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0510-88276101磁控濺射鍍膜技術的發(fā)展及應用
發(fā)布時間：2018-11-02瀏覽次數：載入中...
近年來，隨著新材料的開發(fā)，尤其是薄膜材料的發(fā)展和應用，帶動控濺射沉積技術的飛速發(fā)展，在科學研究領域和工業(yè)生產中有著不可替代的重要作用。本文主要介紹了控濺射沉積鍍膜技術的工藝過程及其發(fā)展情況，各種主要磁控濺射鍍術的特點，并介紹磁控濺射技術在各個領域的主要應用。
濺射鍍膜過程主要是將欲沉積成薄膜的材料制成靶材，固定在濺射沉積系統(tǒng)的陰極上，待沉積薄膜的基片放在正對靶面的陽極上。濺射系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣等，在陰極和陽極之間加載高壓，陰陽極之間會產生低壓輝光放電。放電產生的等離子體中，氬氣正離子在電場作用下向陰極移動，與靶材表面碰撞，受碰撞而從靶材表面濺射出的靶材原子稱為濺射原子，濺射原子的能量一般在一至幾十電子伏范圍，濺射原子在基片表面沉積而后成膜。濺射鍍膜就是利用低氣壓輝光放電產生的氬氣正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶材，把靶材中的原子或分子等粒子濺射出而沉積到基片或者工件表面，形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過程中濺射出的粒子的能量很低，導致成膜速率不高。
磁控濺射技術是為了提高成膜速率在濺射鍍膜基礎上發(fā)展起來的，在靶材表面建立與電場正交的磁場，氬氣電離率從 0.3％一0.5％提高到了5％一6％，這樣就解決了濺射鍍膜沉積速率低的問題，是目前工業(yè)上精密鍍膜的主要方法之一?？芍苽涑纱趴貫R射陰極靶材的原料很廣，兒乎所有金屬、合金以及陶瓷材料都可以制備成靶材。磁控濺射鍍膜在相互垂直的磁場和電場的雙重作用下，沉積速度快，膜層致密且與基片附著性好，非常適合于大批量且高效率的工業(yè)化生產。
1. 磁控濺射的工藝流程
在磁控濺射過程中，具體工藝過程對薄膜性能影響很大，主要工藝流程如下：
（l）基片清洗，主要是用異丙醇蒸汽清洗，隨后用乙醇等浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；
（2）抽真空，真空須控制在2 × 104 Pa以上，以保證薄膜的純度；
（3）加熱，為了除去基片表面水分，提高膜與基片的結合力，需要對基片進行加熱，溫度一般選擇在150 ℃~200 ℃之間；
（4）氬氣分壓，一般選擇在0.01一lPa范圍內，以滿足輝光放電的氣壓條件；
（5）預濺射，預濺射是通過離子轟擊以除去靶材表面氧化膜，以免影響薄膜質量；
（6）濺射，氬氣電離后形成的正離子在正交的磁場和電場的作用下，高速轟擊靶材，使濺射出的靶材粒子到達基片表面沉積成膜；
（7）退火，薄膜與基片的熱膨脹系數有差異，結合力小，退火時薄膜與基片原子相互擴散可以有效提高粘著力。
2. 磁控濺射鍍膜技術的發(fā)展
近年來磁控濺射技術發(fā)展非常迅速，代表性方法有平衡平衡磁控濺射、反應磁控濺射、中頻磁控濺射及高能脈沖磁控濺射等等。
平衡磁控濺射：即較傳統(tǒng)的磁控濺射技術，將永磁體或電磁線圈放到在靶材背后，在靶材表面會形成與電場方向垂直的磁場。在高壓作用下氬氣電離成等離子體，Ar+離子經電場加速轟擊陰極靶材，靶材二次電子被濺射出，且電子在相互垂直的電場及磁場作用下，被束縛在陰極靶材表面附近，增加了電子與氣體碰撞的幾率，即增加了氬氣電離率，使氬氣在低氣體下也可維持放電，因而磁控濺射既降低了濺射氣體壓力，同時也提高了濺射效率及沉積速率。但傳統(tǒng)磁控濺射有一些缺點，比如：低氣壓放電產生的電子和濺射出的靶材二次電子都被束縛在靶面附近大約60 mm的區(qū)域內，這樣工件只能被安·放在靶表面50一100 mm的范圍內。這樣小的鍍膜區(qū)間限制了待鍍工件的尺寸，較大的工件或裝爐量不適合傳統(tǒng)方法。
