，脉冲频率为中频10~200kHz，可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺，实现高速沉积高质量反应薄膜。

1 基本原理磁控溅射(Magnetlon Sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。

磁控溅射镀膜采用在靶材表面设置一个平行于靶表面的横向磁场，磁场由置于靶内的磁体产生。

在真空室中，基材端接阳极极，靶材端接阴极，阴极靶的下面即放置着一个强力磁铁。

溅射时持续通入氩气，使之作为气体放电的载体(溅射气体)，同时通入氧气，作为与被溅射出来的锌原子发生反应的反应气体。

在真空室内，电子e在电场E的作用下，在加速飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子(二次电子)e。

Ar+计在电场作用下加速飞向阴极靶，以高能量轰击Zn靶表面使其发生溅射，溅射出来的锌原子吸收Ar离子的动能而脱离原晶格束缚，飞往基材方向，途中与O2发生反应并释放部分能量，最后反应产物继续飞行最终沉积在基材表面。

我们需要通过不断的实验调整工艺参数，从而使得溅射出来的历原子能与O2充分反应，制得纯度较高的薄膜。

另一方面，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作回旋运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基材、真空室内壁等处。

这一合理设计不仅提高了电子对氩气的电离几率，有效的利用了电子的能量，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，而且避免了高能电子对基材的强烈轰击，消除了溅射时的基材被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，体现了磁控溅射中基材“低温”的特点。

同时，由于外加磁场的存在，实现了高速溅射。

因此，磁控溅射有低温、高速两大特点。

[2-5]2 磁控溅射的特点磁控溅射技术得以广泛的应用，是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。

其特点可归纳为：①可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物等物质，尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜；②在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜；⑨在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；④控制真空室中的气压、溅射功率，基本上可获得稳定的沉积速率，通过精确地控制溅射镀膜时间，容易获得均匀的高精度的膜厚，且重复性好；⑤溅射粒子几乎不受重力影响，靶材与基片位置可自由安排；基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上，且由于溅射粒子带有高能量，在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜，同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜；⑥薄膜形成初期成核密度高，故可生产厚度lOnm以下的极薄连续膜。

以上是磁控溅射的一些优点，但是磁控溅射也存在一些需要进一步改善的问题。

其中一个主要的问题是靶材的利用率有待提高。

由丁靶源磁场磁力线分布早圆周形状，在靶表面的一个环形区域内，靶材被消蚀成一个深的沟，这种靶材的非均匀消耗，造成靶材的利用率较低。

实际应刚中，圆形的平面阴极靶，靶材的利用率通常小于50％。

通过磁场的优化设计可提高靶材的利刚率。

特定的条件下，一些厂商磁控管的靶材利用率可以超过70％。

另外，旋转靶材的利用率较高，一般可达到70％~80％以上。

[6]3 磁控溅射制备ZnO功能性薄膜3.1 实验设备简介实验所用设备是JZCK-420B型高真空多功能磁控溅射设备，配有射频和直流电源。

沉积时真空室内的温度为室温，为控制沉积过程中真空室内的温度尤其是基材的温度，采用两路水循环冷却装置冷却基材、靶材和分子泵等，以避免冈高温而引起基材的变形和溅射出的颗粒的扩散运动。

同时基材在上、靶材在下的设计合理地避免杂质、颗粒落到基材表面，提高生成的膜的质量。

而且靶材与基片间距离沿轴向在线动态连续可调，有利于工艺调节和控制。

3．2 等离子处理基材由于后期实验需要，我们对经清洗后的部分样品进行了等离子处理。

所用设备为HD-1A冷等离子体处理仅，是采用电容式耦合辉光放电产生冷等离子体对材料表面进行改性的仪器。

设备主要由真空反应室、真空系统、充气系统、放电系统和射频电源等组成。

冷等离子体简介：利用放电技术使气体电离产生冷等离子体，冷等离子体中含有大量的电子、离子、激发态原子和分子及自由基等活性粒子，这些活性粒子在材料(金属、半导体、高分子材料)表面引起刻蚀、氧化、还原、裂解、交联和聚合等物理、化学反应，对材料表面进行改性．在不损伤基体的前提下，赋予材料表面新的性能，如吸水性(或疏水性)、耐磨性、粘接性、抗静电性等等．这种技术尤其适用于天然高分子材料(棉、毛、丝、麻)和合成高分子材料(化纤、塑料、合成橡胶等)，使其表面获得优化，因而在材料、化工、电子、印刷、纺织、生物技术等领域有广泛的应用。

