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磁控溅射镀膜技术的发展_余东海

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磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测_杨武保

磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测_杨武保
防腐蚀、高硬度薄膜在提高石油机械的性能、 寿命等方面能 够发挥重要作 用, 低摩擦系 数、润 滑、防泥包、催化、光学等功能薄膜应用于石化行 业时有望大幅 度提高工作效率、产品品质 以及环 保、安全性等。伴随者新型磁控溅射技术及工艺的 发展、应用, 石油、化工行业对提高生产效率、环 保、安全性等需求的增加, 磁控溅射技术对石油、 化工领域的重要性将不断增大。但是, 目前我国石 化行业对磁控溅射技术尚缺乏足够的了解、应用, 也没有从事该方面工作的专门机构。为此, 笔者呼 吁相关方面应加强对磁控溅射技术的支持。
2005年 第 33卷 第 6期 专题综述
石油 机械 CH INA PETROLEUM MACH INERY
) 73 )
磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测*
杨 武 保 1, 2
( 11 中国石油大学 ( 北京 ) 机 电工程学院 21 中信国安盟固利研究院 )
摘要 磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。 探讨了磁控溅射技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步, 说明利用新型的磁控溅射 技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等, 并进一步取代 电镀等传统表面处理技术。最后呼吁石化行业应大力发展和应用磁控溅射技术。
新型磁控溅射镀膜工艺
国内发展现状及在石化行业的应用
从一般的金属靶材溅射、反应溅射、偏压溅射 等, 伴随着工业需求及新型磁控溅射技术的出现, 低压溅射、高速沉积、自支撑溅射沉积、多重表面
工程以及脉冲溅射等新型工艺成为目前该领域的发 展趋势。
低压溅射的关键问题是在低 压 ( 一般是指 < 011 Pa) 下, 电子与气体原子的碰撞几率降低, 在 常规磁控溅射技术中, 不足以维持靶材表面的辉光 放电, 导致溅射沉积无法继续进行。通过优化磁场 设计, 使得电子空间运动距离延长, 非平衡磁控溅 射技术可以实现在 10- 2 Pa级的真空下进行溅射沉 积。另外, 通过外加电磁场约束电子运动可以实现 更低压强下的溅射沉积。

磁控溅射技术及其发展

磁控溅射技术及其发展
ｎ ｍｉ ， 现 了“ 速” 射【 ｍ／ ｎ 实 高 溅 １ 川。
度 ， 改善膜 层 的结 构 和 性 能 ， 来 但在 很 多 的情 况 下 ，
工 件材 料本 身不 能 承受 所需 的高 温 ， 就需 要 继 续 这
溅 射镀 膜 的产业 化 ， 随后 便 出现 了三 级 溅射 和磁 控
溅射。 ３ １ 平衡磁 控溅 射技 术 ．
磁控 溅射 最典 型 的特点 就是 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 ， 能量 传递 给气 体分 子 ， 把 本身 变 为低 能 粒 子 ， 就 不 会 使 基 板 过 热 ［ 还 有 也 １ 妇；
平 衡 磁控 溅 射 即传 统 的 磁控 溅 射 ， 在 直 流二 是 级 溅射 的基 础上 发展起 来 的 。在 阴极 靶材 背后 放置 永 磁体 或 电磁线 圈 ， 靶 材 表 面形 成 与 电场方 向垂 在
ｍ ａ ｎｅ ｒ ｎ ｓ ｕｔ ｅ ｉ ｇ ｔ ｏ ｐ ｔ ｒｎｇ
摘要 ： 控溅射技术可制备超硬膜 、 腐蚀摩擦 薄膜 、 导 薄膜 、 性 薄膜 、 学 薄膜 ， 及各种 具有 特殊功 能的薄膜 ， 磁 耐 超 磁 光 以 在 工 业 薄 膜 制 备 领 域 的应 用 非 常 广 泛 。本 文 着 重 介 绍 了磁 控 溅 射 技 术原 理 、 点 、 控 溅 射 技 术 的发 展 史 及 其 发 展 趋 势 。 特 磁 关 键 词 ： 膜 制 备 ； 控 溅 射 ； 衡 磁 控 溅 射 ； 平 衡 磁 控 溅 射 薄 磁 平 非
因Ｅ３ １ 。溅 射速 率高 是 因为二 次 电子 作 摆 线运 动 ， ２ 要 经过 上百 米 的飞行 才最 终 被 阳极 吸 收［ 而气 压 为 １ ，

磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势

磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势

120赵向杰磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势**基金项目：2018年西安航空职业技术学院校级综合科研项目（18XHZH-015）o 作者简介：赵向杰，硕士研究生，讲师，教学研究方向；机械工程。

赵向杰(西安航空职业技术学院，陕西西安710089)摘要：综述了磁控溅射镀膜技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的发展，利用新型的磁控溅射镀膜技术可以实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备以及提高反应溅射沉积薄膜的质量等，并进一步取代电镀等传统表面处理技术。

并阐述磁控溅射镀膜技术在电子、光学、表面功能薄膜等许多方面的应用。

关键词：磁控溅射镀膜，薄膜制备，应用中图分类号：TB79Development and Research of Magnetron Sputtering Coating TechnologyZHAO Xiang-jie(Xi?an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi*an710089shaanxi,China)Abstract：In this paper,the magnetron sputtering technology in the non-equilibrium magnetic field sputtering,pulsed magnetron sputtering and other aspects were.introdnced It is shown that the new type of magnetron sputtering technology can realize the high-speed deposition of the film,the preparation of the high purity film,improve the quality of the reactive sputtering deposition film,and further replace the traditional surface treatment technology such as electroplating.Finally,the application of magnetron sputtering technology in many aspects such as electronics,optics,surface functional film and so on were expounded.Key words:magnetron sputtering coating,film fabrication,气相沉积是指气态（含等离子态）的镀料物质在基体上沉积，形成薄膜的过程。

溅射镀膜进展

溅射镀膜进展

证，厚度均匀性得到改善 。 本文表明转动式磁控溅射是一种最经济的和效果 良好的工艺。 平面磁控溅射镀膜工艺中 的一些不足之处， 通过采用旋转筒式技术可以予以克服 。 采用 旋转筒式磁控镀膜工艺的主要 优点有三 ：可制成多种镀膜、充分利用原材料 、 可使粉末密度提高两倍，从而提高了溅射速 度并可制成复杂结构 。 ． 转动式溅射靶 随着市场对磁控溅射真空镀膜的兴趣增长， 制造靶材业因而扩展 。 由于热喷涂技术 的适 应性强 ，成为制造溅射靶的首选工艺。有三个参数直接影响着制造商 的总成本： （ ）材料成分：掺杂材料可 以是化学配 比成分，也可 以是非化学配 比成分，不受相图 １ 制约 ， 因而操作者可开发出传统靶材铸造工艺无法制成的特种镀膜 。 热喷涂无需考虑溶解度 的限制 。喷涂前只需备好适 当比例 的简单混合物即可制出两种材料制成的混合靶材 。 （ ）材料广泛性：几乎所有原料均可用于喷涂，不管是低熔 点金属还是高熔点陶瓷。 ２ （ ）靶材灵活性 ：耐用靶材 （ ３ 犬骨形）使材料两端 的厚度增大 ，结果使材料利用率提 高，多种材料均可使用 ，而且可制 出不同长度的靶，最长可达 ３ ０ｍ。 ８ｃ 利用先进 的筒式靶管可制 出 Ｓ Ｏ 、Ｔ ２ ｉ２ ｎ ２ ｉ 、ＳＯ 以及 ￥３ ４ Ｏ ｉ 等多种常用薄膜或多层年 第 １ ０７ 期
溅射镀膜进 展
磁控溅射是在玻璃上沉积薄膜 的一种真空镀膜技术 。自２ 世纪 ６ 年代末发 明以来， ０ ０ 溅 射电极经历了一系列演变 。 最重要的技术进步是旋转筒式磁控管及先进旋转筒式溅射靶 的使 用。这两项并行进展使镀膜效率大为提高，同时使成本显著降低，与此 同时镀膜质量获得保
面广，但是因其平面结构而带来若干局限。 旋转筒状 ＩＩ 靶克服了平面陶瓷 ＩＩ 靶的局 限性，其优点包括： １ ｏ １ ｏ ①更大的有效靶源量、 靶材利用率高，因而降低了停机 时间； ②提高了反应沉积过程的 稳定性：③改善了靶冷却技术，从而提高 了功率密度和沉积速率 ； ④先期现场测试表明，在 靶利用率提高一倍的同时，业主总成本减少了每平米 ４％以上 。 ０ 三种磁效应 对磁场加 以控制很关键，因为它影响溅射镀膜 的三个主要特性：厚度均匀性、 高沉积速 率和靶材利用最大化 。 市场对厚度均匀性提出苛刻的要求 。 ３ 在 ｍ宽的底板上， 厚度误差不得超过几个百分点。 磁场强度是仅次于气体调节的另一个监控手段 ，用 以确保镀膜均匀性达到要求 。 溅射靶表面处的磁场应仔细监控 以期满足高沉积速度、 理想厚度均匀性和尽可能节约原 材料三项综合指标 。 为满 足三项技术指标 ，比利 时贝卡 尔特 公司采用了一种可调 节磁汇流条 （ ｄｍｔ ｌ Ａｇ ａｅ ｂ ＭａｎｔＢ ｒ，这是专为大面积转动式筒形磁控管溅射装置而设计的。连同以前在磁学与力 ｇ ｅ ａ） 学方面的改进 ， 整个磁条形成一个装于水导管之上的极靴上的磁铁组合件 。 该磁条是自动的、

