詳解磁控濺射技術​​

 

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點。

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）和陽極（鍍膜室壁） 之間施加幾百K 直流電壓，在鍍膜室內產生磁控型異常輝光放電，電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞，使氬氣發生電離（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能脫離靶材表面，沉積在基片表面形成薄膜。而產生的二次電子會受到電場和磁場作用，產生E（電場）×B（磁場）所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區域內，并且在該區域中電離出大量的Ar+ 來轟擊靶材，從而實現了高的沉積速率。隨著碰撞次數的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場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程。入射粒子在靶中經歷復雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯過程。在這種級聯過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運動的足夠動量，離開靶被濺射出來。

 

二、磁控濺射優點：

（1）沉積速率快，沉積效率高，適合工業生產大規模應用；在沉積大部分的金屬薄膜，尤其是沉積高熔點的金屬和氧化物薄膜時，如濺射鎢、鋁薄膜和反應濺射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、膜基結合力強。濺射薄膜與基板有著極好的附著力，機械強度也得到了改善；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密，而且非常均勻。

（4）可制備金屬、合金、半導體、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異的性能。如濺射的金屬膜通常能獲得良好的光學性能、電學性能及某些特殊性能；

（6）環保無污染。傳統的濕法電鍍會產生廢液、廢渣、廢氣，對環境造成嚴重的污染。不產生環境污染、生產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，直流磁控濺射運用的是直流電源，射頻磁控濺射運用的是交流電源（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電型（如金屬）靶材的濺射，射頻一般用于非導電型（如陶瓷化合物）靶材的濺射。

 

  兩種方式的不同應用

  直流磁控濺射只能用于導電的靶材（靶材表面在空氣中或者濺射過程中不會形成絕緣層的靶材），并不局限于金屬。譬如，對于鋁靶，它的表面易形成不導電的氧化膜層，造成靶表面電荷積累（靶中毒），嚴重時直流濺射無法進行。這時候，就需要射頻電源，簡單的說，用射頻電源的時候，有一小部分時間是在沖抵靶上積累的電荷，不會發生靶中毒。

  射頻磁控濺射一般都是針對絕緣體的靶材或者導電性相對較差的靶材，利用同一周期內電子比正離子速度快進而沉積到靶材上的電子數目比正離子數目多從而建立起自偏壓對離子進行加速實現靶的濺射。

 

  兩種方式的特點：

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

  2、射頻的設備貴，直流的便宜。

 

（二）磁控濺射按照磁場結構，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的磁控濺射，是在陰極靶材背后放置芯部與外環磁場強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方向垂直的磁場。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，產生輝光放電，Ar+ 離子經電場加速轟擊靶材，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的作用下，以擺線方式運動，被束縛在靶材表面，延長了其在等離子體中的運動軌跡，增加其參與氣體分子碰撞和電離的過程，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程中的氣體壓力，也同時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：由于磁場作用，輝光放電產生的電子和濺射出的二次電子被平行磁場緊緊地約束在靶面附近，等離子體區被強烈地束縛在靶面大約60 mm 的區域，隨著離開靶面距離的增大，等離子濃度迅速降低，這時只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范圍內，以增強離子轟擊的效果。這樣短的有效鍍膜區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的應用。且在平衡磁控濺射時，飛出的靶材粒子能量較低，膜基結合強度較差，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構薄膜。提高被鍍工件的溫度固然可以改善膜層的結構和性能，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部分克服了以上缺點，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200～300 mm 的范圍內，使基體沉浸在等離子體中，如圖所示。這樣，一方面，濺射出來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量。

非平衡磁控濺射系統有兩種結構，一種是其芯部磁場強度比外環高，磁力線沒有閉合，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。另一種是外環磁場強度高于芯部磁場強度，磁力線沒有完全形成閉合回路，部分外環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域，同時再與中性粒子發生碰撞電離，等離子體不再被完全限制在靶材表面區域，而是能夠到達基體表面，進一步增加鍍膜區域的離子濃度，使襯底離子束流密度提高，通常可達5 mA/cm2 以上。這樣濺射源同時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，同時基體離子束流密度提高，對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，活化工件表面的作用，同時在工件表面上形成偽擴散層，有助于提高膜層與工件表面之間的結合力。在鍍膜過程中，載能的帶電粒子轟擊作用可達到膜層的改性目的。比如，離子轟擊傾向于從膜層上剝離結合較松散的和凸出部位的粒子，切斷膜層結晶態或凝聚態的優勢生長，從而生更致密，結合力更強，更均勻的膜層，并可以較低的溫度下鍍出性能優良的鍍層。該技術被廣泛應用于制備各種硬質薄膜。

 

（三）反應磁控濺射：以金屬、合金、低價金屬化合物或半導體材料作為靶陰極，在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應生成化合物薄膜，這就是反應磁控濺射。反應磁控濺射廣泛應用于化合物薄膜的大批量生產，這是因為：

（1）反應磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應氣體 ( 氧、氮、碳氫化合物等 ) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。

（2）通過調節反應磁控濺射中的工藝參數 , 可以制備化學配比或非化學配比的化合物薄膜，通過調節薄膜的組成來調控薄膜特性。

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

（4） 反應磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產。

 

四、磁控濺射的應用：

磁控濺射技術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。可被用于制備金屬、半導體、鐵磁材料、絕緣體（氧化物、陶瓷）等多材料，尤其適合高熔點和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜在適當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與氣體分子的化合物薄膜；且設備簡單、鍍膜面積大和附著力強。

 

磁控濺射目前是一種應用十分廣泛的薄膜沉積技術,濺射技術上的不斷發展和對新功能薄膜的探索研究,使磁控濺射應用延伸到許多生產和科研領域。

 

（1）在微電子領域作為一種非熱式鍍膜技術,主要應用在化學氣相沉積(CVD)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長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散勢壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質薄膜沉積。

 

（2）磁控濺射技術在光學薄膜(如增透膜)、低輻射玻璃和透明導電玻璃等方面也得到應用。在透明導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，使可見光范圍內平均光透過率在90%以上。透明導電玻璃廣泛應用于平板顯示器件、太陽能電池、微波與射頻屏蔽裝置與器件、傳感器等。

 

（3）在現代機械加工工業中,利用磁控濺射技術制作表面功能膜、超硬膜，自潤滑薄膜，能有效的提高表面硬度、復合韌性、耐磨損性和抗高溫化學穩定性能，從而大幅度地提高涂層產品的使用壽命。

 

磁控濺射除上述已被大量應用的領域,還在高溫超導薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發揮重要作用。

 

五、磁控濺射的實用案例：

 

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，可得到有均勻調制周期和調制比的多層薄膜