磁控溅射镀膜技术的发展及应用_马景灵

溅射镀膜过程主要是将欲沉积成薄膜的材料制成靶材，固定在溅射沉积系统的阴极上，待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上。溅射系统抽至高真空后充入氩气等，在阴极和阳极之间加几千伏的高压，阴阳极之间会产生低压辉光放电。放电产生的等离子体中，氩气正离子在电场作用下向阴极移动，与靶材表面碰撞，受碰撞而从靶材表面溅射出的靶材原子称为溅射原子，溅射原子的能量一般在一至几十电子伏范围，溅射原子在基片表面沉积而后成膜。溅射镀膜就是利用低气压辉光放电产生的氩气正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，把靶材中的原子或分子等粒子溅射出而沉积到基片或者工件表面，形成所需的薄膜层。但是溅射镀膜过程中溅射出的粒子的能量很低，导致成膜速率不高。

磁控溅射技术是为了提高成膜速率在溅射镀膜基础上发展起来的，在靶材表面建立与电场正交的磁场，氩气电离率从０．３％～０．５％提高到了５％～６％，这样就解决了溅射镀膜沉积速率低的问题，是目前工业上精密镀膜的主要方法之一［１］。可制备成磁控溅射阴极靶材的原料很广，几乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下，沉积速度快，膜层致密且与基片附着性好，非常适合于大批量且高效率的工业化生产。

1磁控溅射的工艺流程

在磁控溅射过程中，具体工艺过程对薄膜性能影响很大，主要工艺流程如下［２］：（１）基片清洗，主要是用异丙醇蒸汽清洗，随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；（２）抽真空，真空须控制在２×１０４Ｐａ以上，以保证薄膜的纯度；（３）加热，为了除去基片表面水分，提高膜与基片的结合力，需要对基片进行加热，温度一般选择

在１５０℃～２００℃之间；（４）氩气分压，一般选择在０．０ｌ～ｌＰａ范围内，以满足辉光放电的气压条件；（５）预溅射，预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜，以免影响薄膜质量；（６）溅射，氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下，高速轰击靶材，使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜；（７）退火，薄膜与基片的热膨胀系数有差异，结合力小，退火时薄膜与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力。

2磁控溅射镀膜技术的发展

近年来磁控溅射技术发展非常迅速，代表性方法有非平衡磁控溅射、反应磁控溅射及高速溅射等等。

平衡磁控溅射技术：即最传统的磁控溅射技术，将永磁体或电磁线圈放到在靶材背后，在靶材表面会形成与电场方向垂直的磁场。在高压作用下氩气电离成等离子体，Ａｒ＋离子经电场加速轰击阴极靶材，靶材二次电子被溅射出，且电子在相互垂直的电场及磁场作用下，被束缚在阴极靶材表面附近，增加了电子与气体碰撞的几率，即增加了氩气电离率，使氩气在低气体下也可维持放电，因而磁控溅射既降低了溅射气体压力，同时也提高了溅射效率及沉积速率［３］。但传统磁控溅射有一些缺点，比如：低气压放电产生的电子和溅射出的靶材二次电子都被束缚在靶面附近大约６０ｍｍ的区域内，这样工件只能被安放在靶表面５０～１００ｍｍ的范围内。这样小的镀膜区间限制了待镀工件的尺寸，较大的工件或装炉量不适合传统方法。

非平衡磁控溅射技术：这种磁控溅射方法部分解决了平衡磁控溅射的不足，是将靶面的等离子体引到靶前２００～３００ｍｍ的范围内，使阳极基片沉浸在等离子体中，减少了粒子移动的距离，离子束起到辅助沉积的作用［４］。然而单独的非平衡磁控靶在基片上很难沉积出均匀的薄膜层，

为此研究人员开发出了多靶非平衡磁控溅射镀膜系统，弥补了单靶非平衡磁控溅射的不足。

反应磁控溅射：随着表面工程技术的发展，越来越多地用到各种化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通过溅射来制备化合物薄膜，也可在溅射金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，通过发生化学反应制备化合物薄膜，后者被称为反应磁控溅射。一般来说纯金属作为靶材和气体反应较容易得到高质量的化合物薄膜，因而大多数化合物薄膜是用纯金属为靶材的反应溅磁控射来制备的［５］。