反應磁控濺射：隨著表面工程技術的發(fā)展，越來越多地用到各種化合物薄膜材料?？梢灾苯邮褂没衔锊牧现谱鞯陌胁耐ㄟ^濺射來制備化合物薄膜，也可在濺射金屬或合金靶材時，通人一定的反應氣體，通過發(fā)生化學反應制備化合物薄膜，后者被稱為反應磁控濺射。一般來說純金屬作為靶材和氣體反應較容易得到高質量的化合物薄膜，因而大多數化合物薄膜是用純金屬為靶材的反應濺磁控射來制備的。
中頻磁控濺射：這種鍍膜方法是將磁控濺射電源由傳統(tǒng)的直流改為中頻交流電源。在濺射過程中，當系統(tǒng)所加電壓處在交流電負半周期時，靶材被正離子轟擊而濺射，而處于正半周期時，靶材表面被等離子體中的電子轟擊而濺射，同時靶材表面累積的正電荷被中和，打弧現(xiàn)象得到抑制。中頻磁控濺射電源的頻率通常在10一80 kHz之間，頻率高，正離子被加速的時間就短，轟擊靶材時的能量就低，濺射沉積速率隨之下降。中頻磁控濺射系統(tǒng)一般有兩個靶，這兩個靶周期性輪流作為陰極和陽極，一方面減小了基片濺傷；另一方面也消除了打弧現(xiàn)象。
高能脈沖磁控濺射：自瑞典科學家首先采用高能脈沖作為磁控濺射的供電模式并沉積了Cu薄膜后，HPPMS自以其較高的金屬離化率在近幾年受到關注，高能脈沖磁控濺射技術是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術，由于脈沖作用時間短，其平均功率不高，這樣陰極不會因過熱而增加靶冷卻的要求。它的峰值功率是普通磁控濺射的100倍，約為1000- 3000 W/cm2，等離子體密度可以高達1018 m-3數量級，濺射材料離化率極高，濺射Cu靶可達70%，且這個高度離子化的束流不含大顆粒，生成的薄膜致密，性能優(yōu)異。
3. 磁控濺射鍍膜技術的應用
磁控濺射鍍膜技術主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品來沉積金屬或化合物薄膜從而獲得光亮、美觀、經濟的塑料、陶瓷表面金屬化制品。裝飾、燈具、家具、玩具、工藝美術、裝璜等生活領域的制膜技術通常用磁控濺射方法，該方法還應用于光學產品、磁記錄介質、電路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防銹抗蝕等工業(yè)領域。
磁控濺射不僅應用于科研及工業(yè)領域，已延伸到許多日常生活用品，主要應用在化學氣相沉積制膜困難的薄膜制備。磁控濺射技術在制備電子封裝及光學薄膜方面已有多年，特別是先進的中頻非平衡磁控濺射技術也已在光學薄膜、透明導電玻璃等方面得到應用。透明導電玻璃目前應用普遍，如電視電腦平板顯示器件、電磁微波與射頻屏蔽裝置及器件、太陽能電池等。另外，在光學存儲領域中磁控濺射鍍膜技術也發(fā)揮著很大的作用。再者，該制膜技術在表面功能薄膜、自潤滑薄膜、超硬薄膜等方面的應用也很普遍。
除上述已被大量應用的領域外，磁控濺射鍍膜技術還在高溫、超導薄膜、巨磁阻薄膜、鐵電體薄膜、發(fā)光薄膜、形狀記憶合金薄膜、太陽能電池等研究方面發(fā)揮著重要作用。
4. 結論
磁控濺射鍍膜技術由于其明顯的優(yōu)點已經成為制備薄膜的主要技術之一。非平衡磁控濺射改善了等離子體區(qū)域的分布，有效提高了薄膜的質量。中頻濺射鍍膜技術的發(fā)展有效克服了反應濺射過程中出現(xiàn)的打弧現(xiàn)象，減少了薄膜的結構缺陷，明顯提高了薄膜的沉積速率。高速濺射、高能脈沖磁控濺射鍍膜技術為濺射鍍膜開辟了嶄新的研究領域。在未來的研究中，新濺射技術向生活領域的推廣、磁控濺射鍍膜技術與計算機的結合都將成為研究熱點，利用計算機模擬鍍膜時的磁場、電場、溫度場、以及等離子體的分布，必將能給濺射鍍膜技術的發(fā)展提供巨大的擴展空間，推動磁控濺射鍍膜技術向工業(yè)及生活領域轉化。
