磁控濺射的發展和工藝參數的探討

李學龍，徐興文，徐斌驍

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

磁控濺射是一種物理氣相沉積技術，因其低溫、高效、成膜效率高、膜層質量好等諸多優點被廣泛應用于工業鍍膜當中[1]。上世紀70年代發展起來的磁控濺射法更是實現了高速、低溫、低損傷。因為在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。本文從基本原理、種類與工藝參數（濺射功率、沉積時間、真空度、靶基距）等方面對磁控濺射技術近些年的應用做一簡介。

1 基本原理及特點

1.1 基本原理

濺射鍍膜就是通過粒子轟擊靶材產生濺射，靶材向基片射出原子或離子，沉積在基片上形成膜層的過程。磁控濺射就是在兩極輝光放電時附加磁場，電子被電場加速的同時被磁場束縛，呈擺線運動，提高了電子和靶材粒子以及工作氣體離子的碰撞頻率，工作氣體離子化程度提高，工作氣壓隨之降低，而工作氣體離子被電場加速，沖擊到靶材上并釋放能量，以至于靶材射出靶材原子或離子，在基片表面上沉積出膜層[2]。

1.2 特點

磁控濺射技術可以制備大面積均勻、致密的硬質膜層；在磁控濺射過程中，還可向濺射室內通入反應氣體，使其與靶材發生化合反應沉積在基片表面；磁控濺射靶空間很大，根據不同設備的需求，任何材料均可作為靶材；膜層經過后續處理還可以進一步加強膜層性能[3]。磁控濺射技術得到的硬質薄膜性能優異，被廣泛應用在工業生產當中。

2 磁控濺射的種類

1852年Grove發現了陰極濺射現象，自此建立起了磁控濺射技術，剛剛起步的磁控濺射技術，由于其沉積率低下，并未引起重視。直到1974年Chapin發現了平衡磁控濺射。之后的磁控濺射技術因為能夠完成低溫、高效鍍膜，進入了人們的視野。

磁控濺射技術經過不斷發展，種類也越來越多。除了最先發現的平衡磁控濺射以及后續發展的非平衡磁控濺射，還有很多效果豐富，成膜質量更好的種類[4]。

2.1 反應濺射

反應濺射是沉積化合物薄膜的首選，和其他濺射方法不同，反應濺射不光向系統內通入工作氣體，同時通入反應氣體與逸出靶材粒子發生反應，可以沉積各種種類的化合物，如：氧化物、氮化物等，生成化合物沉積薄膜[5]。

優點是：通過監控設備能迅速得到想要的薄膜；金屬靶熱傳導性好，易冷卻，濺射功率大；基體的溫度較低（＜300℃）。

然而化合物在基片表面沉積成膜的同時，也會有少部分化合物沉積在靶材的表面，也就是所謂的靶中毒，而解決靶中毒最直接的方法就是將直流電源換成脈沖電源或射頻電源。

2.2 射頻濺射

射頻磁控濺射使用交流電源而非直流電源，射頻反應濺射中，正半周期，電子被吸引到靶材附近，中和正電荷的同時使靶材帶負電，負半周期，工作氣體粒子受靶材負電吸引向靶材移動，發生濺射，進行鍍膜。

2.3 脈沖濺射

脈沖磁控濺射技術脫胎于直流濺射，用矩形波狀的輸出電壓替換直流電源。反應濺射中，負半周期，電荷沉積在靶材周圍，正周期時則吸引電子中和沉積的電荷，使濺射可以正常進行。

脈沖濺射的優點有：沉積速率快，所需溫度低，濺射過程穩定，也因此，脈沖濺射被廣泛運用在制造光學薄膜當中[6]。

2.4 中頻濺射

中頻濺射的電源輸出波形為10～150kHz的正弦波或者矩形波。在反應濺射過程中，正電壓時，電子受電場加速到達靶表面，中和因負電壓在靶面積累的正電荷，從而抑制打火現象。孿生靶濺射系統中，陽極與陰極在兩孿生靶中交替變換，分別中和沉積的電荷，同時提高了沉積效率，并且缺陷少，膜與襯底結合力好，是制造化合物薄膜的首選。

2.5 磁控濺射新發展

新型濺射技術高速濺射（HRMS），自濺射（SS），高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）隨著工業生產需求的提高而成為當今的研究熱點。

