《磁控溅射制备薄膜研究发展》

磁控溅射制备薄膜材料的研究及其发展

1.摘要

这篇文章简单的介绍了磁控溅射原理还有制备薄膜的应用举例，简述沉积工艺参数对薄膜附着能力的影响！通过回顾历史发展中各个关键的发现以及技术的更新改进，并根据现有的研究总结对未来展望一下。

关键词：磁控溅射应用沉积工艺历史总结展望

2.前言

溅射技术是物理气相沉积(pvd)的一种，作为薄膜材料制备的重要方法之一。此项技术是利用了带电荷的粒子在电场中加速后具备一定动能，将离子引向想要溅射的物质材料做成的阴极靶电极，使靶材原子溅射出来让其沿着一定的方向运动到衬底并最后沉积于衬底之上形成成膜的方法。而磁控溅射是指把磁控原理与一般溅射技术结合起来利用控制磁场的特殊分布进而控制电场中的电子运动，这样就改进了溅射的工艺。如今，磁控溅射技术已经是沉积耐磨、装饰、耐腐蚀、光学等等其他各种各样功能薄膜的重要制作方法！

格洛夫(Grove)在1852年研究发现阴极溅射的现象，溅射技术的发展由此开始。在上世纪30年代开始采用磁控溅射沉积技术制取

薄膜，不过采蒸镀的方式制取薄膜在上世纪70年代中期以前，要比采用磁控溅射方法运用的更多。主要是溅射技术在那时初步发展，它的溅射的沉积率比较低，而且溅射的压强高。溅射同时发展的蒸镀技术其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术生产销售处于不利位置。美国贝尔实验室和西屋电气公司于1963年采用长度为10米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由J．Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射有了实质的应用，磁控溅射也更好的发展起来了。

3.原理

磁控溅射的工作原理：电子在电场加速E的作用下，使之飞向基片时与氩原子接触碰撞，并使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并具备高能量去撞击靶表面，导致靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

4.磁控溅射的发展历程：

首先来说溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面逐渐生长成薄膜。

溅射沉积技术的发展中下面几个算得上是重点总结一下啦。

1）二级溅射：

二级溅射是所有溅射沉积技术的基础，它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究，由于这种方法缺点气压过高基底温升高和沉积速率低限制它的广泛应用。

2）传统磁控溅射（也叫平衡磁控溅射）：

平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点，使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点，它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密，使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀膜。

3）非平衡磁控溅射：

B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”，它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷，适用于大面积镀膜。并且在上世纪90

年代前期，在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统（CFUBMS），采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束，使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。

4）脉冲磁控溅射：

由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜（尤其是氧化物薄膜）时，经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来，随着脉冲中频电源的研发成功，使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶；利用中频电源，采用中频对靶或者孪生靶，进行中频磁控溅射，有效地解决了靶中毒严重的现象，特别是在溅射绝缘材料的靶时，克服了溅射过程中，阳极消失的现象。5）磁控溅射技术新型应用：

磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上，再根据应用的需要，对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。

5.沉积工艺参数对薄膜附着能力的影响

附着性能是制约溅射薄膜使用性能及工作可靠性的关键因素。随着磁控溅射技术的不断发展和完善，薄膜的附着性能有了较大的改善。具体到各种薄膜/基体的使用性能，溅射过程的工艺条件起了重

要的作用，工艺条件已成为影响薄膜/基体附着性能的主要因素。

1)溅射功率

在一定的条件下，溅射功率的增加，会使放电载体如氩气的电离度提高，增加离子的密度，提高溅射速率，并使溅射出来的离子具有较高的能量，从而提高薄膜/基体的附着力及薄膜的致密度。相反，溅射功率太低，离子密度小，沉积速度慢，且离子能量低，得到的薄膜结构疏松，膜层附着力差。

但是并不是溅射功率越大越有利于薄膜沉积。溅射功率过高会使溅射离子动能大大增加，过高的离子能量会产生较大的基底热效应，还会对薄膜造成损伤，薄膜质量下降。这是因为溅射功率较大时，电离得到的离子具有很高的能量，离子打入靶材的深度增加，能量损失增加，使被溅射原子的逸出难度增加，靶材原子不易逸出，使沉积速率降低。同时，由于溅射功率的增加，使溅射时产生的二次电子增多，对基体会产生一定的加热作用，使基体上沉积的CN 基团挥发，也会降低沉积速率。

2）基体表面温度

提高基体温度有利于薄膜和基体间原子的相互扩散，而且会加速化学反应，从而有利于形成扩散结合和化学键附着，使附着力增加。当基体温度较低时，形成膜的原子活性受到限制，形核密度较低，在界面处容易产生孔隙，形成不完全致密的薄膜；而随着基体温度升高，基体表面活性增强，形核密度变大，沉积速率增加，界面孔隙减少，薄膜/基体界面结合较强，附着性变好。