詳解磁控濺射技術(shù)​​

 

一、磁控濺射的工作原理：

磁控濺射是一種常用的物理氣相沉積（PVD）的方法，具有沉積溫度低、沉積速度快、所沉積的薄膜均勻性好，成分接近靶材成分等眾多優(yōu)點(diǎn)。

磁控濺射的工作原理是：在高真空的條件下充入適量的氬氣，在陰極（柱狀靶或平面靶）和陽(yáng)極（鍍膜室壁） 之間施加幾百K 直流電壓，在鍍膜室內(nèi)產(chǎn)生磁控型異常輝光放電，電子在電場(chǎng)E的作用下，在飛向基片過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，使氬氣發(fā)生電離（在高壓作用下Ar 原子電離成為Ar+離子和電子），入射離子（Ar+）在電場(chǎng)的作用下轟擊靶材，使得靶材表面的中性原子或分子獲得足夠動(dòng)能脫離靶材表面，沉積在基片表面形成薄膜。而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）×B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱E×B漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+ 來(lái)轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。

 

 

磁控濺射是入射粒子和靶的碰撞過(guò)程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過(guò)程，和靶原子碰撞，把部分動(dòng)量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這種級(jí)聯(lián)過(guò)程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動(dòng)的足夠動(dòng)量，離開(kāi)靶被濺射出來(lái)。

 

二、磁控濺射優(yōu)點(diǎn)：

（1）沉積速率快，沉積效率高，適合工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模應(yīng)用；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。

（2）基片溫度低，適合塑料等不耐高溫的基材鍍膜；

（3）制備的薄膜純度高、致密性好、薄膜均勻性好、膜基結(jié)合力強(qiáng)。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；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。

（4）可制備金屬、合金、半導(dǎo)體、鐵磁材料、絕緣體（氧化物、陶瓷）等薄膜；

（5））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；

（6）環(huán)保無(wú)污染。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。

 

三、磁控濺射技術(shù)的分類：

（一）磁控濺射按照電源的不同，可以分為直流磁控濺射（DC）和射頻磁控濺射（RF）。

  顧名思義，直流磁控濺射運(yùn)用的是直流電源，射頻磁控濺射運(yùn)用的是交流電源（射頻屬于交流范疇，頻率是13.56MHz。我們平常的生活中用電頻率為50Hz）。

  兩種方式的用途不太一樣，直流磁控濺射一般用于導(dǎo)電型（如金屬）靶材的濺射，射頻一般用于非導(dǎo)電型（如陶瓷化合物）靶材的濺射。

 

  兩種方式的不同應(yīng)用

  直流磁控濺射只能用于導(dǎo)電的靶材（靶材表面在空氣中或者濺射過(guò)程中不會(huì)形成絕緣層的靶材），并不局限于金屬。譬如，對(duì)于鋁靶，它的表面易形成不導(dǎo)電的氧化膜層，造成靶表面電荷積累（靶中毒），嚴(yán)重時(shí)直流濺射無(wú)法進(jìn)行。這時(shí)候，就需要射頻電源，簡(jiǎn)單的說(shuō)，用射頻電源的時(shí)候，有一小部分時(shí)間是在沖抵靶上積累的電荷，不會(huì)發(fā)生靶中毒。

  射頻磁控濺射一般都是針對(duì)絕緣體的靶材或者導(dǎo)電性相對(duì)較差的靶材，利用同一周期內(nèi)電子比正離子速度快進(jìn)而沉積到靶材上的電子數(shù)目比正離子數(shù)目多從而建立起自偏壓對(duì)離子進(jìn)行加速實(shí)現(xiàn)靶的濺射。

 

  兩種方式的特點(diǎn)：

  1、直流濺射：對(duì)于導(dǎo)電性不是很好的金屬靶，很難建立較高的自偏壓，正離子無(wú)法獲得足夠的能量去轟擊靶材

  2、射頻的設(shè)備貴，直流的便宜。

 

（二）磁控濺射按照磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可以分為平衡磁控濺射和非平衡磁控濺射。

平衡磁控濺射即傳統(tǒng)的磁控濺射，是在陰極靶材背后放置芯部與外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈，在靶材表面形成與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)。沉積室充入一定量的工作氣體，通常為Ar，在高壓作用下Ar 原了電離成為Ar+離子和電子，產(chǎn)生輝光放電，Ar+ 離子經(jīng)電場(chǎng)加速轟擊靶材，濺射出靶材原子、離子和二次電子等。電子在相互垂直的電磁場(chǎng)的作用下，以擺線方式運(yùn)動(dòng)，被束縛在靶材表面，延長(zhǎng)了其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加其參與氣體分子碰撞和電離的過(guò)程，電離出更多的離子，提高了氣體的離化率，在較低的氣體壓力下也可維持放電，因而磁控濺射既降低濺射過(guò)程中的氣體壓力，也同時(shí)提高了濺射的效率和沉積速率。

 

