关于磁控溅射发展历程的综述

一.磁控溅射电镀上世纪80年代开始, 磁控溅射技术得到迅猛的发展, 其应用领域得到了极大的推广。

现在磁控溅射技术已经在镀膜领域占有举足轻重的地位, 在工业生产和科学领域发挥着极大的作用。

正是近来市场上各方面对高质量薄膜日益增长的需要使磁控溅射不断的发展。

在许多方面, 磁控溅射薄膜的表现都比物理蒸发沉积制成的要好；并且在同样的功能下采用磁控溅射技术制得的可以比采用其他技术制得的要厚。

因此, 磁控溅射技术在许多应用领域涉及制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要是影响。

磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。

其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,涉及各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷等物质,特别适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且反复性好;溅射粒子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。

1.磁控溅射工作原理:磁控溅射属于辉光放电范畴, 运用阴极溅射原理进行镀膜。

膜层粒子来源于辉光放电中, 氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。

氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到元件表面形成所需膜层。

磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹, 使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动, 因而大大增长了与气体分子碰撞的几率。

用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶), 使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。

磁控溅射技术研究进展薄膜技术不仅可改变工件表面性能，提高工件的耐磨损、抗氧化、耐腐蚀等性能，延长工件使用寿命，还能满足特殊使用条件和功能对新材料的要求。

磁控溅射技术具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点，因此，被认为是镀膜技术中最具发展前景的一项新技术，同时也成为镀膜工业应用领域（特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合）的首选方案[1-8]。

1 磁控溅射技术原理溅射是指具有一定能量的粒子轰击固体表面，使得固体分子或原子离开固体从表面射出的现象。

溅射镀膜是指利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成薄膜的过程。

磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线增加了电子和带电粒子以及气体分子相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压。

而Ar＋离子在高压电场加速作用下与靶材撞击，并释放能量使靶材表面的靶原子逸出靶材，飞向基板并沉积在基板上形成薄膜。

图1所示为平面圆形靶磁控溅射原理。

磁控溅射技术得以广泛的应用是由该技术的特点所决定的。

可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料、以及绝缘的氧化物陶瓷、聚合物等物质。

磁控溅射可制备多种薄膜不同功能的薄膜，还可沉积组分混合的混合物化合物薄膜。

在溅射过程中基板温升低和能实现高速溅射，溅射产生二次电子被加速为高能电子后，在正交磁场作用下作摆线运动，不断与气体分子发生碰撞，把能量传递给气体分子本身变为低能粒子也就不会使基板过热。

随着磁控溅射技术的发展，发展起了反应磁控溅射，非平衡磁控溅射，高功率脉冲磁控溅射等新技术，下面将一一介绍。

2 磁控溅射技术发展2.1 反应磁控溅射随着表面技术的发展化合物薄膜得到了广泛的应用，反应磁控溅射技术是沉积化合物薄膜的主要方式之一（沉积多元成分的化合物薄膜）。

磁控溅射镀膜技术的研究进展磁控溅射镀膜技术是一种常见的表面处理技术，它可以在各种基材表面制备出具有特殊性能的薄膜层。

随着技术的不断发展，在材料的选择、制备工艺、表面状态分析等方面都有所进步，使得磁控溅射镀膜技术在科学研究和实际应用中发挥着重要作用。

一、磁控溅射镀膜技术的基本原理磁控溅射镀膜技术基于靶材发射金属离子的原理，通过高能离子轰击固体靶材表面，使得金属离子从靶材表面脱离并沉积在基材表面上，从而形成具有一定厚度和化学组成的功能性膜层。