试谈磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势

试谈磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势

试谈磁控溅射镀膜技术的研究及发展趋势作者：孙毅来源：《科学与财富》2020年第35期摘要：本文概述磁控溅射镀膜及其工作原理，着重探討当前现有的镀膜工艺，包括平衡及非平衡磁控、脉冲磁控、反应磁控等，进一步分析此类技术未来的发展趋势。

关键词：磁控溅射镀膜;非平衡磁控;脉冲磁控引言：磁控溅射镀膜工艺的出现，已经获得优异的成绩，并被广大相关专业人士关注，在镀膜行业中展现出非凡的发展速度。

其出现之初，仅能在表面平整的工件上达到较好的处理效果。

一、磁控溅射镀膜此项技术是基于特定的物理反应，实行与气相沉积相似的一项工艺。

镀膜需在真空环境下，将电量两极导入磁场，在电场及磁场的双重作用下，完成溅射。

该种溅射方式弥补常规溅射技术的部分不足，并合理开拓其他运用领域。

在阴极靶材之上构建电磁场，在此范围内，若因溅射出现加速成高能电子的情况，不会直接撞击阳极，会受到磁场的“指引”，进行摆动，借助摆动的力会冲击气体分子，由此将带有的能量传送至气体分子，进而出现电力，冲击的一方便又回到原本的低能状态。

之后会跟随磁力线的移动，达到距离阴极较近的辅助阳极处，而被吸入。

此过程能有效降低高能电子产生的冲击力，对基材起到保护的作用，并展现出低温溅射的特征。

同时，高能电子的持续摆动，需经过较长的距离才进入阳极，但受到电子量级的影响，电离度偏高，所以放电的概率相对提升，离子的电流密度有所增大，由此溅射的速度快，反而展现出高速溅射的特征。