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濺射鍍膜過程主要是將欲沉積成薄膜的材料制成靶材，固定在濺射沉積系統(tǒng)的陰極上，待沉積薄膜的基片放在正對靶面的陽極上。濺射系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣等，在陰極和陽極之間加載高壓，陰陽極之間會產生低壓輝光放電。放電產生的等離子體中，氬氣正離子在電場作用下向陰極移動，與靶材表面碰撞，受碰撞而從靶材表面濺射出的靶材原子稱為濺射原子，濺射原子的能量一般在一至幾十電子伏范圍，濺射原子在基片表面沉積而后成膜。濺射鍍膜就是利用低氣壓輝光放電產生的氬氣正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶材，把靶材中的原子或分子等粒子濺射出而沉積到基片或者工件表面，形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過程中濺射出的粒子的能量很低，導致成膜速率不高。
磁控濺射技術是為了提高成膜速率在濺射鍍膜基礎上發(fā)展起來的，在靶材表面建立與電場正交的磁場，氬氣電離率從 0.3％一0.5％提高到了5％一6％，這樣就解決了濺射鍍膜沉積速率低的問題，是目前工業(yè)上精密鍍膜的主要方法之一?？芍苽涑纱趴貫R射陰極靶材的原料很廣，兒乎所有金屬、合金以及陶瓷材料都可以制備成靶材。磁控濺射鍍膜在相互垂直的磁場和電場的雙重作用下，沉積速度快，膜層致密且與基片附著性好，非常適合于大批量且高效率的工業(yè)化生產。
1. 磁控濺射的工藝流程
在磁控濺射過程中，具體工藝過程對薄膜性能影響很大，主要工藝流程如下：
（l）基片清洗，主要是用異丙醇蒸汽清洗，隨后用乙醇等浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；
（2）抽真空，真空須控制在2 × 104 Pa以上，以保證薄膜的純度；
（3）加熱，為了除去基片表面水分，提高膜與基片的結合力，需要對基片進行加熱，溫度一般選擇在150 ℃~200 ℃之間；
（4）氬氣分壓，一般選擇在0.01一lPa范圍內，以滿足輝光放電的氣壓條件；
（5）預濺射，預濺射是通過離子轟擊以除去靶材表面氧化膜，以免影響薄膜質量；
（6）濺射，氬氣電離后形成的正離子在正交的磁場和電場的作用下，高速轟擊靶材，使濺射出的靶材粒子到達基片表面沉積成膜；
（7）退火，薄膜與基片的熱膨脹系數有差異，結合力小，退火時薄膜與基片原子相互擴散可以有效提高粘著力。
2. 磁控濺射鍍膜技術的發(fā)展
近年來磁控濺射技術發(fā)展非常迅速，代表性方法有平衡平衡磁控濺射、反應磁控濺射、中頻磁控濺射及高能脈沖磁控濺射等等。
平衡磁控濺射：即較傳統(tǒng)的磁控濺射技術，將永磁體或電磁線圈放到在靶材背后，在靶材表面會形成與電場方向垂直的磁場。在高壓作用下氬氣電離成等離子體，Ar+離子經電場加速轟擊陰極靶材，靶材二次電子被濺射出，且電子在相互垂直的電場及磁場作用下，被束縛在陰極靶材表面附近，增加了電子與氣體碰撞的幾率，即增加了氬氣電離率，使氬氣在低氣體下也可維持放電，因而磁控濺射既降低了濺射氣體壓力，同時也提高了濺射效率及沉積速率。但傳統(tǒng)磁控濺射有一些缺點，比如：低氣壓放電產生的電子和濺射出的靶材二次電子都被束縛在靶面附近大約60 mm的區(qū)域內，這樣工件只能被安·放在靶表面50一100 mm的范圍內。這樣小的鍍膜區(qū)間限制了待鍍工件的尺寸，較大的工件或裝爐量不適合傳統(tǒng)方法。
