濺射鍍膜技術在薄膜材料制備上的研究進展

李冬雪

遼寧裝備制造職業技術學院 ( 沈陽 110161 )

用高能粒子（通常是由電場加速的正離子）轟擊固體表面，固體表面的原子、分子與入射的高能粒子交換動能后從固體表面飛濺出來的現象稱為濺射。濺射出的原子（或原子團）具有一定的能量，它們可以重新沉積凝聚在固體基片表面形成薄膜，稱為濺射鍍膜[1]。

材料的宏觀性能與微觀組織存在密切聯系，選擇經濟、有效的方法改變材料組織結構，使材料表面獲得新的復合性能顯得尤為重要。濺射沉積薄膜材料的制備前期濺射過程影響因素包括濺射源、濺射原子的能量與角分布、濺射產額與濺射速率等。而后期濺射沉積薄膜材料制備主要通過濺射氣體、濺射電壓及基片電壓、基片溫度、靶材、本底真空度、濺射工作氣壓等幾個要素影響薄膜的成分與組織結構進而影響材料的[1]。在薄膜材料的制備過程中保證組織結構穩定性的同時，其厚度的均勻性和純度這兩條重要指標同樣是選擇、改進不同的濺射鍍膜技術時必須考慮的元素。

濺射鍍膜技術在薄膜材料的制備上，國內外都展開了廣泛的研究。這些濺射鍍膜技術主要針對薄膜材料的性能特點以及濺射過程中的常見問題采用不同的濺射結構及濺射源。本文綜述了目前直接利用輝光放電中產生的離子進行濺射鍍膜技術在薄膜材料制備的研究進展以及展望。

1 研究現狀

1.1 金屬與半導體濺射

在金屬與半導體濺射薄膜制備工藝中常采用二級濺射、三級濺射以及磁控濺射，這幾種常見的濺射方法主要從電極結構上加以區分。

普通直流二級濺射是將直流負電位直接施加在濺射靶上，放置被鍍工件的基片架作為陽極。由陰極靶濺射出靶材原子在基片表面沉積即形成薄膜。在濺射過程中 Ar放電處于異常輝光放電狀態，放電輝光覆蓋整個陰極靶面，使靶材濺射和基片表面成膜都均勻。在異常輝光放電狀態下，可通過調節濺射電壓、改變濺射電流，進而改變沉積速率。直流二級濺射的優點是裝置簡單，適合于濺射金屬和半導體靶材。但是，濺射時沉積速率較低；由于直接放電電壓較高，基片極易損傷溫升高；對氣壓的選擇條件苛刻，低氣壓放電無法維持，高氣壓沉積膜的質量較差；濺射絕緣材料不適用。

直流三級濺射是在二級濺射裝置中引入熱燈絲陰極和陽極，燈絲陰極接地，陽極為50—100 V。燈絲高溫發射電子后經電場加速，向陽極運動過程中與Ar原子產生碰撞電離，建立非自持的熱陰極弧光放電。三級濺射可以增大放電電流，可以完全獨立控制離子電流與離子電量，在低壓下也能維持放電，這是相較于二級濺射的優越處。同時，三級濺射對基片的輻射損傷小，可用來制作集成電路和半導體器件用薄膜。但是其裝置結構相較于冷陰極放電較為復雜，在覆蓋面積大密度均勻的等離子體制備上較為困難，存在燈絲消耗等問題，因此，這種制備工藝近年來幾乎不再使用。

磁控濺射技術是在二級濺射的陰極靶面上建立一個環形的封閉磁場，它具有平行于靶面的橫向磁場分布，磁場由靶體內的磁體產生[1]，目前為鍍膜的主流技術之一。磁控濺射鍍膜裝置結構是在陰極靶中施加磁場，利用磁場的物理效應對束縛電子并且有效的延長了電子的運動軌跡，進而增加了電極與氣體原子的碰撞幾率提升了氣體的離化率，使得高能離子更多的轟擊靶材[2]。根據磁控濺射原理可知，磁控濺射技術的關鍵在于建立有效的電子束縛阱。磁控濺射屬高速低溫濺射技術；其工作氣壓0.1 Pa，靶電流密度可達幾十毫安，沉積速率達每分鐘幾百納米至2000 nm[1]。目前，磁控濺射鍍膜技術在實際生產中應用范圍較廣，這得益于其顯著的特征即工作參數動態調節范圍大，薄膜沉積速度與厚度容易控制；膜層無液滴顆粒問題；靶材料選擇范圍廣，幾乎所有金屬、合金和陶瓷材料均可；采用磁控電極可以有效地提高濺射速率。因此，靶表面的濺射刻蝕速率和基片面上的膜沉積速率都很高。同時，磁控濺射具有低能濺射基片溫度低等優點。但是傳統的磁控濺射靶中采用不均勻磁場，等離子體的局部收聚效應會致使出現不均勻刻蝕。并且靶材料不能具有高導磁率，這都是傳統磁控濺射的缺點。

