磁控溅射法制备薄膜材料综述
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靶材选取的根本原则是便于制备出化学剂量比一定的薄膜。在磁控溅射中，靶的选取考虑的因素有[3]：1）靶的选取影响溅射模式。例如靶为非金属，须用射频溅射模式；若为金属靶，则可用直流溅射模式。2）靶的选取影响晶向，在制备ZnO薄膜时，采用ZnO靶比Zn靶更适合生长c-轴取向的薄膜，Zn靶掺入适量Al也能影响薄膜的生长取向。
3.4溅射气压
在溅射过程中，溅射气压大小影响着到达基片表面的粒子数以及粒子的能量[10]。如果真空室内气体压强比较高，就会造成溅射腔内的气体粒子和激发出来的离子数目比较多，同时也会增加溅射出来的粒子在到达基片的过程中同溅射腔内的气体和粒子的碰撞几率。从而影响到薄膜材料的沉积速率和溅射产物到达基片时的能量，进而导致所生成的薄膜表面形貌、光学特性、生长模式等发生变化。例如在制备ZnO薄膜[11]时，在1.9Pa的低气压下，ZnO薄膜表面晶粒较小，晶粒呈团簇状，各晶粒有合并的趋势，但晶粒之间的晶界仍明显存在；2. 2 Pa气压下的团簇内部没有显示晶界，说明已经形成较大晶粒，但边缘呈不规则状；2. 6 Pa气压下晶粒明显增大，且边缘平直化；3. 2 Pa气压下薄膜表面颗粒大小均匀，紧致，且平整；3. 5 Pa气压下的样品颗粒变小，大小均匀紧致。在制备TiN膜[12]时随着腔体气压的增大其光学性能呈现下降趋势，且沉积速率减小，膜厚减小。
[3]郝正同，谢泉，杨子义.磁控溅射法中影响薄膜生长的因素及作用机理研究[J].贵州大学学报，2010，27（1）：62-66.
[4]M Kitabatake,K Wasa.Growth of Diamond at Room Termperatureby an Ion-beam Sputter Deposition under Hydrogen-ion Bombardment [J ].J. Appl. Phys ,1985 ( 58 ) :1693.
3、影响薄膜性能的因素
薄膜材料的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对薄膜的特性有显著影响，因此可以在较大的自由度上进行人为地控制纳米薄膜的特性的形成，获得满足需要的材料。为了使制备的薄膜付诸应用，必须精确控制薄膜的物理和化学性质。使用磁控溅射制备薄膜的过程中，等离子体中的荷能粒子的运动直接影响薄膜的生长，而荷能粒子受溅射参数所控制。
溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。溅射法根据激发溅射离子和沉积薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两种。本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。
2磁控溅射法
2.1磁控溅射基本原理
磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。对许多材料，利用磁控溅射的方式溅射速率达到了电子术蒸发的水平，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板保持冷态，这对使用怕受温度影响的材料作为薄膜沉积的基板具有重要意义。
[5]Juuga C K,Leea S B,Boo J H, et al. Characterization of GrowthBehavior and Structural Properties of Ti02Thin Films Gown on Si(100) and Si(111)Substrates[J]. Surface and Coatings Technology,2003,174 :296-302.
3.1基片及靶材种类对薄膜性能的影响
基片是薄膜生长的载体，选取适合的基片是制备薄膜的必要条件[4]。基片的选取需考虑的因素有：1）基片直接影响生长薄膜的类型，若制备单晶则须选取单晶基片。2）基片也影响薄膜在基片上的附着力，所以所制备的薄膜材料的晶格常数需与基片的晶格常数有较小的错配度。而且在制备薄膜前须对基片进行必要的清洗。
3.2基片温度
基片温度主要影响薄膜的晶相，适合的基片温度是生长单晶的必备条件。基片温度的高低主要产生的影响：1）基片温度直接影响沉积薄膜的晶相及晶体结构[5]。若基片温度低于所制备物质的结晶温度，可沉积出非晶薄膜，通过后期热处理可将非晶薄膜转化为多晶或单晶薄膜；若大于结品温度，则可沉积多晶薄膜;若大于外延温度，则在适当的基片上可直接生长出单晶薄膜。2）基片温度的高低会导致薄膜晶粒大小发生变化，从而影响其表面形貌。一般来说，高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织，而在低温时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着力[1]。3）在反应溅射系统中，基片温度的高低也影响活性气体的作用程度。
[9]邬苏东，彭志坚，陈新春，等.中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究.稀有金属材料与工程，2009，38（2）：579-582.
