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0510-88276101磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
發(fā)布時間：2018-11-02瀏覽次數(shù)：載入中...
近年來，隨著新材料的開發(fā)，尤其是薄膜材料的發(fā)展和應(yīng)用，帶動控濺射沉積技術(shù)的飛速發(fā)展，在科學(xué)研究領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)中有著不可替代的重要作用。本文主要介紹了控濺射沉積鍍膜技術(shù)的工藝過程及其發(fā)展情況，各種主要磁控濺射鍍術(shù)的特點，并介紹磁控濺射技術(shù)在各個領(lǐng)域的主要應(yīng)用。
濺射鍍膜過程主要是將欲沉積成薄膜的材料制成靶材，固定在濺射沉積系統(tǒng)的陰極上，待沉積薄膜的基片放在正對靶面的陽極上。濺射系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣等，在陰極和陽極之間加載高壓，陰陽極之間會產(chǎn)生低壓輝光放電。放電產(chǎn)生的等離子體中，氬氣正離子在電場作用下向陰極移動，與靶材表面碰撞，受碰撞而從靶材表面濺射出的靶材原子稱為濺射原子，濺射原子的能量一般在一至幾十電子伏范圍，濺射原子在基片表面沉積而后成膜。濺射鍍膜就是利用低氣壓輝光放電產(chǎn)生的氬氣正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶材，把靶材中的原子或分子等粒子濺射出而沉積到基片或者工件表面，形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過程中濺射出的粒子的能量很低，導(dǎo)致成膜速率不高。
磁控濺射技術(shù)是為了提高成膜速率在濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在靶材表面建立與電場正交的磁場，氬氣電離率從 0.3％一0.5％提高到了5％一6％，這樣就解決了濺射鍍膜沉積速率低的問題，是目前工業(yè)上精密鍍膜的主要方法之一?？芍苽涑纱趴貫R射陰極靶材的原料很廣，兒乎所有金屬、合金以及陶瓷材料都可以制備成靶材。磁控濺射鍍膜在相互垂直的磁場和電場的雙重作用下，沉積速度快，膜層致密且與基片附著性好，非常適合于大批量且高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。
1. 磁控濺射的工藝流程
在磁控濺射過程中，具體工藝過程對薄膜性能影響很大，主要工藝流程如下：
（l）基片清洗，主要是用異丙醇蒸汽清洗，隨后用乙醇等浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；
（2）抽真空，真空須控制在2 × 104 Pa以上，以保證薄膜的純度；
（3）加熱，為了除去基片表面水分，提高膜與基片的結(jié)合力，需要對基片進行加熱，溫度一般選擇在150 ℃~200 ℃之間；
（4）氬氣分壓，一般選擇在0.01一lPa范圍內(nèi)，以滿足輝光放電的氣壓條件；
（5）預(yù)濺射，預(yù)濺射是通過離子轟擊以除去靶材表面氧化膜，以免影響薄膜質(zhì)量；
（6）濺射，氬氣電離后形成的正離子在正交的磁場和電場的作用下，高速轟擊靶材，使濺射出的靶材粒子到達(dá)基片表面沉積成膜；
（7）退火，薄膜與基片的熱膨脹系數(shù)有差異，結(jié)合力小，退火時薄膜與基片原子相互擴散可以有效提高粘著力。
2. 磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展
近年來磁控濺射技術(shù)發(fā)展非常迅速，代表性方法有平衡平衡磁控濺射、反應(yīng)磁控濺射、中頻磁控濺射及高能脈沖磁控濺射等等。
平衡磁控濺射：即較傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)，將永磁體或電磁線圈放到在靶材背后，在靶材表面會形成與電場方向垂直的磁場。在高壓作用下氬氣電離成等離子體，Ar+離子經(jīng)電場加速轟擊陰極靶材，靶材二次電子被濺射出，且電子在相互垂直的電場及磁場作用下，被束縛在陰極靶材表面附近，增加了電子與氣體碰撞的幾率，即增加了氬氣電離率，使氬氣在低氣體下也可維持放電，因而磁控濺射既降低了濺射氣體壓力，同時也提高了濺射效率及沉積速率。但傳統(tǒng)磁控濺射有一些缺點，比如：低氣壓放電產(chǎn)生的電子和濺射出的靶材二次電子都被束縛在靶面附近大約60 mm的區(qū)域內(nèi)，這樣工件只能被安·放在靶表面50一100 mm的范圍內(nèi)。這樣小的鍍膜區(qū)間限制了待鍍工件的尺寸，較大的工件或裝爐量不適合傳統(tǒng)方法。
