磁控濺射鍍膜技術(shù)

磁控濺射技術(shù)得以普遍的應(yīng)用,是由該技術(shù)有別于其它鍍膜方法的特點(diǎn)所決定的。其特點(diǎn)可歸納為:可制備成靶材的各種材料均可作為薄膜材料,包括各種金屬、半導(dǎo)體、鐵磁材料,以及絕緣的氧化物、陶瓷等物質(zhì),尤其適合高熔點(diǎn)和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜在適當(dāng)條件下多元靶材共濺射方式,可沉積所需組分的混合物、化合物薄膜;在濺射的放電氣中加入氧、氮或其它活性氣體,可沉積形成靶材物質(zhì)與氣體分子的化合物薄膜;控制真空室中的氣壓、濺射功率,基本上可獲得穩(wěn)定的沉積速率,通過精確地控制濺射鍍膜時(shí)間,容易獲得均勻的高精度的膜厚,且重復(fù)性好;濺射粒子幾乎不受重力影響,靶材與基片位置可自由安排;基片與膜的附著強(qiáng)度是一般蒸鍍膜的10倍以上,且由于濺射粒子帶有高能量,在成膜面會(huì)繼續(xù)表面擴(kuò)散而得到硬且致密的薄膜,同時(shí)高能量使基片只要較低的溫度即可得到結(jié)晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生產(chǎn)厚度10nm以下的極薄連續(xù)膜。
一、磁控濺射工作原理：
磁控濺射屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中，氬離子對(duì)陰極靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來后，沉積到元件表面形成所需膜層。磁控原理就是采用正交電磁場(chǎng)的特殊分布控制電場(chǎng)中的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使得電子在正交電磁場(chǎng)中變成了擺線運(yùn)動(dòng)，因而增加了與氣體分子碰撞的幾率。
 
1、濺射機(jī)理：
用高能粒子(大多數(shù)是由電場(chǎng)加速的氣體正離子)撞擊固體表面(靶)，使固體原子(分子)從表面射出的現(xiàn)象稱為濺射。濺射現(xiàn)象很早就為人們所認(rèn)識(shí)，通過前人的大量實(shí)驗(yàn)研究，我們對(duì)這一重要物理現(xiàn)象得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)濺射率隨入射離子能量的增加而增大;而在離子能量增加到一定程度時(shí)，由于離子注入效應(yīng)，濺射率將隨之減小;
(2)濺射率的大小與入射粒子的質(zhì)量有關(guān):
(3)當(dāng)入射離子的能量低于某一臨界值(閥值)時(shí)，不會(huì)發(fā)生濺射;
(4)濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量大許多倍;
(5)入射離子的能量很低時(shí)，濺射原子角分布就不完全符合余弦分布規(guī)律。角分布還與入射離子方向有關(guān)。從單晶靶濺射出來的原子趨向于集中在晶體密度較大的方向。
(6)因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小，所以即使使用具有極高能量的電子轟擊靶材也不會(huì)產(chǎn)生濺射現(xiàn)象。由于濺射是一個(gè)極為復(fù)雜的物理過程，涉及的因素很多，長期以來對(duì)于濺射機(jī)理雖然進(jìn)行了很多的研究，提出過許多的理論，但都難以完善地解釋濺射現(xiàn)象。
2、輝光放電：
輝光放電是在真空度約為一的稀薄氣體中，兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。濺射鍍膜基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，而整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)之上的，即濺射離子都來源于氣體放電。不同的濺射技術(shù)所采用的輝光放電方式有所不同，直流二極濺射利用的是直流輝光放電，磁控濺射是利用環(huán)狀磁場(chǎng)控制下的輝光放電。

如圖所示為一個(gè)直流氣體放電體系，在陰陽兩極之間由電動(dòng)勢(shì)為的直流電源提供電壓和電流，并以電阻作為限流電阻。在電路中，各參數(shù)之間應(yīng)滿足下述關(guān)系：
V=E-IR
使真空容器中Ar氣的壓力保持一定，并逐漸提高兩個(gè)電極之間的電壓。在開始時(shí)，電極之間幾乎沒有電流通過，因?yàn)檫@時(shí)氣體原子大多仍處于中性狀態(tài)，只有極少量的電離粒子在電場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，形成極為微弱的電流，即圖(b)中曲線的開始階段所示的那樣。
隨著電壓逐漸地升高，電離粒子的運(yùn)動(dòng)速度也隨之加快，即電流隨電壓上升而增加。當(dāng)這部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨電壓升高而增加。此時(shí)，電流達(dá)到了一個(gè)飽和值（對(duì)應(yīng)于圖曲線的前面垂直段）。