[10]Jones, M. I.，McColl I.R.Grant D. M.，et al. Effectof substrate preparation and deposition conditions on thepreferredorientation of TiN coatings deposited by RF reactive sputtering[J].Surface and Coatings Technology,2000，Vol. 132(2-3) :143-151.
3.3溅射功率
溅射功率变化对薄膜材料性能产生的影响是：1）影响溅射产额，从而影响沉积速率。利用小角X射线衍射测量膜厚原理得到在溅射气压、靶材与基片相对位置等其他条件保持不变的情况下，沉积速率与溅射功率之间在测量范围内成线性关系[6]。2）使溅射产物的团簇大小发生变化。当功率较小时溅射粒子动能较小，发生表面扩散迁移和再结晶的可能性较小，薄膜颗粒尺寸较小。随着溅射功率的增加溅射速率也随之增大，即在溅射时间相同的条件下，高功率下溅射出的粒子数目更多，粒子间直接碰撞成核的几率增大[7]。3）对薄膜材料导电性能的影响。如在制备Al掺杂ZnO薄膜时电阻率随溅射功率的增加而降低，溅射功率较小时，制备的薄膜颗粒较小，会形成较多的晶粒间界，膜的完整性较差，随溅射功率的增加薄膜材料的致密化程度提高，因此电阻率下降[8]。4）溅射功率还会影响所制备膜的力学性能。例如在中频磁控溅射制备类金刚石薄膜[9]时，随着靶功率的增加，薄膜硬度和弹性模量先增加后减小，其原因是随着功率增加，离子能量增加，使得薄膜内应力增加，导致薄膜内Sp3键含量增加，从而使其硬度和弹性模量增加；但是，随着离子能量进一步增大，薄膜的石墨化转变导致硬度和弹性模量下降。
3.5溅射时间
磁控溅射法制备薄膜时溅射时间对薄膜的物相结构和膜的表面形貌等会产生一定的影响。例如在制备Sb薄膜负极材料[13]时，随着溅射时间的增加其结晶的完整性先变好后变差，这可能是镀膜时间增加后，从靶材上溅射出来的粒子到达基片时，破坏了原来已成核长大的晶体，使得结晶完整性变差。薄膜表面会随着时间的延长变得致密，但是时间超过一定的限度，颗粒团簇会变小，并出现较多细小的颗粒，这可能是从靶材上溅射出来的粒子到达薄膜表面时，其较大的能量使大颗粒分离成为若干小颗粒。另外溅射时间对Sb电极循环性能也会产生影响[14]。
关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响
Brief Introduction toThin Films by Magnetron Sputtering
Abstract:The thickness of thin films is from the nano to the micron level.With its size effect, the films are widely used in the defense, telecommunication, aviation, aerospace, electronics and other fields.It can be prepared by many ways,of which the sputtering is used mostly.And magnetron sputtering is popular.The principle and characteristics of magnetron sputtering, and how substrate temperature, sputtering power, sputtering pressure and sputtering time influence the the properties of the films during the preparing process are introduced in this paper.
参考文献
[1]贾嘉.溅射法制备纳米薄膜材料及进展[J].半导体技术，2004，29（7）：70-73.
[2]K Yamaguchi,A Heya, K Shimura et al. Effect of Target Compositions on The Crystallinity ofβ-FeSi2Prepared by Ion Beam Sputter Deposition Method[J].Thin Solid Fi1ms,2004(461):17.