反應(yīng)磁控濺射：隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，越來越多地用到各種化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通過濺射來制備化合物薄膜，也可在濺射金屬或合金靶材時，通人一定的反應(yīng)氣體，通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備化合物薄膜，后者被稱為反應(yīng)磁控濺射。一般來說純金屬作為靶材和氣體反應(yīng)較容易得到高質(zhì)量的化合物薄膜，因而大多數(shù)化合物薄膜是用純金屬為靶材的反應(yīng)濺磁控射來制備的。
中頻磁控濺射：這種鍍膜方法是將磁控濺射電源由傳統(tǒng)的直流改為中頻交流電源。在濺射過程中，當(dāng)系統(tǒng)所加電壓處在交流電負(fù)半周期時，靶材被正離子轟擊而濺射，而處于正半周期時，靶材表面被等離子體中的電子轟擊而濺射，同時靶材表面累積的正電荷被中和，打弧現(xiàn)象得到抑制。中頻磁控濺射電源的頻率通常在10一80 kHz之間，頻率高，正離子被加速的時間就短，轟擊靶材時的能量就低，濺射沉積速率隨之下降。中頻磁控濺射系統(tǒng)一般有兩個靶，這兩個靶周期性輪流作為陰極和陽極，一方面減小了基片濺傷；另一方面也消除了打弧現(xiàn)象。
高能脈沖磁控濺射：自瑞典科學(xué)家首先采用高能脈沖作為磁控濺射的供電模式并沉積了Cu薄膜后，HPPMS自以其較高的金屬離化率在近幾年受到關(guān)注，高能脈沖磁控濺射技術(shù)是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產(chǎn)生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術(shù)，由于脈沖作用時間短，其平均功率不高，這樣陰極不會因過熱而增加靶冷卻的要求。它的峰值功率是普通磁控濺射的100倍，約為1000- 3000 W/cm2，等離子體密度可以高達(dá)1018 m-3數(shù)量級，濺射材料離化率極高，濺射Cu靶可達(dá)70%，且這個高度離子化的束流不含大顆粒，生成的薄膜致密，性能優(yōu)異。
3. 磁控濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用
磁控濺射鍍膜技術(shù)主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品來沉積金屬或化合物薄膜從而獲得光亮、美觀、經(jīng)濟的塑料、陶瓷表面金屬化制品。裝飾、燈具、家具、玩具、工藝美術(shù)、裝璜等生活領(lǐng)域的制膜技術(shù)通常用磁控濺射方法，該方法還應(yīng)用于光學(xué)產(chǎn)品、磁記錄介質(zhì)、電路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防銹抗蝕等工業(yè)領(lǐng)域。
磁控濺射不僅應(yīng)用于科研及工業(yè)領(lǐng)域，已延伸到許多日常生活用品，主要應(yīng)用在化學(xué)氣相沉積制膜困難的薄膜制備。磁控濺射技術(shù)在制備電子封裝及光學(xué)薄膜方面已有多年，特別是先進的中頻非平衡磁控濺射技術(shù)也已在光學(xué)薄膜、透明導(dǎo)電玻璃等方面得到應(yīng)用。透明導(dǎo)電玻璃目前應(yīng)用普遍，如電視電腦平板顯示器件、電磁微波與射頻屏蔽裝置及器件、太陽能電池等。另外，在光學(xué)存儲領(lǐng)域中磁控濺射鍍膜技術(shù)也發(fā)揮著很大的作用。再者，該制膜技術(shù)在表面功能薄膜、自潤滑薄膜、超硬薄膜等方面的應(yīng)用也很普遍。
除上述已被大量應(yīng)用的領(lǐng)域外，磁控濺射鍍膜技術(shù)還在高溫、超導(dǎo)薄膜、巨磁阻薄膜、鐵電體薄膜、發(fā)光薄膜、形狀記憶合金薄膜、太陽能電池等研究方面發(fā)揮著重要作用。
4. 結(jié)論
磁控濺射鍍膜技術(shù)由于其明顯的優(yōu)點已經(jīng)成為制備薄膜的主要技術(shù)之一。非平衡磁控濺射改善了等離子體區(qū)域的分布，有效提高了薄膜的質(zhì)量。中頻濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展有效克服了反應(yīng)濺射過程中出現(xiàn)的打弧現(xiàn)象，減少了薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷，明顯提高了薄膜的沉積速率。高速濺射、高能脈沖磁控濺射鍍膜技術(shù)為濺射鍍膜開辟了嶄新的研究領(lǐng)域。在未來的研究中，新濺射技術(shù)向生活領(lǐng)域的推廣、磁控濺射鍍膜技術(shù)與計算機的結(jié)合都將成為研究熱點，利用計算機模擬鍍膜時的磁場、電場、溫度場、以及等離子體的分布，必將能給濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展提供巨大的擴展空間，推動磁控濺射鍍膜技術(shù)向工業(yè)及生活領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。