这种技术的独特之处在于可以通过控制靶材的化学成分和溅射工艺参数来调控薄膜层的结构和性能。

其中，靶材的化学成分直接影响薄膜层的组成，而溅射工艺参数如气压、功率、溅射气体种类和气体流量等则直接影响溅射速率和膜层的质量。

二、材料选择与制备工艺磁控溅射镀膜技术广泛用于各种材料的制备，包括金属、合金、氧化物、硅类材料以及半导体材料等。

对于不同的材料，其制备工艺也有所不同。

金属材料通常采用单一金属靶材或合金靶材进行制备，而合金靶材的组成比例可以通过调整靶材的制备工艺来实现。

氧化物材料则需要先将靶材还原成金属或合金形态，然后利用气氛调节技术调节气氛中氧气含量来制备氧化物膜层。

在制备工艺方面，需要进行适当的气氛调节和工艺优化。

例如，在制备合金材料时，需要考虑合金靶材的制备过程中的变形问题，找到合适的制备参数来保证靶材的均匀溅射和膜层的均匀沉积。

三、表面状态分析磁控溅射镀膜技术制备出的膜层常常需要通过表面状态分析来控制其性能，最常用的分析方法是X射线衍射和扫描电镜技术。

X射线衍射技术可以用于分析膜层的结晶性、晶格参数和晶胞结构等信息，从而定量描述膜层的结构和性能。

而扫描电镜技术则可以提供更丰富和直观的表面形貌信息，包括表面粗糙度、形貌变化和结构特征等。

此外，还有一些其他的表面分析技术如原子力显微镜、能量散射光谱和X射线光电子能谱等，可以用于全面分析膜层的属性和性能。

四、应用前景磁控溅射镀膜技术在各种领域都得到了广泛应用，在新能源、医疗、航空航天等高科技产业中有着重要的地位。

3硅基发光研究项目得到国家自然科学基金委员会光电重大计划重点项目90201037资助磁控溅射技术进展及应用(下)3徐万劲(北京大学物理学院　北京　100871)摘　要　近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛,在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。

随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。

本文将介绍磁控溅射技术的发展,以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点,阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。

关键词　磁控管　溅射率　非平衡磁控溅射　闭合场非平衡磁控溅射　自溅射213　直流溅射(DC Magnetron Sputtering )、射频溅射(RF Magnetron Sputtering )、脉冲溅射(Pulsed Magnetron Sputtering )和中频溅射(Medium Fre 2quency Magnetron Sputtering )直流溅射和射频溅射(f =13156MH z )是很早就开始应用的溅射技术,在二极溅射系统中已经被采用,直流溅射方法用于被溅射材料为导电材料的溅射和反应溅射镀膜中,其工艺设备简单,有较高的溅射速率。

而对陶瓷等介质材料靶,则只能采用射频磁控溅射方法沉积薄膜,射频磁控溅射方法能对任何材料包括各种导体、半导体和绝缘介质进行溅射镀膜。

直流反应溅射则可以使用导体及高掺杂半导体材料作为靶材,沉积介质薄膜,有较高的溅射速率。

但是反应溅射沉积介质薄膜过程中,通常会出现阳极消失、阴极中毒、放电打弧问题,破坏了等离子体的稳定性,使沉积速率发生变化,导致溅射过程难以控制,限制直流反应磁控溅射技术在介质膜的应用。

近几年来发展起来的脉冲溅射和中频溅射技术可以在反应溅射绝缘介质薄膜的过程中,释放靶表面积累的电荷、防止放电打弧的现象,并具有溅射速率快、沉积速率高等优点。

脉冲磁控溅射(10～350kH z )已经成为公认的作为绝缘材料沉积的优选的工艺过程2,33,该技术使用的脉冲电源输出电压波形是非对称的双极性脉冲(见图8),脉冲电源的正向脉冲对于释放靶表面的积聚的电荷、防止打弧是有效的,脉冲工作方式在沉积中提供稳定无弧的工作状态。

磁控溅射技术的原理与发展磁控溅射技术因为其自身所具有的显著优点，已经被越来越广泛的运用于各个领域，其中以工业镀膜方面的应用最为广泛，相应的其生产技术也得到了很大的改进。

文章着重讲述磁控技溅射技术的原理，特点以及磁控溅射技术的发展趋势。

标签：镀膜技术；磁控溅射；平衡磁控溅射；非平衡磁控溅射自1852年，格洛夫发现阴极溅射现象，对于溅射技术的运用便逐步发展起来，从上世纪80年代至今，磁控溅射技术在表面工程领域占据举足轻重的地位。

磁控溅射技术可制备超硬膜、耐腐蚀摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊功能的薄膜，是一种十分有效的薄膜沉积方法。