二、常见的磁控溅射镀膜工艺（一）平衡磁控此项工艺属于一项相对常规的溅射工艺，其利用永磁体及电磁圈，引导电子活动。

电磁场能把控电子的活动轨迹，让其和气体分子相互接触并产生反应，由此确保溅射的质量及最终的沉淀速度。

由于二次电子与靶材相距不远，再加上等离子的密度偏高，且密度会随着与靶材的距离拉长逐渐降低，镀膜的质量也随之下降，因此，该项工艺对加工构件的大小有限制。

实际应用平衡溅射时，飞出的电子一般是低能状态，难以满足加工的实际标准，而提升温度能优化镀膜的质量，但需考量加工构件本身可以承受的温度。

磁控溅射技术及其发展

磁控溅射技术及其发展

万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据磁控溅射技术及其发展作者：李芬， 朱颖， 李刘合， 卢求元， 朱剑豪， LI Fen， ZHU Ying， LI Liu-he， Lu Qiu-yuan， ZHU Jian-hao作者单位：李芬,朱颖,李刘合,LI Fen,ZHU Ying,LI Liu-he(北京航空航天大学,机械工程及自动化学院,北京,100191)， 卢求元,朱剑豪,Lu Qiu-yuan,ZHU Jian-hao(香港城市大学,应用物理及材料系,香港)刊名：真空电子技术英文刊名：VACUUM ELECTRONICS年，卷(期)：2011(3)被引用次数：53次1.贾嘉溅射法制备纳米薄膜材料及进展[期刊论文]-半导体技术 2004(7)2.王银川真空镀膜技术的现状及发展[期刊论文]-现代仪器 2000(6)3.吴大维,曾昭元,刘传胜,张友珍,彭友贵,范湘军高速钢镀氮化碳超硬涂层及其应用研究[期刊论文]-核技术2003(4)4.孙银洁,马林,齐宏进磁控溅射法制备防水透湿织物[期刊论文]-高分子材料科学与工程 2003(4)5.王合英,孙文博,陈宜宝,何元金磁控溅射镀膜过程中非均匀磁场中电子的运动[期刊论文]-物理实验 2008(11)6.闫绍峰,骆红,廖国进,巴德纯,闻立时掺杂浓度对中频反应磁控溅射制备Al2O3：Ce3+薄膜发光性能的影响[期刊论文]-真空 2009(2)7.贾芳,乔学亮,陈建国,李世涛,王国锋磁控溅射制备AZO/Ag/AZO透明导电膜的性能研究[期刊论文]-光电工程2007(12)8.方亮,彭丽萍,杨小飞,黄秋柳,周科,吴芳,刘高斌,马勇磁控溅射制备In掺杂ZnO薄膜及NO2气敏特性分析[期刊论文]-重庆大学学报（自然科学版） 2009(9)9.林东洋,赵玉涛,甘俊旗,程晓农,戴起勋钛合金表面磁控溅射制备HA/YSZ梯度涂层[期刊论文]-材料工程 2008(5)10.Brauer G;Szyszka B;Vergohl M Magnetron Sputtering-Milestones of 30 Years 201011.戴达煌;刘敏;余志明薄膜与涂层现代表面技术 200812.赵嘉学,童洪辉磁控溅射原理的深入探讨[期刊论文]-真空 2004(4)13.郭明,王凤杰调整磁场强度分布提高靶材利用率[期刊论文]-玻璃 2003(3)14.刘翔宇,赵来,许生,范垂祯,查良镇磁控溅射镀膜设备中靶的优化设计[期刊论文]-真空 2003(4)15.常天海高磁场强度的矩形平面磁控溅射靶的设计[期刊论文]-真空与低温 2003(1)16.徐万劲磁控溅射技术进展及应用（下）[期刊论文]-现代仪器 2005(6)17.李德元;赵文珍;董晓强等离子体技术在材料加工中的应用(第1版) 200518.徐万劲磁控溅射技术进展及应用（上）[期刊论文]-现代仪器 2005(5)19.Window B;Savvides N Unbalanced DC Magnetrons as Sources of High Ion Fluxes 1986(2A)20.Savvides N;Window B Unbalanced Magnetron IonAssisted Deposition and Property Modification of Thin Films 1986(2A)21.许生,侯晓波,范垂祯,赵来,周海军,吴克坚,高文波,颜远全,查良镇硅靶中频反应磁控溅射二氧化硅薄膜的特性研究[期刊论文]-真空 2001(5)22.W. D. Sproul High-rate reactive DC magnetron sputtering of oxide and nitride superlattice coatings[外文期刊] 1998(4)23.Heister U;Krempel-Hesse J;Szczyrbowski J TwinMag II:Improving an Advanced Sputtering Tool 200024.Belkind;Freilich A;Song G Mid-Frequency Reactive Sputtering of Dielectrics:Al《'2》O《'3》 200325.赵印中,王洁冰,邱家稳,许旻,李强勇用交流孪生靶磁控反应溅射法制备ITO薄膜[期刊论文]-真空与低温2003(1)26.P. J. Kelly;J. Hisek;Y. Zhou Advanced coatings through pulsed magnetron sputtering[外文期刊] 2004(3)27.