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溅射镀膜是指在真空室中,利用荷能粒子轰击靶材表面,通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其它粒子,并使其沉淀在基体上形成薄膜的技术。溅射镀膜技术具有可实现大面积快速沉积,薄膜与基体结合力好,溅射密度高、针孔少,膜层可控性和重复性好等优点,而且任何物质都可以进行溅射,因而近年来发展迅速,应用广泛。



溅射现象
用带有几十电子伏能量的粒子轰击材料表面时,材料将被激发为气态,利用这种现象可以对材料进行表面的镀膜、刻蚀、清洗和表面分析。由于离子易于在电磁场中加速或偏转,所以荷能粒子一般为离子。当离子轰击靶材表面时会产生许多效应。除了靶材的原子和分子最终参与成膜之外,其它效应对膜的生长也产生很大的影响。

溅射机理
目前被大多数人所接受的溅射机理是Sigmund提出的线性级联溅射机理  。
入射离子轰击靶面时,将其部分能量传输给表层晶格原子,引起靶材中原子的运动。有的原子获得能量后从晶格处移位,并克服了表面势垒直接发生溅射;有的不能脱离晶格的束缚,只能在原位做振动并波及周围原子,结果使靶的温度升高;而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲,将其临近的原子碰撞移位,反冲继续下去产生高次反冲,这一过程称为级联碰撞。级联碰撞的结果是部分原子达到表面,克服势垒逸出,这就形成了级联溅射,这就是溅射机理。当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时,动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略,这就是线性级联碰撞。

溅射方法
溅射技术的成膜方法较多,典型方法有直流二极溅射、三极(或四极)溅射与磁控溅射等。

(一)二极溅射
二极溅射是最早采用,并且是目前最简单的基本溅射方法。
直流二极溅射装置由阴、阳极组成。用膜材(导体)制成的靶作为阴极,放置被镀件的工件架作为阳极(接地),两极间距一般为数厘米至十厘米左右。当真空室内电场强度达到一定值后,两极间产生异常辉光放电。等离子区中的Ar + 离子被加速而轰击阴极靶,被溅射出的靶材原子在基体上沉积形成薄膜。
如采用射频电源作为靶阴极电源,又可做成二极射频溅射装置,这种装置可以溅射绝缘材料。

(二)三极溅射
二极溅射方法虽然简单,但放电不稳定,而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量,人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极,制作出三极溅射装置。
三极溅射中,等离子体的密度可以通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材的轰击能量可以用靶电压加以控制,从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流和气压之间相互制约的矛盾。
三极溅射的缺点在于放电不稳定,等离子体密度不均匀引起的膜厚不均匀。为此,在三极溅射的基础上又加了一个辅助阳极,这就形成了四极溅射。

(三)磁控溅射
磁控溅射又称为高速低温溅射。在磁场约束及增强下的等离子体中的工作气体离子 ( 如 Ar + ) ,在靶阴极电场的加速下,轰击阴极材料,使材料表面的原子或分子飞离靶面,穿越等离子体区以后在基片表面淀积、迁移最终形成薄膜。
与二极溅射相比较,磁控溅射的沉积速率高,基片升温低,膜层质量好,可重复性好,便于产业化生产。它的发展引起了薄膜制备工艺的巨大变革。
磁控溅射源在结构上必须具备两个基本条件:
(1)建立与电场垂直的磁场;
(2)磁场方向与阴极表面平行,并组成环形磁场。



在平面磁控靶结构原理图中可以看出,磁控溅射源实质上是在二极溅射的阴极靶后面设置了磁铁,磁铁在靶面上产生水平分量的磁场。离子轰击靶材时放出二次电子,这些电子的运动路径很长,被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内沿跑道转圈,在该区中通过频繁地碰撞电离出大量Ar + 用以轰击靶材,从而实现了高速溅射。电子经数次碰撞后能量逐渐降低,逐步远离靶面,最终以很低的能量飞向阳极基体,这使得基体的升温也较低。由于增加了正交电磁场对电子的束缚效应,故其放电电压(500~600V)和气压(10 -1 Pa)都远低于直流二极溅射。



反应磁控溅射


以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极,在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与气体粒子反应生成化合物薄膜,这就是反应磁控溅射 。反应磁控溅射广泛应用于化合物薄膜的大批量生产,这是因为:
(1)反应 磁控溅射所用的靶材料 ( 单元素靶或多元素靶 ) 和反应气体 ( 氧、氮、碳氢化合物等 ) 纯度很高,因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。 
(2)通过调节反应磁控溅射中的工艺参数 , 可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜,通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性。 
(3) 反应磁控溅射沉积过程中基板升温较小,而且制膜过程中通常也不要求对基板进行高温加热,因此对基板材料的限制较少。 
(4) 反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜,并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。 
但是,直流反应溅射的反应气体会在靶表面非侵蚀区形成绝缘介质层,造成电荷积累放电,导致沉积速率降低和不稳定,进而影响薄膜的均匀性及重复性,甚至损坏靶和基片。为了解决这一问题,近年来发展了一系列稳定等离子体以控制沉积速率,提高薄膜均匀性和重复性的辅助技术。
(1) 采用双靶中频电源解决反应磁控溅射过程中因阳极被绝缘介质膜覆盖而造成的等离子体不稳定现象,同时还解决了电荷积累放电的问题。
(2) 利用等离子发射谱监测等离子体中的金属粒子含量,调节反应气体流量使等离子体放电电压稳定,从而使沉积速率稳定。
(3) 使用圆柱形旋转靶减小绝缘介质膜的覆盖面积。
(4) 降低输入功率,并使用能够在放电时自动切断输出功率的智能电源抑制电弧。
(5) 反应过程与沉积过程分室进行,既能有效提高薄膜沉积速率,又能使反应气体与薄膜表面充分反应生成化合物薄膜。