1 溅射镀膜的原理溅射技术是指用有一定能量的粒子轰击固体表面，使该固体表面的原子或者分子离开其表面，溅射出去的技术，该固体被称为靶材，飞溅而出的原子或分子落于另一固体表面形成镀膜，被镀膜的固体称之为基片。

电子在外加电场作用下，加速向外飞出，与Ar原子发生碰撞，使Ar原子电离成Ar离子和二次电子，并将其大部分能量传递给Ar离子，Ar离子获得能量后以高速轰击靶材，使其上原子或分子脱离靶材表面飞溅出去，这些获得能量的原子或分子落于基片表面并沉淀下来形成镀膜。

但由于发生了多次的能量传递，导致电子无法轰击电离靶材，而是直接落于基片之上。

磁控溅射是在外加电场的两极之间引入一个磁场，电子受电场力加速作用的同时受到洛伦兹磁力的束缚作用，从而使其运动轨迹由原来的直线变成摆线，从而增加了高速电子与氩气分子相碰撞的几率，能大大提高氩气分子的电离程度，因此便可降低了工作气压，而Ar离子在高压电场加速作用下，轰击靶材表面，使靶材表面更多的原子或分子脱离原晶格而溅出靶材飞向基片，高速撞击沉淀于基片上形成薄膜，由于二次电子残余的能量较低，落于基片后引起的温度变化并不明显，于是磁控溅射镀膜技术拥有“高速低温”的特点。

2 磁控溅射镀膜技术与传统的镀膜技术相比的优点可制备成靶材的材料很多，选材面较广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以被用来制作靶材；在一定条件下通过多个靶材共同溅射方式，可在基片表面镀上一层比例精确的合金膜；通过精确地控制磁场与电场的大小可以获得高质量且较为均匀的膜厚；由于是通过离子溅射从而使得靶材物质由固态直接转变为高速离子态，而且溅射靶的安装是不受限制的，使之十分适合大容积多靶装置的设计；此外，在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可以是靶材与这些气体发生反应形成化合物膜层沉淀在基片的表面；同时，磁控溅射技术形成镀膜具有速度快，膜层致密均匀精度高附着性好等特点，从而此项技术十分适合大批量的工业化生产，并具有极高的生产率与生产效率。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
反应磁控溅射技术的发展情况及趋势
综述了反应磁控溅射技术的发展情况。

分析了模拟反应磁控溅射的Berg 经典模型；详述了反应磁控溅射过程中迟滞效应和打火现象的产生原理及过程；分析了消除迟滞效应和打火现象的各种方法并提出个人的观点；展望了反应磁控溅射技术的发展趋势。

反应磁控溅射是具有一定能量的离子(Ar+)溅射金属或合金靶表面，被溅射出的金属原子和反应气体发生化学反应在基体上形成化合物薄膜。

反应磁控溅射技术是目前科研和生产中制备化合物薄膜最常用的方法，能沉积不同种类的化合物，如:氧化物、氮化物、碳化物、氟化物和砷化物等。

反应磁控溅射技术的优点是:借助精密的监控设备能快速沉积所需化学配比的化合物薄膜；金靶容易提纯和加工，因此靶材的成本低且所得薄膜的纯度高；金属靶具有良好的热传导性，因此靶的冷却效果较好，即靶能承受较高功率的溅射；反应磁控溅射沉积薄膜时，基体的温度较低(小于3e)。

理想的反应溅射应该是在基体上沉积化合物，但是在实际溅射过程中，不仅在基体上沉积了化合物薄膜，同时靶材表面也会和反应气体发生化合反应形成化合物覆盖层，即所说的靶中毒。

如反应溅射过程中的不稳定性是较复杂的非线性关系，为了预知和减少前期工艺优化的工作量，于1987 年由Berg 带头的课题组提出了一个依反应气体平衡为依据的模拟反应溅射过程的模型。

该模型简单可靠，后来Berg 课题组还有其他国家的研究人员对该模型进行了深入的研究和发展，使模拟结果更趋近于实际的溅射过程。

本文详述了反应磁控溅射过程中迟滞效应和打火现象的产生原理，分析了消除迟滞效应和打火现象的各种方法并提出个人的观点，分析了Berg 模型，展望了反应磁控溅射技术的发展趋势。