但平衡磁控濺射也有不足之處，例如：由于磁場(chǎng)作用，輝光放電產(chǎn)生的電子和濺射出的二次電子被平行磁場(chǎng)緊緊地約束在靶面附近，等離子體區(qū)被強(qiáng)烈地束縛在靶面大約60 mm 的區(qū)域，隨著離開(kāi)靶面距離的增大，等離子濃度迅速降低，這時(shí)只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范圍內(nèi)，以增強(qiáng)離子轟擊的效果。這樣短的有效鍍膜區(qū)限制了待鍍工件的幾何尺寸，不適于較大的工件或裝爐量，制約了磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用。且在平衡磁控濺射時(shí)，飛出的靶材粒子能量較低，膜基結(jié)合強(qiáng)度較差，低能量的沉積原子在基體表面遷移率低，易生成多孔粗糙的柱狀結(jié)構(gòu)薄膜。提高被鍍工件的溫度固然可以改善膜層的結(jié)構(gòu)和性能，但是在很多的情況下，工件材料本身不能承受所需的高溫。

 

非平衡磁控濺射的出現(xiàn)部分克服了以上缺點(diǎn)，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200～300 mm 的范圍內(nèi)，使基體沉浸在等離子體中，如圖所示。這樣，一方面，濺射出來(lái)的原子和粒子沉積在基體表面形成薄膜，另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基體，起到離子束輔助沉積的作用，大大的改善了膜層的質(zhì)量。

非平衡磁控濺射系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，一種是其芯部磁場(chǎng)強(qiáng)度比外環(huán)高，磁力線沒(méi)有閉合，被引向真空室壁，基體表面的等離子體密度低，因此該方式很少被采用。另一種是外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于芯部磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁力線沒(méi)有完全形成閉合回路，部分外環(huán)的磁力線延伸到基體表面，使得部分二次電子能夠沿著磁力線逃逸出靶材表面區(qū)域，同時(shí)再與中性粒子發(fā)生碰撞電離，等離子體不再被完全限制在靶材表面區(qū)域，而是能夠到達(dá)基體表面，進(jìn)一步增加鍍膜區(qū)域的離子濃度，使襯底離子束流密度提高，通�？蛇_(dá)5 mA/cm2 以上。這樣濺射源同時(shí)又是轟擊基體表面的離子源，基體離子束流密度與靶材電流密度成正比，靶材電流密度提高，沉積速率提高，同時(shí)基體離子束流密度提高，對(duì)沉積膜層表面起到一定的轟擊作用。

 

非平衡磁控濺射離子轟擊在鍍膜前可以起到清洗工件的氧化層和其他雜質(zhì)，活化工件表面的作用，同時(shí)在工件表面上形成偽擴(kuò)散層，有助于提高膜層與工件表面之間的結(jié)合力。在鍍膜過(guò)程中，載能的帶電粒子轟擊作用可達(dá)到膜層的改性目的。比如，離子轟擊傾向于從膜層上剝離結(jié)合較松散的和凸出部位的粒子，切斷膜層結(jié)晶態(tài)或凝聚態(tài)的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，從而生更致密，結(jié)合力更強(qiáng)，更均勻的膜層，并可以較低的溫度下鍍出性能優(yōu)良的鍍層。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。

 

（三）反應(yīng)磁控濺射：以金屬、合金、低價(jià)金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過(guò)程中或在基片表面沉積成膜過(guò)程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜，這就是反應(yīng)磁控濺射。反應(yīng)磁控濺射廣泛應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn)，這是因?yàn)椋?/p>

（1）反應(yīng)磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳?xì)浠�合物�?) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

（2）通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的組成來(lái)調(diào)控薄膜特性。

（3）反應(yīng)磁控濺射沉積過(guò)程中基板升溫較小，而且制膜過(guò)程中通常也不要求對(duì)基板進(jìn)行高溫加熱，因此對(duì)基板材料的限制較少。

（4） 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實(shí)現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬(wàn)平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。

 

四、磁控濺射的應(yīng)用：

磁控濺射技術(shù)是一種非常有效的沉積鍍膜方法，非常廣泛的用于薄膜沉積和表面覆蓋層制備�？杀挥糜谥苽浣饘�、半導(dǎo)體、鐵磁材料、絕緣體（氧化物、陶瓷）等多材料，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；且設(shè)備簡(jiǎn)單、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)。

 

磁控濺射目前是一種應(yīng)用十分廣泛的薄膜沉積技術(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(zhǎng)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(jiàn)光范圍內(nèi)平均光透過(guò)率在90%以上。透明導(dǎo)電玻璃廣泛應(yīng)用于平板顯示器件、太陽(yáng)能電池、微波與射頻屏蔽裝置與器件、傳感器等。

 

（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(rùn)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(yáng)能電池、記憶合金薄膜研究方面發(fā)揮重要作用。

 

五、磁控濺射的實(shí)用案例：

 

圖1 磁控濺射制備的MoS2薄膜，相比于CVD法，成功在低溫下制備了垂直片層的MoS2薄膜

圖2 磁控濺射法制備SiC多層薄膜用于鋰電池正極，可得到有均勻調(diào)制周期和調(diào)制比的多層薄膜