交流磁控溅射
和直流溅射相比交流磁控溅射采 用交流电源代替直流电源,解决了靶面的异常放电现象。 
交流溅射时,靶对真空室壁不是 恒定的负电压 , 而是周期一定的交流脉冲电压 。设脉冲电压的周期为 T, 在负脉冲 T —△ T 时间间隔内,靶面处于放电状态,这一阶段和直流磁控溅射相似;靶面上的绝缘层不断积累正电荷,绝缘层上的场强逐步增大;当场强增大至一定限度后靶电位骤降为零甚至反向,即靶电位处于正脉冲△ T 阶段。在△ T 时间内,放电等离子体中的负电荷─电子向靶面迁移并中和了绝缘层表面所带的正电荷,使绝缘层内场强恢复为零,从而消除了靶面异常放电的可能性。 
在靶面平均功率一定的前提下,负脉冲期间可以给靶施加更大的脉冲功率,因此交流溅射还可以在不改变靶的冷却条件下增强基片附近的等离子体密度。 
交流溅射 ( 脉冲溅射 ) 的电压波形可以是对称的,也可以是不对称的。通常将输出电压波形为不对称的矩形波的交流溅射方式称为脉冲溅射 ( 常用于单靶溅射 ) ;而将输出波形为对称方波或正弦波的溅射方式称为交流溅射 ( 常用于对靶溅射 ) 。当交流溅射技术用于对靶溅射时,一个周期中每块靶轮流充当阴极和阳极,形成良好的“自清洁”效应。在沉积多元合金或化合物薄膜时,还可以通过调节交变脉冲电压的占空比来改变薄膜的组分。 

非平衡磁控溅射
Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控溅射的概念,并给出了非平衡磁控溅射平面靶的原理性设计。对于一个磁控溅射靶,其外环磁场强度与中部磁极的磁场强度相等或接近,称为“平衡磁控溅射靶”;如果某一磁极的磁场相对于另一极性相反的部分增强或减弱,就形成了“非平衡磁控溅射靶”。
非平衡磁控溅射法通过附加磁场,将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200mm到300mm的范围内,使基片沉浸在等离子体中。这样一方面溅射出来的粒子沉积在基片表面形成薄膜,另一方面等离子体轰击基片,起到离子辅助的作用,极大的改善了膜层质量。非平衡磁控溅射除了具有较高的溅射速率外,能够向镀膜区输出更多的离子,离子浓度正比于溅射靶的放电电流。目前,该技术被广泛应用于制备各种硬质薄膜。
非平衡磁控溅射的磁场又分闭合场和非闭合场两种。闭合的磁场能够控制电子只在磁场内沿磁力线移动,避免了电子在真空室壁上的损失。

溅射镀膜技术的应用
1. 制备薄膜磁头的耐磨损氧化膜
硬盘磁头进行读写操作时与硬盘表面产生滑动摩擦,为了减小摩擦力及提高磁头寿命,目前磁头正向薄膜化方向发展。
绝缘膜和保护膜(即AL 2 O 3 、SiO 2 氧化物薄膜)是薄膜磁头主要构成成份  。对薄膜磁头的耐磨损膜的要求是耐冲击性好,耐磨性好,有适当的可加工性以及加工变形小,通常采用反应溅射法制备该种薄膜。为了防止基片升温过高,溅射镀膜过程中要对基片进行冷却。

2. 制备硬质薄膜
目前广泛使用的硬化膜是水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆,而且电镀速度慢,造成环境污染。如果采用金属Cr靶,在N 2 气氛中进行非平衡磁控溅射镀膜,可以在工件上镀覆Cr、CrN X 等镀层  ,代替水溶液电镀用于旋转轴和其它运动部件。

3. 制备切削刀具和模具的超硬膜
采用普通化学气相沉积技术制备TiN、TiC等超硬镀层,温度要在1000 ℃ 左右,这已经超过了高速钢的回火温度,对于硬质合金来说还可能使镀层晶粒长大。而采用对向靶溅射沉积单相TiN薄膜 ,溅射时间只需10~15min,基片温度不超过150 ℃,得到的 TiN薄膜硬度最高可达HV3800。利用非平衡磁控溅射法制备的TiN镀膜,通过膜层硬度和临界载荷实验以及摩擦实验,表明膜层硬度已经达到和超过其它离子镀膜的效果。

4. 制备固体润滑膜
固体润滑膜如MoS 2 薄膜已成功应用于真空工业设备、原子能设备以及航空航天领域,对于工作在高温环境的机械设备也是毕不可少的。虽然MoS 2 可用化学反应镀膜法制备,但溅射镀膜发得到的MoS 2 薄膜致密性好,膜基附着力大,添加Au(5wt%)的MoS 2 膜,其致密性和附着性更好,摩擦系数更小。

5. 制备光学薄膜
溅射法是目前工业生成中制备光学薄膜的一种主要的工艺 。长期以来,反应磁控溅射技术主要用于工具表面镀制 TiN 等超硬膜以及建筑玻璃、汽车玻璃、透明导电膜等单层或简单膜层。近年来,光通信,显示技术等方面对光学薄膜的巨大需求,刺激了将该技术用于光学薄膜工业化 生产的研究。 

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2020年06月03日

磁控溅射镀膜技术的发展及应用

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