2.2磁控溅射的特点
磁控溅射法理论上可溅射任何物质镀制相应的薄膜，可以方便地制备各种单质和复合纳米薄膜材料，包括无机和有机材料的复合薄膜，因此是适用性较广的物理沉积纳米复合薄膜的方法。
该方法在磁场的控制下工作，有着显著的优点[3]：1）由于电磁场的作用，电子与放电气体的碰撞几率增高，气体的离化率从而增大，使低气压溅射成为可能。而且在电磁场的作用下，二次电子在靶表面作旋轮运动，只有能量耗尽后才脱离靶表面，使得基片损伤小、温度升高幅度低。2)高密度的等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不仅提高了电离效率，使工作气压大大降低，而且有利于正离子有效的轰击靶面，使沉积速率有效提高。3)由于工作气压低，所以减少了工作气体对被溅射出的粒子的散射作用，有利于沉积速率的提高，并可增加膜层与基片的附着力。
[6]陈海良，马明建.磁控溅射薄膜沉积速率的标定.大学物理实验，2010，23（2）：4-6.
[7]袁玉珍，王辉，刘汉法，等.溅射功率对Zr、Al共掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响.电子元件与材料，2010，29（2）：40-50.
[8]汪冬梅，周海波，朱晓勇，等.溅射功率对射频磁控溅射Al掺杂ZnO薄膜性能的影响.金属功能材料，2010，17（3）：57-60.
Key Words:magnetron sputtering;principles;conditions;lnfluence
1引言
薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广泛应用。薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类[1]。物理方法主要包括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。
磁控溅射法制备薄膜材料综述
摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。
磁控溅射[2]是在磁场控制下的产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入弱电场区，最后到达阳极时己经是低能电子，不再会使基片过热。被溅射的原子到达衬底表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散பைடு நூலகம்移、碰撞结合形成稳定晶核，晶粒长大后互相联结聚集，最后形成连续状薄膜。
4 结束语
磁控溅射技术作为一种沉积速度较高，工作气体压力较低的溅射技术具有其独特的优越性，主要的优点是由于磁场中电子的电离效率较高，从而有效地提高靶电流密度和溅射效率。磁力线的分布将电子约束在靶的表面附近，可减少衬底损伤、降低沉积温度。在磁控溅射制备薄膜材料过程中的各项工艺参数对膜的性能会产生一定的影响，因此要制得特定性能的薄膜材料需通过实验确定溅射的工艺参数。
3.4溅射气压
在溅射过程中，溅射气压大小影响着到达基片表面的粒子数以及粒子的能量[10]。如果真空室内气体压强比较高，就会造成溅射腔内的气体粒子和激发出来的离子数目比较多，同时也会增加溅射出来的粒子在到达基片的过程中同溅射腔内的气体和粒子的碰撞几率。从而影响到薄膜材料的沉积速率和溅射产物到达基片时的能量，进而导致所生成的薄膜表面形貌、光学特性、生长模式等发生变化。例如在制备ZnO薄膜[11]时，在1.9Pa的低气压下，ZnO薄膜表面晶粒较小，晶粒呈团簇状，各晶粒有合并的趋势，但晶粒之间的晶界仍明显存在；2. 2 Pa气压下的团簇内部没有显示晶界，说明已经形成较大晶粒，但边缘呈不规则状；2. 6 Pa气压下晶粒明显增大，且边缘平直化；3. 2 Pa气压下薄膜表面颗粒大小均匀，紧致，且平整；3. 5 Pa气压下的样品颗粒变小，大小均匀紧致。在制备TiN膜[12]时随着腔体气压的增大其光学性能呈现下降趋势，且沉积速率减小，膜厚减小。
[3]郝正同，谢泉，杨子义.磁控溅射法中影响薄膜生长的因素及作用机理研究[J].贵州大学学报，2010，27（1）：62-66.
[4]M Kitabatake,K Wasa.Growth of Diamond at Room Termperatureby an Ion-beam Sputter Deposition under Hydrogen-ion Bombardment [J ].J. Appl. Phys ,1985 ( 58 ) :1693.