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濺射鍍膜過程主要是將欲沉積成薄膜的材料制成靶材，固定在濺射沉積系統(tǒng)的陰極上，待沉積薄膜的基片放在正對靶面的陽極上。濺射系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣等，在陰極和陽極之間加載高壓，陰陽極之間會產(chǎn)生低壓輝光放電。放電產(chǎn)生的等離子體中，氬氣正離子在電場作用下向陰極移動，與靶材表面碰撞，受碰撞而從靶材表面濺射出的靶材原子稱為濺射原子，濺射原子的能量一般在一至幾十電子伏范圍，濺射原子在基片表面沉積而后成膜。濺射鍍膜就是利用低氣壓輝光放電產(chǎn)生的氬氣正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶材，把靶材中的原子或分子等粒子濺射出而沉積到基片或者工件表面，形成所需的薄膜層。但是濺射鍍膜過程中濺射出的粒子的能量很低，導(dǎo)致成膜速率不高。
磁控濺射技術(shù)是為了提高成膜速率在濺射鍍膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在靶材表面建立與電場正交的磁場，氬氣電離率從 0.3％一0.5％提高到了5％一6％，這樣就解決了濺射鍍膜沉積速率低的問題，是目前工業(yè)上精密鍍膜的主要方法之一?？芍苽涑纱趴貫R射陰極靶材的原料很廣，兒乎所有金屬、合金以及陶瓷材料都可以制備成靶材。磁控濺射鍍膜在相互垂直的磁場和電場的雙重作用下，沉積速度快，膜層致密且與基片附著性好，非常適合于大批量且高效率的工業(yè)化生產(chǎn)。
1. 磁控濺射的工藝流程
在磁控濺射過程中，具體工藝過程對薄膜性能影響很大，主要工藝流程如下：
（l）基片清洗，主要是用異丙醇蒸汽清洗，隨后用乙醇等浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；
（2）抽真空，真空須控制在2 × 104 Pa以上，以保證薄膜的純度；
（3）加熱，為了除去基片表面水分，提高膜與基片的結(jié)合力，需要對基片進行加熱，溫度一般選擇在150 ℃~200 ℃之間；
（4）氬氣分壓，一般選擇在0.01一lPa范圍內(nèi)，以滿足輝光放電的氣壓條件；
（5）預(yù)濺射，預(yù)濺射是通過離子轟擊以除去靶材表面氧化膜，以免影響薄膜質(zhì)量；
（6）濺射，氬氣電離后形成的正離子在正交的磁場和電場的作用下，高速轟擊靶材，使濺射出的靶材粒子到達(dá)基片表面沉積成膜；
（7）退火，薄膜與基片的熱膨脹系數(shù)有差異，結(jié)合力小，退火時薄膜與基片原子相互擴散可以有效提高粘著力。
2. 磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展
近年來磁控濺射技術(shù)發(fā)展非常迅速，代表性方法有平衡平衡磁控濺射、反應(yīng)磁控濺射、中頻磁控濺射及高能脈沖磁控濺射等等。
平衡磁控濺射：即較傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)，將永磁體或電磁線圈放到在靶材背后，在靶材表面會形成與電場方向垂直的磁場。在高壓作用下氬氣電離成等離子體，Ar+離子經(jīng)電場加速轟擊陰極靶材，靶材二次電子被濺射出，且電子在相互垂直的電場及磁場作用下，被束縛在陰極靶材表面附近，增加了電子與氣體碰撞的幾率，即增加了氬氣電離率，使氬氣在低氣體下也可維持放電，因而磁控濺射既降低了濺射氣體壓力，同時也提高了濺射效率及沉積速率。但傳統(tǒng)磁控濺射有一些缺點，比如：低氣壓放電產(chǎn)生的電子和濺射出的靶材二次電子都被束縛在靶面附近大約60 mm的區(qū)域內(nèi)，這樣工件只能被安·放在靶表面50一100 mm的范圍內(nèi)。這樣小的鍍膜區(qū)間限制了待鍍工件的尺寸，較大的工件或裝爐量不適合傳統(tǒng)方法。