余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤磁控溅射镀膜技术的发展[期刊论文]-真空 2009(2)28.Boo Jin-Hyo;Jung Min Jae;Park Heon Kyu High-Rate Deposition of Copper Thin Films Using Newly Designed High-Power Magnetron Sputtering Source 200429.Musil J;Vlcek J A Perspective of Magnetron Sputtering in Surface Engineering 199930.Kouznetsov Vladimir;Macak Karol;Schneider Jochen M A Novel Pulsed Magnetron Sputter Technique Utilizing Very High Target Power Densities 199931.吴忠振,朱宗涛,巩春志,田修波,杨士勤,李希平高功率脉冲磁控溅射技术的发展与研究[期刊论文]-真空2009(3)32.Ehiasarian A P;New R;Munz W D Influence of High Power Densities on the Composition of Pulsed Magnetron Plasmas 20021.王怀义.刁训刚.王聪.郝维昌.王天民.WANG Huai-yi.DIAO Xun-gang.WANG Cong.HAO Wei-chang.WANG Tian-min 一种增磁装置在磁控射频溅射制备薄膜中的应用[期刊论文]-功能材料与器件学报2011,17(3)2.林东洋.赵玉涛.张钊用磁控溅射技术制备钛合金表面HA生物涂层[期刊论文]-生物骨科材料与临床研究2004,1(5)3.钟江泉.周天勇.刘威明非平衡磁控溅射技术在刀具涂层上的应用[期刊论文]-技术与市场2011,18(5)4.丁娟.赵韦人.符史流.於元炯.DING Juan.ZHAO Wei-ren.FU Shi-liu.YU Yuan-jiong Ni52Mn26Ga22薄膜的马氏体相变和磁电阻[期刊论文]-金属功能材料2006,13(3)5.赵新民.狄国庆.朱炎外加磁场对磁控溅射靶利用率的影响[期刊论文]-真空科学与技术学报2003,23(2)6.王佐平.邢建东.胡奈赛.王伟.WANG Zuoping.XING Jiandong.HU Naisai.WANG Wei金属基类石墨复合膜微观组织结构分析[期刊论文]-热加工工艺2010,39(16)7.常立红能量过滤磁控溅射技术制备ITO薄膜及其性能研究[学位论文]20108.凌国伟.倪翰.萧域星磁控溅射技术的新进展[会议论文]-19981.张岿溅射制备材料的机理分析[期刊论文]-今日湖北（中旬刊） 2015(03)2.孙天乐脉冲磁控溅射电源关键技术研究[学位论文]硕士 20143.宁波磁控溅射电源控制系统的研究与设计[学位论文]硕士 20144.黄英,韩晶雪,李建军,常亮,张以忱直流磁控溅射中磁场强度和阴极电压对圆平面靶刻蚀形貌的影响[期刊论文]-真空 2013(03)5.王德山类金刚石碳膜磁控溅射抗剥离结合强度的实验研究[期刊论文]-廊坊师范学院学报（自然科学版）2014(06)6.马景灵,任风章,孙浩亮磁控溅射镀膜技术的发展及应用[期刊论文]-中国科教创新导刊 2013(29)7.朱明海,陈广彬,冯禹,龚楠,汪剑波磁控溅射制备Ti-Zn-O复合薄膜及其光学性质研究[期刊论文]-长春理工大学学报（自然科学版） 2014(01)8.臧侃,董华军,郭方准国产氩离子枪的研发[期刊论文]-物理 2014(01)9.崔世宇,缪强,梁文萍,徐一,杨晶晶,张志刚Ti2AlNb基合金表面磁控溅射Al/Al2O3薄膜及扩散处理对其抗高温氧化性能的影响[期刊论文]-材料保护 2015(02)10.凤权,华谦,武丁胜,马坤强,苏信基于磁控溅射技术的非织造空气过滤材料的制备及性能研究[期刊论文]-产业用纺织品 2015(01)11.张锋,翟建广,梁志敏,王广卉类金刚石薄膜电极在污水处理中的应用[期刊论文]-上海工程技术大学学报2013(04)12.孙敏制备工艺对SiO2/PET复合包装膜结合强度的影响[学位论文]硕士 201313.武世祥NiFe薄膜各向异性磁电阻研究[学位论文]硕士 201414.何光宇,李应红,柴艳,张翼飞,王冠航空发动机压气机叶片砂尘冲蚀防护涂层关键问题综述[期刊论文]-航空学报 2015(06)15.陈庆明可控光流体热透镜[学位论文]硕士 201416.黄世龙基于6sigma的F公司PVD颜色稳定性改善研究[学位论文]硕士 201217.周一帆微Schwarzschild物镜的设计与MEMS制作研究[学位论文]博士 2013引用本文格式：李芬.朱颖.李刘合.卢求元.朱剑豪.LI Fen.ZHU Ying.LI Liu-he.Lu Qiu-yuan.ZHU Jian-hao磁控溅射技术及其发展[期刊论文]-真空电子技术 2011(3)。