反應磁控濺射：隨著表面工程技術的發(fā)展，越來越多地用到各種化合物薄膜材料?？梢灾苯邮褂没衔锊牧现谱鞯陌胁耐ㄟ^濺射來制備化合物薄膜，也可在濺射金屬或合金靶材時，通人一定的反應氣體，通過發(fā)生化學反應制備化合物薄膜，后者被稱為反應磁控濺射。一般來說純金屬作為靶材和氣體反應較容易得到高質量的化合物薄膜，因而大多數化合物薄膜是用純金屬為靶材的反應濺磁控射來制備的。
中頻磁控濺射：這種鍍膜方法是將磁控濺射電源由傳統(tǒng)的直流改為中頻交流電源。在濺射過程中，當系統(tǒng)所加電壓處在交流電負半周期時，靶材被正離子轟擊而濺射，而處于正半周期時，靶材表面被等離子體中的電子轟擊而濺射，同時靶材表面累積的正電荷被中和，打弧現(xiàn)象得到抑制。中頻磁控濺射電源的頻率通常在10一80 kHz之間，頻率高，正離子被加速的時間就短，轟擊靶材時的能量就低，濺射沉積速率隨之下降。中頻磁控濺射系統(tǒng)一般有兩個靶，這兩個靶周期性輪流作為陰極和陽極，一方面減小了基片濺傷；另一方面也消除了打弧現(xiàn)象。
高能脈沖磁控濺射：自瑞典科學家首先采用高能脈沖作為磁控濺射的供電模式并沉積了Cu薄膜后，HPPMS自以其較高的金屬離化率在近幾年受到關注，高能脈沖磁控濺射技術是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術，由于脈沖作用時間短，其平均功率不高，這樣陰極不會因過熱而增加靶冷卻的要求。它的峰值功率是普通磁控濺射的100倍，約為1000- 3000 W/cm2，等離子體密度可以高達1018 m-3數量級，濺射材料離化率極高，濺射Cu靶可達70%，且這個高度離子化的束流不含大顆粒，生成的薄膜致密，性能優(yōu)異。
3. 磁控濺射鍍膜技術的應用
磁控濺射鍍膜技術主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品來沉積金屬或化合物薄膜從而獲得光亮、美觀、經濟的塑料、陶瓷表面金屬化制品。裝飾、燈具、家具、玩具、工藝美術、裝璜等生活領域的制膜技術通常用磁控濺射方法，該方法還應用于光學產品、磁記錄介質、電路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防銹抗蝕等工業(yè)領域。
磁控濺射不僅應用于科研及工業(yè)領域，已延伸到許多日常生活用品，主要應用在化學氣相沉積制膜困難的薄膜制備。磁控濺射技術在制備電子封裝及光學薄膜方面已有多年，特別是先進的中頻非平衡磁控濺射技術也已在光學薄膜、透明導電玻璃等方面得到應用。透明導電玻璃目前應用普遍，如電視電腦平板顯示器件、電磁微波與射頻屏蔽裝置及器件、太陽能電池等。另外，在光學存儲領域中磁控濺射鍍膜技術也發(fā)揮著很大的作用。再者，該制膜技術在表面功能薄膜、自潤滑薄膜、超硬薄膜等方面的應用也很普遍。
除上述已被大量應用的領域外，磁控濺射鍍膜技術還在高溫、超導薄膜、巨磁阻薄膜、鐵電體薄膜、發(fā)光薄膜、形狀記憶合金薄膜、太陽能電池等研究方面發(fā)揮著重要作用。
4. 結論
磁控濺射鍍膜技術由于其明顯的優(yōu)點已經成為制備薄膜的主要技術之一。非平衡磁控濺射改善了等離子體區(qū)域的分布，有效提高了薄膜的質量。中頻濺射鍍膜技術的發(fā)展有效克服了反應濺射過程中出現(xiàn)的打弧現(xiàn)象，減少了薄膜的結構缺陷，明顯提高了薄膜的沉積速率。高速濺射、高能脈沖磁控濺射鍍膜技術為濺射鍍膜開辟了嶄新的研究領域。在未來的研究中，新濺射技術向生活領域的推廣、磁控濺射鍍膜技術與計算機的結合都將成為研究熱點，利用計算機模擬鍍膜時的磁場、電場、溫度場、以及等離子體的分布，必將能給濺射鍍膜技術的發(fā)展提供巨大的擴展空間，推動磁控濺射鍍膜技術向工業(yè)及生活領域轉化。
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