高速濺射通過提高粒子的離化率，極大縮短鍍膜時間，同時降低工作氣體消耗，提高工業生產的效率，缺點則在于靶材、襯底的冷卻能力并不一定能承受高速濺射產生的高溫。

當高速濺射中粒子的離化率高到不需要通入工作氣體時，即為自支撐濺射，靶材的高離子化以及不需通入工作氣體，會明顯地改變薄膜形成的機理，使沉積薄膜過程中合金化和化合物形成中的化學反應更加劇烈。新的薄膜材料和新的濺射技術有可能因此而生，已有的例子比如在深孔的底部通過自濺射沉積薄膜。

3 磁控濺射工藝參數的研究

磁控濺射的工藝參數有很多，比如濺射功率、沉積時間、真空度、靶基距等。不僅每個參數對成膜效果有影響，不同的薄膜受工藝參數的影響也并不相同。

3.1 濺射功率

濺射功率越高，對靶材粒子離化作用越強，靶粒子攜帶的能量越大，膜層厚度越大，擴散遷移作用越明顯，得到的膜層越平整，致密性越好。

安濤等利用射頻磁控濺射的方法，在Si(100)基片上用不同功率沉積了一組ZrNx薄膜，并分析了濺射功率對膜層厚度和潤濕性的影響。結果表明，隨著濺射功率的提高，薄膜沉積的厚度越大；當濺射功率為150 W時，由SEM照片中可以看出，此時的薄膜表面高低起伏最為明顯，顯然此時的粗糙因子最高，薄膜的潤濕性最好。

3.2 沉積時間

濺射時間越長，薄膜的厚度越大，結晶度也越大，開裂傾向越小，顯微硬度越來越高。

朱曉崗等在不同沉積時間下制備鉬薄膜，并對薄膜進行熱疲勞性能試驗。試件均出現表面裂紋。沉積時間短時以直線狀熱疲勞裂紋為主，且寬度較大，單根裂紋長度長，沉積時間長的試件出現網絡狀的微裂紋，裂紋較為蜿蜒曲折，為沿晶裂紋，并且隨沉積時間越長，裂紋減小。也就是說，隨沉積時間延長，使得結晶性更完整、殘余應力減小，疲勞開裂傾向減少。

3.3 真空度

本底真空度越高，本底中殘留的氣體雜質就越少，濺射后膜層中的雜質便越少。有研究在非高分子材質的基片上鍍膜，提高本底真空度有利于提高薄膜的性能。

鞠洪博等用射頻磁控濺射法保持其他參數不變，在Mo上制備了不同本底真空度的Ru薄膜，研究了Ru薄膜化學成分和膜層結合性能隨真空度變化的規律。結果表明，隨著本底真空度的降低，Ru薄膜中氧含量逐漸降低，薄膜晶粒尺寸及膜基結合力隨本底真空度的降低而逐漸增加。

3.4 靶基距

靶基距越大，靶材粒子與工作氣體離子碰撞次數越多，靶材粒子攜帶的能量越小，鍍膜越慢，膜的性能也越差。同時薄膜的電阻率增大，會出現藍移現象。

孫艷等在玻璃基片上制備了ZnMgO∶Ti薄膜，研究了薄膜形貌和光電性能隨靶基距變化的規律。規律顯示，隨著靶基距的增加，電阻率增加，然而當靶基距過大時，電阻率反而降低。同時，靶基距增加，光學吸收邊界隨之偏移到短波方向，并有藍移現象發生。

4 結語

磁控濺射鍍膜工藝參數對鍍膜質量的影響十分復雜，不同種類的磁控濺射及不同鍍膜參數均會不同程度的影響鍍膜質量。濺射功率越高，對靶材粒子離化作用越強，靶粒子攜帶的能量越大，膜層厚度越大，擴散遷移作用越明顯，得到的膜層越平整，致密性越好。濺射時間越長，薄膜的厚度越大，結晶度也越大，開裂傾向越小，顯微硬度越來越高。本底真空度越高，本底中殘留的氣體雜質就越少，濺射后膜層中的雜質便越少。有研究在非高分子材質的基片上鍍膜，提高本底真空度有利于提高薄膜的性能。靶基距越大，靶材粒子與工作氣體離子碰撞次數越多，靶材粒子攜帶的能量越小，鍍膜越慢，膜的性能也越差。同時薄膜的電阻率增大，會出現藍移現象。因此，采取合適的參數進行磁控濺射對鍍膜具有重大意義。