磁控溅射镀膜技术的发展及应用


积而后成膜 。 溅 射 镀 膜 就 是 利 用 低 气 压 辉 ２ 磁控溅射镀膜技术 的发展 光 放 电 产 生 的 氩 气 正 离 子 在 电 场 作 用 下
近 年来磁控 溅射技 术 发展非常 迅速 ，
高速轰 击阴极靶材 ， 把 靶 材 中 的 原 子 或 分 代 表 性 方 法 有 非 平 衡 磁 控 溅射 、 反 应 磁 控 备 的 ［ ５ Ｉ 。 子 等 粒 子 溅 射 出 而 沉 积 到 基 片 或 者 工 件 溅 射 及 高 速 溅 射 等 等 。
气等 ， 在 阴 极 和 阳 极 之 间加 几 千 伏 的 高
压， 阴 阳 极 之 间会 产 生 低 压 辉 光 放 电 。 放
质量 ， （ ６ ） 溅射， 氩 气 电 离 后形 成 的正 离 子 在 发 展 ， 越 来 越 多 地 用 到各 种 化 合 物 薄 膜 材 正 交 的 磁 场 和 电场 的 作 用 下 ， 高 速 轰 击 靶 料 。 可 以 直 接 使 用 化 合物 材 料 制 作 的靶 材 材， 使 溅 射 出的 靶 材 粒 子 到 达 基 片表 面 沉 通 过 溅 射 来 制 备 化 合 物 薄 膜 ， 也 可 在 溅射 积成 膜 ； （ ７ ） 退火 ， 薄 膜 与 基 片的热 膨 胀 系数 金 属 或 合 金 靶 材 时 ， 通 入 一 定 的 反 应 气 相互 扩 散 可 以 有 效 提 高 粘 着 力 。 后者 被 称 为 反 应 磁 控 溅 射 。 一 般 来 说 纯 金 属 作 为 靶 材 和 气 体 反 应 较 容 易得 到 高 质 量的 化 合 物 薄 膜 ， 因 而大 多 数 化 合 物 薄 膜 是 用 纯 金 属 为 靶 材 的 反 应 溅 磁 控 射 来 制
溅 射 镀 膜 过 程 主 要 是 将 欲 沉 积 成 薄 膜 在 １ ５ ０ ℃ ～２ ０ ０ ℃之 间 ； （ ４ ） 氩气 分压 ， 一 般 选 为 此 研 究 人 员 开 发 出 了 多 靶 非 平 衡 磁 控 的材 料 制 成 靶 材 ， 固 定 在 溅 射 沉 积 系 统 的 择 在 ０ ． ０ １ ～ｌ Ｐ ａ 范围内， 以满 足 辉 光放 电的 溅 射 镀 膜 系统 ， 弥 补 了单 靶 非 平 衡 磁 控 溅

2023年中国磁控溅射镀膜行业发展现状及下游产业链市场发展全景分析预测

2023年中国磁控溅射镀膜行业发展现状及下游产业链市场发展全景分析预测（1）磁控溅射镀膜技术：磁控溅射镀膜技术是PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）镀膜技术的一种，其工作原理系通过施加与电场方向垂直的磁场，控制高能粒子束（通常采用Ar+）加速轰击阴极靶材表面，使靶材发生溅射生成原子并沉积在基板表面形成薄膜。