中频磁控溅射：这种镀膜方法是将磁控溅射电源由传统的直流改为中频交流电源。在溅射过程中，当系统所加电压处在交流电负半周期时，靶材被正离子轰击而溅射，而处于正半周期时，靶材表面被等离子体中的电子轰击而溅射，同时靶材表面累积的正电荷被中和，打弧现象得到抑制。中频磁控溅射电源的频率通常在１０～８０ｋＨｚ之间，频率高，正离子被加速的时间就短，轰击靶材时的能量就低，溅射沉积速率随之下降。中频磁控溅射系统一般有两个靶，这两个靶周期性轮流作为阴极和阳极，一方面减小了基片溅伤；另一方面也消除了打弧现象。

高速溅射与自溅射：随着工业发展和表面工程的需求，高速溅射与自溅射等新型磁控溅射成膜方法成为镀膜领域新的发展趋势。高速溅射能够缩短镀膜时间，提高沉积速率，当溅射速率非常高，以至于在没有惰性气体氩气的情况下也能维持辉光放电，这种溅射方法称为自溅射［６］。高速溅射与自溅射中，被溅射材料的离子、电子化以及减少甚至取消惰性气体，都明显影响薄膜的形成机理，因此，可以制备出特殊性能的薄膜材料。

①基金项目：河南科技大学实验技术开发基金（ＳＹ１１１２００８）； 科研创新能力培育基金（２０１２ＺＣＸ０１７）。

　作者简介：马景灵（１９７０—），女，河南科技大学副教授，博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｊｉｎｇｌｉｎｇ．ｓｔｕｄｅｎｔ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。

磁控溅射镀膜技术的发展及应用①

马景灵 任风章 孙浩亮

(河南科技大学材料科学与工程学院 河南洛阳 471023)

摘 要：近年来，随着新材料的开发，尤其是薄膜材料的发展和应用，带动磁控溅射沉积技术的飞速发展，在科学研究领域和工业生产中有着不可替代的重要作用。本文主要介绍了磁控溅射沉积技术的工艺过程及其发展情况，各种主要磁控溅射镀膜技术的特点，并介绍磁控溅射技术在各个领域的主要应用。关键词：磁控溅射 镀膜 辉光放电中图分类号：Ｇ４文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－９７９５（２０１３）１０（ｂ）－０１３６－０２

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3磁控溅射镀膜技术的应用

磁控溅射镀膜技术主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品来沉积金属或化合物薄膜，从而获得光亮、美观、经济的塑料、陶瓷表面金属化制品。装饰、灯具、家具、玩具、工艺美术、装璜等生活领域的制膜技术通常用磁控溅射方法，该方法还应用于军事保护膜、光学产品、磁记录介质、电路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防锈抗蚀等工业领域。

磁控溅射不仅应用于科研及工业领域，已延伸到许多日常生活用品，主要应用在化学气相沉积制膜困难的薄膜制备。磁控溅射技术在制备电子封装及光学薄膜方面已有多年，特别是先进的中频非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜、透明导电玻璃等方面得到应用。透明导电玻璃目前应用广泛，如电视电脑平板显示器件、电磁微波与射频屏蔽装置及器件、太阳能电池等［７］。另外，在光学存储领域中磁控溅射镀膜技术也发挥着很大的作用。再者，该制膜技术在表面功能薄膜、自润滑薄膜、超硬薄膜等方面的应用也很广泛。