反應(yīng)磁控濺射：隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，越來越多地用到各種化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通過濺射來制備化合物薄膜，也可在濺射金屬或合金靶材時，通人一定的反應(yīng)氣體，通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備化合物薄膜，后者被稱為反應(yīng)磁控濺射。一般來說純金屬作為靶材和氣體反應(yīng)較容易得到高質(zhì)量的化合物薄膜，因而大多數(shù)化合物薄膜是用純金屬為靶材的反應(yīng)濺磁控射來制備的。
中頻磁控濺射：這種鍍膜方法是將磁控濺射電源由傳統(tǒng)的直流改為中頻交流電源。在濺射過程中，當(dāng)系統(tǒng)所加電壓處在交流電負(fù)半周期時，靶材被正離子轟擊而濺射，而處于正半周期時，靶材表面被等離子體中的電子轟擊而濺射，同時靶材表面累積的正電荷被中和，打弧現(xiàn)象得到抑制。中頻磁控濺射電源的頻率通常在10一80 kHz之間，頻率高，正離子被加速的時間就短，轟擊靶材時的能量就低，濺射沉積速率隨之下降。中頻磁控濺射系統(tǒng)一般有兩個靶，這兩個靶周期性輪流作為陰極和陽極，一方面減小了基片濺傷；另一方面也消除了打弧現(xiàn)象。
高能脈沖磁控濺射：自瑞典科學(xué)家首先采用高能脈沖作為磁控濺射的供電模式并沉積了Cu薄膜后，HPPMS自以其較高的金屬離化率在近幾年受到關(guān)注，高能脈沖磁控濺射技術(shù)是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產(chǎn)生高濺射金屬離化率的一種磁控濺射技術(shù)，由于脈沖作用時間短，其平均功率不高，這樣陰極不會因過熱而增加靶冷卻的要求。它的峰值功率是普通磁控濺射的100倍，約為1000- 3000 W/cm2，等離子體密度可以高達(dá)1018 m-3數(shù)量級，濺射材料離化率極高，濺射Cu靶可達(dá)70%，且這個高度離子化的束流不含大顆粒，生成的薄膜致密，性能優(yōu)異。
3. 磁控濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用
磁控濺射鍍膜技術(shù)主要用于塑料、陶瓷、玻璃、硅片等制品來沉積金屬或化合物薄膜從而獲得光亮、美觀、經(jīng)濟的塑料、陶瓷表面金屬化制品。裝飾、燈具、家具、玩具、工藝美術(shù)、裝璜等生活領(lǐng)域的制膜技術(shù)通常用磁控濺射方法，該方法還應(yīng)用于光學(xué)產(chǎn)品、磁記錄介質(zhì)、電路印制板、防潮增透膜、耐磨膜、防銹抗蝕等工業(yè)領(lǐng)域。
磁控濺射不僅應(yīng)用于科研及工業(yè)領(lǐng)域，已延伸到許多日常生活用品，主要應(yīng)用在化學(xué)氣相沉積制膜困難的薄膜制備。磁控濺射技術(shù)在制備電子封裝及光學(xué)薄膜方面已有多年，特別是先進的中頻非平衡磁控濺射技術(shù)也已在光學(xué)薄膜、透明導(dǎo)電玻璃等方面得到應(yīng)用。透明導(dǎo)電玻璃目前應(yīng)用普遍，如電視電腦平板顯示器件、電磁微波與射頻屏蔽裝置及器件、太陽能電池等。另外，在光學(xué)存儲領(lǐng)域中磁控濺射鍍膜技術(shù)也發(fā)揮著很大的作用。再者，該制膜技術(shù)在表面功能薄膜、自潤滑薄膜、超硬薄膜等方面的應(yīng)用也很普遍。
除上述已被大量應(yīng)用的領(lǐng)域外，磁控濺射鍍膜技術(shù)還在高溫、超導(dǎo)薄膜、巨磁阻薄膜、鐵電體薄膜、發(fā)光薄膜、形狀記憶合金薄膜、太陽能電池等研究方面發(fā)揮著重要作用。
4. 結(jié)論
磁控濺射鍍膜技術(shù)由于其明顯的優(yōu)點已經(jīng)成為制備薄膜的主要技術(shù)之一。非平衡磁控濺射改善了等離子體區(qū)域的分布，有效提高了薄膜的質(zhì)量。中頻濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展有效克服了反應(yīng)濺射過程中出現(xiàn)的打弧現(xiàn)象，減少了薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷，明顯提高了薄膜的沉積速率。高速濺射、高能脈沖磁控濺射鍍膜技術(shù)為濺射鍍膜開辟了嶄新的研究領(lǐng)域。在未來的研究中，新濺射技術(shù)向生活領(lǐng)域的推廣、磁控濺射鍍膜技術(shù)與計算機的結(jié)合都將成為研究熱點，利用計算機模擬鍍膜時的磁場、電場、溫度場、以及等離子體的分布，必將能給濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展提供巨大的擴展空間，推動磁控濺射鍍膜技術(shù)向工業(yè)及生活領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。
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