本实验就是利用冷等离子体对材料表面具有刻蚀性能，希望通过等离子体处理增加原样表面的粗糙度。

结合系列实验得出的较好的制备ZnO薄膜的工艺参数，在等离子体处理后的基材上镀膜，从而得到更好薄膜和基材结合牢度，与未经等离子体处理的情况形成比较。

3．3 薄膜制备方法的选择尝试了射频源和直流源两种方式、在真空腔内通过Zn与02反应来制备薄膜，最终决定选择直流源，主要原因：①创新性尝试：查阅很多关于氧化锌磁控溅射镀层的资料，发现选用直流反应溅射镀层的非常少，再加上我们选用纺织材料这种柔性衬底作为基材，两者综合就是比较新的。

②效率考虑：射频溅射虽然比直流溅射在膜均匀性上有优势，但沉积速率过慢，使得制各的效率大大下降，在现实中不利于生产化推广。

而对于直流溅射的均匀性我们可以通过调节工艺参数提高。

③直流反应磁控溅射具有沉积速率高，反应衬底温度低，能有效地抑制同相扩散，薄膜与衬底之间界面陡峭结合牢固等优点。

在实验过程中确实感受到了如上所说的一些优点。

基于以上原因，最后使用直流源进行一系列实验。

直流电源是为磁控溅射靶配套设计的，具有功率大、控制精度高等优点的同时还具有以下其他电源所不具备的功能：恒流输出功能，对负载的适应能力强，控制精度高、抗短路；过流、空载禁止输出及超压保护三重功能，对电源及负载能起到有效的保护。

直流源一些重要的技术指标：最大输出功率1000W；输入电压AC220V±10％；最大输出电压DC700V：最大输出电流DCl．5A。

[7]4 磁控溅射新技术3.1 非平衡磁控溅射（UBMS）近年发展起来的非平衡磁控溅射技术是为了获得密度较高(>2mA／㎝²)而能量又较低(<100eV)的离子流，这样有利于提高膜层质量和减小膜层的内应力(离子轰击法生成薄膜的内应力较大)。

在非平衡磁控溅射技术中，外围磁场的强度大于中心的磁场强度，这样，磁铁中并非所有的磁力线都经中心点形成回路，而是有一部分磁力线指向基底。

这样，就有一部分电子可以沿磁力线运动至基底，等离子体不再被紧紧约束在靶表面，而另一部分在电子负电位的带动下流向基底，同时也在没有偏压的情况下实现了等离子体中离子流的引出。

为了更进一步提高膜层的均匀性，也可采用多源非平衡磁控溅射技术。

此外。

利用这种多源非平衡磁控溅射技术可以制备多层膜和合金膜，且成膜速率比传统的磁控溅射技术高2～3倍。

Kelly采用非平衡磁控溅射技术，应用中频电源(20～30kHz)制备Al2O3。

薄膜时发现不仅提高了沉积速率，还增强了系统的稳定性。

图2是非平衡磁控溅射技术的示意图。

图1 双靶非平衡磁控溅射示意图3.2 脉冲磁控溅射技术（PMS）脉冲磁控溅射技术在制备绝缘薄膜和各种氧化物、氮化物薄膜方面性能优越。

虽然这些薄膜可以用反应性磁控溅射技术制备，也可利用射频磁控溅射技术制备，但射频磁控溅射法的沉积速率较低，而且反应性磁控溅射技术容易发生异常放电和“微液滴溅射”现象，影响膜层的成分、性能以及系统的稳定性。

实验发现，采用中频(10～200kHz)的脉冲磁控溅射技术可以有效克服以上问题。

特别是用复合靶制备合金膜、混合膜时，可以通过调节脉冲功率源的脉冲占空比调节薄膜的组分。

实验发现，用直流磁控溅射法制备的氧化铝薄膜在550nm处的透过率只有45%，而利用脉冲磁控溅射技术制备时，其在550nm处的透过率大于97%。

硅单晶薄膜和TiO2光学薄膜同样可以用脉冲磁控溅射技术制备。

[8]5 新型磁控溅射镀膜工艺从一般的金属靶材溅射、反应溅射、偏压溅射等，伴随着工业需求及新型磁控溅射技术的出现，低压溅射、高速沉积、自支撑溅射沉积、多重表面工程以及脉冲溅射等新型工艺成为目前该领域的发展趋势。