3、影响薄膜性能的因素
薄膜材料的组成、性能、工艺条件等参量的变化都对薄膜的特性有显著影响，因此可以在较大的自由度上进行人为地控制纳米薄膜的特性的形成，获得满足需要的材料。为了使制备的薄膜付诸应用，必须精确控制薄膜的物理和化学性质。使用磁控溅射制备薄膜的过程中，等离子体中的荷能粒子的运动直接影响薄膜的生长，而荷能粒子受溅射参数所控制。
溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。溅射法根据激发溅射离子和沉积薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两种。本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。
2磁控溅射法
2.1磁控溅射基本原理
磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。对许多材料，利用磁控溅射的方式溅射速率达到了电子术蒸发的水平，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板保持冷态，这对使用怕受温度影响的材料作为薄膜沉积的基板具有重要意义。
[5]Juuga C K,Leea S B,Boo J H, et al. Characterization of GrowthBehavior and Structural Properties of Ti02Thin Films Gown on Si(100) and Si(111)Substrates[J]. Surface and Coatings Technology,2003,174 :296-302.
3.1基片及靶材种类对薄膜性能的影响
基片是薄膜生长的载体，选取适合的基片是制备薄膜的必要条件[4]。基片的选取需考虑的因素有：1）基片直接影响生长薄膜的类型，若制备单晶则须选取单晶基片。2）基片也影响薄膜在基片上的附着力，所以所制备的薄膜材料的晶格常数需与基片的晶格常数有较小的错配度。而且在制备薄膜前须对基片进行必要的清洗。
3.2基片温度
基片温度主要影响薄膜的晶相，适合的基片温度是生长单晶的必备条件。基片温度的高低主要产生的影响：1）基片温度直接影响沉积薄膜的晶相及晶体结构[5]。若基片温度低于所制备物质的结晶温度，可沉积出非晶薄膜，通过后期热处理可将非晶薄膜转化为多晶或单晶薄膜；若大于结品温度，则可沉积多晶薄膜;若大于外延温度，则在适当的基片上可直接生长出单晶薄膜。2）基片温度的高低会导致薄膜晶粒大小发生变化，从而影响其表面形貌。一般来说，高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织，而在低温时，形成核的数目增加，这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织，而且还增强了薄膜的附着力[1]。3）在反应溅射系统中，基片温度的高低也影响活性气体的作用程度。
[9]邬苏东，彭志坚，陈新春，等.中频磁控溅射制备类金刚石薄膜的功率因素研究.稀有金属材料与工程，2009，38（2）：579-582.
[10]Jones, M. I.，McColl I.R.Grant D. M.，et al. Effectof substrate preparation and deposition conditions on thepreferredorientation of TiN coatings deposited by RF reactive sputtering[J].Surface and Coatings Technology,2000，Vol. 132(2-3) :143-151.
3.3溅射功率
溅射功率变化对薄膜材料性能产生的影响是：1）影响溅射产额，从而影响沉积速率。利用小角X射线衍射测量膜厚原理得到在溅射气压、靶材与基片相对位置等其他条件保持不变的情况下，沉积速率与溅射功率之间在测量范围内成线性关系[6]。2）使溅射产物的团簇大小发生变化。当功率较小时溅射粒子动能较小，发生表面扩散迁移和再结晶的可能性较小，薄膜颗粒尺寸较小。随着溅射功率的增加溅射速率也随之增大，即在溅射时间相同的条件下，高功率下溅射出的粒子数目更多，粒子间直接碰撞成核的几率增大[7]。3）对薄膜材料导电性能的影响。如在制备Al掺杂ZnO薄膜时电阻率随溅射功率的增加而降低，溅射功率较小时，制备的薄膜颗粒较小，会形成较多的晶粒间界，膜的完整性较差，随溅射功率的增加薄膜材料的致密化程度提高，因此电阻率下降[8]。4）溅射功率还会影响所制备膜的力学性能。例如在中频磁控溅射制备类金刚石薄膜[9]时，随着靶功率的增加，薄膜硬度和弹性模量先增加后减小，其原因是随着功率增加，离子能量增加，使得薄膜内应力增加，导致薄膜内Sp3键含量增加，从而使其硬度和弹性模量增加；但是，随着离子能量进一步增大，薄膜的石墨化转变导致硬度和弹性模量下降。
3.5溅射时间
磁控溅射法制备薄膜时溅射时间对薄膜的物相结构和膜的表面形貌等会产生一定的影响。例如在制备Sb薄膜负极材料[13]时，随着溅射时间的增加其结晶的完整性先变好后变差，这可能是镀膜时间增加后，从靶材上溅射出来的粒子到达基片时，破坏了原来已成核长大的晶体，使得结晶完整性变差。薄膜表面会随着时间的延长变得致密，但是时间超过一定的限度，颗粒团簇会变小，并出现较多细小的颗粒，这可能是从靶材上溅射出来的粒子到达薄膜表面时，其较大的能量使大颗粒分离成为若干小颗粒。另外溅射时间对Sb电极循环性能也会产生影响[14]。
