磁控溅射和电弧离子镀技术和应用介绍

薄膜/涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀)及应用
雷浩

薄膜/涂层的概念与特点
概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依 靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料。薄膜(Films)：厚度 < 1m,如光电功 能薄膜等；涂层(Coatings)：厚度 ≥ 1m,如硬质 涂层、防护涂层等。
薄膜/涂层特征： 1）厚度 （纳米，微米，毫米） 2）有基体支撑（不是单独存在的） 3）特殊的结构和性能（与块体材料相区别） 4）特殊的形成方式

薄膜/涂层的概念与特点与分类
应用： 光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成电路薄 膜、防护功能薄膜。
• 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半导体、化 合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄膜，复合 薄膜。

薄膜/涂层的种类及应用
• 电子工业：电极、电阻膜、电介质膜、绝缘膜、 透明导电膜、超导膜等。
• 光学工业：荧光膜、反射膜、增透膜、干涉膜 等。
• 机械工业：硬化膜、耐热膜、耐腐蚀膜等。 • 能源工业：聚热膜、防反射膜、透射膜等。 • 传感器：热敏、气敏、压敏、氧气传感器、红
外线传感器等。 • 其它：装饰膜等。

薄膜和涂层的制备方法
湿式成膜 干式成膜
电镀 化学镀 微弧氧化 溶胶-凝胶膜
涂敷法（喷涂、甩胶、浸涂）
热浸渗（化学热处理）、热扩散法 电阻热蒸发
物理气相沉积 （PVD）
真空蒸发镀 溅射沉积
电子束蒸发 激光蒸发
电弧离子镀
化学气相沉积 （CVD）
等离子体增强CVD(PECVD) 辉光CVD，热丝CVD

薄膜和涂层的制备方法
热 蒸 发
磁 控 溅 射
电 弧 离 子 镀

物理气相沉积(PVD)
定义：薄膜材料通过物理方法输运到基体表面 代表技术：蒸发镀膜、溅射沉积、电弧离子镀、 离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、离子束沉积、 团簇沉积等。 技术特点：沉积温度低、工作气压比较低

磁控溅射 (Magnetron Sputtering)的介绍
概念：利用气体放电产生的正离子在电场作用下轰击作为 阴极的靶，使靶材中的原子（或分子）逸出并沉积到基板 表面上形成所需要的膜。在阴极靶面上造一个正交的磁场， 使得电离的几率增加，就成为了磁控溅射。

磁控溅射的特点
优点： 涂层致密质量好；可控制涂层厚度；电子对于衬底 的轰击能量小；可获得理想纳米涂层；原子沉积 缺点： 沉积速度较慢；需要高真空状态；方向性较强

磁控溅射的历史
1842年Grove发现阴极溅射现象； 1877年将二极溅射技术用于镀制反射镜； 二十世纪三十年代采用二极溅射技术镀制金膜作为导电
底层以后出现射频溅射、三极溅射和磁控溅射； 1936年和1940年Penning相继发明圆柱和圆筒磁控溅射
阴极； 1963年美国贝尔实验室采用10米的连续溅射镀膜装置镀
制集成电路的鉭膜，首次实现溅射镀膜产业化； 1970年圆柱磁控溅射阴极获得工业应用； 1980年前后,提出脉冲单靶磁控溅射、中频单靶磁控溅射，
发展为中频双靶磁控溅射； 1986年Kirchhoff 等申请双靶磁控溅射方法的专利； 1986年Window发明了非平衡溅射,有广阔的应用前景 1994年德国Leybold的孪生靶系统正式投入生产；

成膜条件：1、靶材

2、Ar

3、周围的真空环境

直流磁控溅射非反应溅射

中频磁控溅射射频磁控溅射

反应溅射反应类型

电源类型

•传统磁控溅射电流密度~ 0.1mA/cm 21mA/cm 2电流密度

> 5mA/cm

2基板S S 基板

•非平衡磁控溅射

等离子体

靶材等离子体等离子体基板靶材

靶材•闭合场非平衡磁控溅射等离子体

N S N N N S

靶材优点：稳定性、重复性、均匀性、低温

种类：化合物、合金、梯度膜、多层膜

磁控溅射镀膜设备与等离子体

磁控溅射的应用

溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和物理功能膜两大类。前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料等。

磁控溅射的应用超硬涂层

磁控溅射的应用--超硬涂层

用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨抗氧化耐冲击等性能既可以提高刀具耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般模具等的工作特性又可以提高使用寿命一般

可使刀具寿命提高310倍。

～

磁控溅射的应用固体润滑薄膜磁控溅射的应用--固体润滑薄膜•在高温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油只有用软金属或层状的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状物质等固体润滑剂

物质等固体润滑剂。•常用的固体润滑剂有软金属(Au ，Ag ，Pb ，Sn 等)，层状物质（MoS WS CaF ，云母等），层状物质2，2，石墨，2，母等，高分子材料（尼龙、聚四氟乙烯等）等。•其中溅射法制取MoS 2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。

•厚度：几十～几百纳米

•透明性：与玻璃接近

•导电性：与金属接近

导电性与金属接近

•种类：

种类

(ITO)(ZAO)ITO/A/ITO 氧化铟锡(ITO);掺铝氧化锌(ZAO);ITO/Ag/ITO; TiO2/Ag/TiO2;ITO/ZnO;SiO2/ITO