1.2 絕緣材料濺射

從裝置結構上講，直流濺射和直流磁控濺射鍍膜均需要在濺射靶上施加負電位，這就要求靶材為良導體，對絕緣介質膜的制備并不適用。對此可以采用射頻濺射技術將直流濺射裝置電源換成射頻電源。在濺射過程中將電源極性按照周期進行調轉，在靶極和基體之間射頻等離子體中的正離子和電子交替轟擊絕緣靶產生濺射[3]。射頻濺射避免了原子被大量散射，提升了濺射沉積速率。同時，濺射粒子飛行過程能量損失少、到達基片時能量較高，有利于提高結合強度和膜層致密性。同時，射頻濺射有效減少了放電對二次電子的依賴，并且降低了擊穿電壓，可以濺射包括介質材料在內的任何材料。但是由于射頻濺射的裝置結構并沒有從根本上有別于二級濺射的裝置結構，因此也存在沉積速率低、基體溫度高和濺射均勻性差等缺點。

1.3 化合物薄膜濺射

對于合金和化合物的濺射與單原子固體濺射差異較大，由于構成固體的元素彼此之間的濺射產額不同，因此化合物薄膜的制備除了可以采用射頻濺射法外，還可以采用反應濺射法[2]。即在濺射鍍膜過程中，后期引入的反應氣體與發生濺射的靶材物質發生反應，沉積在基片表面即獲得成分有別于靶材物質的薄膜。反應濺射的優點是靶材料與反應氣體等很容易獲得高的純度，因而有利于制備高純度的化合物薄膜；通過對薄膜的組成成分進行人為調節，從而能夠調控薄膜的特性；在整個反應沉積過程中，基片溫升較低，可用于大面積均勻薄膜的制備，實現工業化生產。但是在工藝的實際操作過程中化合物靶體的制備較困難，直流反應濺射過程不穩定，工藝過程難以控制容易引起靶中毒、靶源和工件表面打火起弧等現象，這些問題都嚴重制約了反應濺射的技術發展與推廣。

對于反應濺射中出現的靶中毒、弧光放電及陽極消失等現象可以采用改變濺射靶供電電源的頻率的方法解決。中頻脈沖電源逐漸成為化合物反應濺射電源的新模式，這種電源頻率介于直流和射頻之間。在中頻交流磁控反應濺射過程中，兩個孿生靶在懸浮交流電的作用下周期性交替互為陰極和陽極，使其周期輪回濺射[4]。中頻反應濺射設備制備的絕緣膜相對于直流濺射基本無大顆粒，膜層較為致密[1]。并且，在濺射過程中沉積速率較高、工作狀態穩定、制作成本低、基板溫度較高，有利于改善膜的質量和結合力。

2 結語

濺射鍍膜技術的發展使其成為薄膜材料制備與改性方面獨特的技術手段。到目前為止，濺射鍍膜技術已經進行了較多的探索性實驗研究，在單原子金屬材料、超導材料、化合物、合金、絕緣材料等薄膜制備領域中得到了廣泛應用，同時開拓出一系列內涵豐富的新研究領域。但是濺射鍍膜技術仍存在許多亟待解決的問題，開展鐵磁性靶材的設計改進、降低鐵磁性材料靶材的磁導率以及磁控濺射系統的改進設計等方面的研究，將有助于完善濺射鍍膜系統，促進理論和應用技術的發展。

[1]張以忱.真空鍍膜技術[M],北京:冶金工業出版社,2008.

[2]馬景靈,任風章,孫浩亮.磁控濺射鍍膜技術的發展與應用[J].中國教科創新導刊,2013,29:136-138,

[3]崔虎.射頻磁控濺射鍍膜過程中離子輸運和濺射行為的模擬計算[D],西北工業大學(碩士),2005.

[4]徐萬進.磁控濺射技術進展及應用[J].現代儀器,2005,12(6):5-10.