关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响
Brief Introduction toThin Films by Magnetron Sputtering
Abstract:The thickness of thin films is from the nano to the micron level.With its size effect, the films are widely used in the defense, telecommunication, aviation, aerospace, electronics and other fields.It can be prepared by many ways,of which the sputtering is used mostly.And magnetron sputtering is popular.The principle and characteristics of magnetron sputtering, and how substrate temperature, sputtering power, sputtering pressure and sputtering time influence the the properties of the films during the preparing process are introduced in this paper.
参考文献
[1]贾嘉.溅射法制备纳米薄膜材料及进展[J].半导体技术，2004，29（7）：70-73.
[2]K Yamaguchi,A Heya, K Shimura et al. Effect of Target Compositions on The Crystallinity ofβ-FeSi2Prepared by Ion Beam Sputter Deposition Method[J].Thin Solid Fi1ms,2004(461):17.
2.2磁控溅射的特点
磁控溅射法理论上可溅射任何物质镀制相应的薄膜，可以方便地制备各种单质和复合纳米薄膜材料，包括无机和有机材料的复合薄膜，因此是适用性较广的物理沉积纳米复合薄膜的方法。
该方法在磁场的控制下工作，有着显著的优点[3]：1）由于电磁场的作用，电子与放电气体的碰撞几率增高，气体的离化率从而增大，使低气压溅射成为可能。而且在电磁场的作用下，二次电子在靶表面作旋轮运动，只有能量耗尽后才脱离靶表面，使得基片损伤小、温度升高幅度低。2)高密度的等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不仅提高了电离效率，使工作气压大大降低，而且有利于正离子有效的轰击靶面，使沉积速率有效提高。3)由于工作气压低，所以减少了工作气体对被溅射出的粒子的散射作用，有利于沉积速率的提高，并可增加膜层与基片的附着力。
[6]陈海良，马明建.磁控溅射薄膜沉积速率的标定.大学物理实验，2010，23（2）：4-6.
[7]袁玉珍，王辉，刘汉法，等.溅射功率对Zr、Al共掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响.电子元件与材料，2010，29（2）：40-50.
[8]汪冬梅，周海波，朱晓勇，等.溅射功率对射频磁控溅射Al掺杂ZnO薄膜性能的影响.金属功能材料，2010，17（3）：57-60.
Key Words:magnetron sputtering;principles;conditions;lnfluence
1引言
薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广泛应用。薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类[1]。物理方法主要包括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。
磁控溅射法制备薄膜材料综述
摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。
磁控溅射[2]是在磁场控制下的产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入弱电场区，最后到达阳极时己经是低能电子，不再会使基片过热。被溅射的原子到达衬底表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散பைடு நூலகம்移、碰撞结合形成稳定晶核，晶粒长大后互相联结聚集，最后形成连续状薄膜。
4 结束语
磁控溅射技术作为一种沉积速度较高，工作气体压力较低的溅射技术具有其独特的优越性，主要的优点是由于磁场中电子的电离效率较高，从而有效地提高靶电流密度和溅射效率。磁力线的分布将电子约束在靶的表面附近，可减少衬底损伤、降低沉积温度。在磁控溅射制备薄膜材料过程中的各项工艺参数对膜的性能会产生一定的影响，因此要制得特定性能的薄膜材料需通过实验确定溅射的工艺参数。