當(dāng)電壓繼續(xù)升高時(shí)，離子與陰極之間以及電子與氣體分子之間的碰撞變得重要起來。在碰撞趨于頻繁的同時(shí)，外電路轉(zhuǎn)移給電子與離子的能量也在逐漸增加。一方面，離子對(duì)于陰極的碰撞將使其產(chǎn)生二次電子的發(fā)射，而電子能量也增加到足夠高的水平，它們與氣體分子的碰撞開始導(dǎo)致后者發(fā)生電離，如圖(a)所示。這些過程均產(chǎn)生新的離子和電子，即碰撞過程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加。這時(shí)，隨著放電電流的迅速增加，電壓的變化卻不大。這一放電階段稱為湯生放電。
在湯生放電階段的后期，放電開始進(jìn)入電暈放電階段。這時(shí)，在電場(chǎng)強(qiáng)度較高的電極尖頭部位開始出現(xiàn)一些跳躍的電暈光斑。因此，這一階段稱為電暈放電。
在湯生放電階段之后，氣體會(huì)突然發(fā)生放電擊穿現(xiàn)象。這時(shí)，氣體開始具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，我們將這種具備了一定的導(dǎo)電能力的氣體稱為等離子體。此時(shí)，電路中的電流大幅度增加，同時(shí)放電電壓卻有所下降。這是由于這時(shí)的氣體被擊穿，因而氣體的電阻將隨著氣體電離度的增加而明顯下降，放電區(qū)由原來只集中于陰極邊緣和不規(guī)則處變成向整個(gè)電極表面擴(kuò)展。在這一階段，氣體中導(dǎo)電粒子的數(shù)目大量增加，粒子碰撞過程伴隨的能量轉(zhuǎn)移也足夠地大，因此放電氣體會(huì)發(fā)出明顯的輝光。
電流的繼續(xù)增加將使得輝光區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)放電長度上，同時(shí)，輝光的亮度不斷提高。當(dāng)輝光區(qū)域充滿了兩極之間的整個(gè)空間之后，在放電電流繼續(xù)增加的同時(shí)，放電電壓又開始上升。上述的兩個(gè)不同的輝光放電階段常被稱為正常輝光放電和異常輝光放電階段。異常輝光放電是一般薄膜濺射或其他薄膜制備方法經(jīng)常采用的放電形式，因?yàn)樗梢蕴峁┟娣e較大、分布較為均勻的等離子體，有利于實(shí)現(xiàn)大面積的均勻?yàn)R射和薄膜沉積。 
3、磁控濺射：
   平面磁控濺射靶采用靜止電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)為曲線形。其工作原理如下圖所示。電子在電場(chǎng)作用下，加速飛向基片的過程中與氫原子發(fā)生碰撞。若電子具有足夠的能量(約為30eV)。時(shí)，則電離出Ar+并產(chǎn)生電子。電子飛向基片，Ar+在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極濺射靶并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)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。二次電子e1在加速飛向基片時(shí)受磁場(chǎng)B的洛侖茲力作用，以擺線和螺旋線狀的復(fù)合形式在靶表面作圓周運(yùn)動(dòng)。該電子e1的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長，而且被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)。在該區(qū)中電離出大量的Ar+用來轟擊靶材，因此磁控濺射具有沉積速率高的特點(diǎn)。隨著碰撞次數(shù)的增加，電子e1的能量逐漸降低，同時(shí)，e1逐步遠(yuǎn)離靶面。低能電子e1將如圖中e3那樣沿著磁力線來回振蕩，待電子能量將耗盡時(shí)，在電場(chǎng)E的作用下沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳給基片的能量很小，使基片溫升較低。在磁極軸線處電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行，電子e2將直接飛向基片。但是，在磁控濺射裝置中，磁極軸線處離子密度很低，所以e2類電子很少，對(duì)基片溫升作用不大。
 
  