除上述已被大量应用的领域外，磁控溅

射镀膜技术还在高温、超导薄膜、巨磁阻薄

膜、铁电体薄膜、发光薄膜、形状记忆合金薄

膜、太阳能电池等研究方面发挥着重要作用。

4结论

磁控溅射镀膜技术由于其显著的优点

已经成为制备薄膜的主要技术之一。非平

衡磁控溅射改善了等离子体区域的分布，

显著提高了薄膜的质量。中频溅射镀膜技

术的发展有效克服了反应溅射过程中出现

的打弧现象，减少了薄膜的结构缺陷，明显

提高了薄膜的沉积速率。高速溅射、自溅射

镀膜技术为溅射镀膜开辟了崭新的研究领

域。在未来的研究中，新溅射技术向生活领

域的推广、磁控溅射镀膜技术与计算机的

结合都将成为研究热点，利用计算机模拟

镀膜时的磁场、电场、温度场、以及等离子

体的分布，必将能给溅射镀膜技术的发展

提供巨大的扩展空间，推动磁控溅射镀膜

技术向工业及生活领域转化。

参考文献

［１］石永敬，龙思远，王杰，等．直流磁控溅

射研究进展［Ｊ］．材料导报，２００８，２２（１）：

６５－６８．

［２］程建平，杨晓东．真空磁控溅射镀膜设

备及工艺技术研究［Ｊ］．电子工业专用设

备，２００９，３８（１１）：２８－３１．

［３］储志强．国内外磁控溅射靶材的现状及

发展趋势［Ｊ］．金属材料与冶金工程，

２０１１，３９（４）：４４－４９．

［４］王雷敏，曾小勤，吴国松，等．磁控溅射

在镁合金表面处理中的应用［Ｊ］．铸造技

术，２００６，２７（４）：４１２－４１５．

［５］李芬，朱颖，李刘合，等．磁控溅射技术

及其发展［Ｊ］．真空电子技术，２０１１（３）：

４３－４９．

［６］方亮，彭丽萍，杨小飞．磁控溅射制备Ｉｎ

掺杂ＺｎＯ薄膜及ＮＯ

２

气敏特性分析［Ｊ］．

重庆大学学报，２００９，３２（９）：１００２－１００５．

［７］Ｂｒａｕｅｒ　Ｇ，Ｓｚｙｓｚｋａ　Ｂ，Ｖｅｒｇｏｈｌ　Ｍ．　Ｍａｇ－

ｎｅｔｒｏｎ　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ－Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅｓ　ｏｆ　３０

Ｙｅａｒｓ［Ｊ］．Ｖａｃｕｕｍ，２０１０：１－６．

局，原理是教师给出的，电路板用万能板，布局完全可以由学生设计完成。由学生设计的电路图可能存在这样、那样的错误或不足，需要教师的进一步指导。虽然学生和老师都会付出更多的时间与精力，但远比学生一成不变照抄教材原理图，机械地进行组装所获得的知识多更重要的是强化了学生的创新意识，培养了学生的创新能力。实训中会出现许多新颖的、灵活的设计方案，设计方案五花八门，这样学生具备了更多的灵活应用能力。

在实训过程中采取开放式教学，不断更新实训内容，使学生接触到更新的知识，有利培养学生的创新能力。实训室在时间、场地、设备等方面进行全方位开放，给学生充分展示自己设计、创新能力的空间，为培养学生的创新能力提供一个必要的条件。在完成基本教学任务的基础上，鼓励学生进行课外电工电子创作、搞设计，全面调动他们的自主、创新意识。

4多层次的评价,给予成功的体验教师要给学生合理的评价，实训教学的评价方式直接影响到教学成果。每个学生都希望能够听到对他好的评价。但是学生的水平差异较大。所以可以开展多层次的实训、配合多层次的评价，尽可能的给予每个学生成功的机会。成功的必备要素是自信心和持久性，如果学生在实训教学中

取得了成功，也就意味着他们取得了学习

的自信心和持久性，也就会给他们带来无

穷的学习动力。所以，教师在实训教学中积

极肯定学生的成果，必要时创造成功的条

件，让每个学生都获得成功的机会，使学生

在享受成功的同时不断地自发的进取、超

越自己。例如，碰到必须进行的较难项目

时，可以采用分解法，即将项目易、难两部

分分开，将较难部分单独拿出来再细分细

讲细练。项目以激励每一个学生的积极性、

主动性为目的，使实训教学取得成功。多层

次的教学内容与评价体系，使较差的学生

在较简单的项目，得到了鼓励，同时教师关

注学生的进步，对较差学生取得的进步给

予及时的、大力的肯定，能进一步增加学生

的学习积极性；而优秀的学生在较难的项

目中提现了突出能力，自然也要给予肯定，

并可以培养这类学生参加国家、省、市级的

各类竞赛，取得较好成绩的同时也鞭策了

其他学生，从而形成较好的学习氛围，在整

体上提高了学生的技能水平。

5结语

实训教学在高职教学中的重要性越来

越来突出，电子电路装接技能实训对培养

学生解决问题、分析问题的能力，提高学

生的实践能力，培养学生的创新能力具有

重要作用。要不断完善实训内容、总结和

改进实训教学方法，不断提高教学质量，

才能培养出出具有创新精神和实践能力

的合格人才。

参考文献

［１］教育部职业教育中心研究所．新世纪我

国职业教育发展［Ｍ］．北京：高等教育出

版社，２００５．

［２］黎辉雄．浅谈如何提高实验实习教学效

果［Ｊ］．大众科技，２００６：１４１－１４２．

［３］胡晓燕．高职电工电子实训教学的认识

和实践［Ｊ］．成都航空职业技术学院，２００２

（１）：１７－１９．

［４］曹进．高等职业院校电工电子实训教学

的探索和思考［Ｊ］．教育研究，２００８（８）：

１３７－１３９．

［５］葛雅新．技校生专业技能训练的必要性

［Ｊ］．中国教师与教学，２００７．

［６］魏志丽．浅析高职教育中实践环节与课

堂教学的有机结合［Ｊ］．甘肃科技纵横，

２００４，３３（６）：１３１，１４５．

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