                     磁控濺射工作原理圖
磁控濺射的基本原理就是以磁場(chǎng)改變電子運(yùn)動(dòng)方向，束縛和延長電子的運(yùn)動(dòng)路徑，提高電子的電離概率和有效地利用了電子的能量。因此，在形成高密度等離子體的異常輝光放電中，正離子對(duì)靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，同時(shí)受正交電磁場(chǎng)的束縛的電子只能在其能量將要耗盡時(shí)才能沉積在基片上。這就是磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)的機(jī)理。
二、磁控濺射的應(yīng)用：
1、磁控濺射的優(yōu)點(diǎn)：
 （1）操作易控。鍍膜過程，只要保持工作壓強(qiáng)、電功率等濺射條件相對(duì)穩(wěn)定，就能獲得比較穩(wěn)定的沉積速率。
 （2）沉積速率高。在沉積大部分的金屬薄膜，尤其是沉積高熔點(diǎn)的金屬和氧化物薄膜時(shí)，如濺射鎢、鋁薄膜和反應(yīng)濺射TiO2、ZrO2薄膜，具有很高的沉積率。
 （3）基板低溫性。相對(duì)二極濺射或者熱蒸發(fā)，磁控濺射對(duì)基板加熱少了，這一點(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)織物的上濺射相當(dāng)有利。
 （4）膜的牢固性好。濺射薄膜與基板有著極好的附著力，機(jī)械強(qiáng)度也得到了改善。
 （5）成膜致密、均勻。濺射的薄膜聚集密度普遍提高了。從顯微照片看，濺射的薄膜表面微觀形貌比較精致細(xì)密，而且非常均勻。
 （6）濺射的薄膜均具有優(yōu)異的性能。如濺射的金屬膜通常能獲得良好的光學(xué)性能、電學(xué)性能及某些特殊性能。
 （7）易于組織大批量生產(chǎn)。磁控源可以根據(jù)要求進(jìn)行擴(kuò)大，因此大面積鍍膜是容易實(shí)現(xiàn)的。再加上濺射可連續(xù)工作，鍍膜過程容易自動(dòng)控制，因此工業(yè)上流水線作業(yè)完全成為可能。
 （8）工藝環(huán)保。傳統(tǒng)的濕法電鍍會(huì)產(chǎn)生廢液、廢渣、廢氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。不產(chǎn)生環(huán)境污染、生產(chǎn)效率高的磁控濺射鍍膜法則可較好解決這一難題。
2、磁控濺射應(yīng)用：
   磁控濺射目前是一種應(yīng)用十分普遍的薄膜沉積技術(shù),濺射技術(shù)上的不斷發(fā)展和對(duì)新功能薄膜的探索研究,使磁控濺射應(yīng)用延伸到許多生產(chǎn)和科研領(lǐng)域。
  （1）在微電子領(lǐng)域作為一種非熱式鍍膜技術(shù),主要應(yīng)用在化學(xué)氣相沉積(CVD)或金屬有機(jī)化學(xué)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(kuò)散勢(shì)壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質(zhì)薄膜沉積。
  （2）磁控濺射技術(shù)在光學(xué)薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導(dǎo)電玻璃等方面也得到應(yīng)用。在透明導(dǎo)電玻璃在玻璃基片或柔性襯底上,濺射制備SiO2薄膜和摻雜ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可見光范圍內(nèi)平均光透過率在90%以上。
  （3）在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中,利用磁控濺射技術(shù)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(fù)合韌性、耐磨損性和抗高溫化學(xué)穩(wěn)定性能,從而大幅度地提高涂層產(chǎn)品的使用壽命。
磁控濺射除上述已被大量應(yīng)用的領(lǐng)域,還在高溫超導(dǎo)薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發(fā)光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發(fā)揮重要作用。
三、總結(jié)
    磁控濺射技術(shù)由于其明顯的優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)鍍膜主要技術(shù)之一。在未來的研究中，新技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域的推廣、磁控濺射技術(shù)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合已成為一個(gè)研究方向，如何利用計(jì)算機(jī)來控制精確鍍膜過程，利用計(jì)算機(jī)來模擬鍍膜時(shí)的磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、以及氣流分布，必將能給濺射鍍膜過程提供可靠的數(shù)據(jù)支持，也是經(jīng)濟(jì)有效的方法。
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