中金企信国际咨询权威公布《2023-2029年磁控溅射镀膜行业市场调查及“十四五”投资战略预测报告》磁控溅射镀膜技术能够有效提高膜层的沉积速率、降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏，制成薄膜在特性上具有显著优势，适合大面积镀膜生产，是目前最主要的工业镀膜方式之一。

中金企信国际咨询权威公布《2023-2029年柔性光学导电材料行业发展现状与投资战略规划可行性报告》（2）磁控溅射镀膜行业发展现状：磁控溅射镀膜技术在中国自20世纪90年代起逐渐应用于工业生产，此后，随着国际产业转移以及国内技术的进步，磁控溅射镀膜技术在我国开始广泛应用于平板显示、触控面板、光伏电池以及装饰面板等产品的工业制造，并随着卷绕溅射镀膜技术的日益成熟，镀膜基材也由传统的玻璃基板拓展到了柔性领域。

在下游市场需求以及技术创新的不断推动下，我国磁控溅射镀膜行业得到了快速发展。

中金企信国际咨询权威公布《2023-2029年智能表计市场深度调研及投资可行性预测咨询报告》①显示触控：中金企信国际咨询权威公布《2023-2029年中国消费电子行业市场供需格局分析及投资战略可行性报告》A、LCD用ITO导电玻璃：ITO（Indium Tin Oxides，氧化铟锡）导电玻璃，是指在玻璃基板上利用磁控溅射的方法沉积ITO薄膜，加工制作成的一种具有良好透明导电性能的玻璃产品，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性。

中金企信国际咨询权威公布《2023-2029年汽车电子行业市场运行格局分析及投资战略可行性评估预测报告》LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示）是一种现代显示技术，其原理是将液晶置于两片平行的ITO导电玻璃基板之间，在ITO导电玻璃的电极作用下，液晶分子排列会发生扭曲，从而控制偏振光出射状态，产生显示画面。

磁控溅射技术的原理与发展

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。

磁控溅射介绍


在玻璃上贴膜，这种膜的透光性非常高，以至于 看不出有任何改变，就能达到夏季隔热、冬季保 温、居住安全的目的。

在光学存储领域,光盘存储自推出以来技术不断更新, 磁控溅射也从镀制CD2ROM的Al及CD2R的Au或Ag 的光反射层,到CD2RW中镀制ZnS2SiO2/GeSbTe(或 AgInSbTe)/ZnS2SiO2/Al多层结构光记录媒介膜。 目前随着对光存储的需求大幅度的增加,磁控溅射在 光学存储领域将发挥更大的作用
磁控溅射镀膜技术 的发展和应用
刘永
随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为一种重 要的分支从过去体材料一统天下的局面脱颖而出。如 过去需要纵多体材料组合才能实现的功能，现在仅需 几块电路板或一块集成电路板就能完成。薄膜技术将 各种不同的材料灵活的复合在一起，具有异特性的复 杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免优单一 材料局限性。薄膜的应用越来越广，因此薄膜的制备 研究非常重要。 薄膜的制备方法有物理、化学法。物理法指在真空 下，采用各种物理方法将固态镀膜材料转化为原子、 分子或离子的气相物质后再沉积于基体表面，从而形 成固体薄膜的一类薄膜制备方法。由于粒子发射可以 采用不同的方式，因而物理气相沉积技术可以呈现出 不同的形式，主要有 真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子 镀膜，束流沉积等几种形式。
磁控溅射:：
磁控溅射的优点 ：
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由于电子运动路径大大延长，显著提高阴极位降区 的电子密度，所以使溅射气压降低，且降低了薄膜 污染的可能性； 电子运动路径变长，Ar原子电离率增大，溅射速率 高 电子只有能量耗尽时才运动到基片，基片温度升高 不大，可以减少衬底损伤，降低沉积温度； 易实现在塑料等衬底上的薄膜低温沉积射和自溅射技术因其具 备很大的潜力而被业界所重视。究其原因就是高速 率溅射和自溅射中，其溅射材料具有较高的离化率； 溅射材料的大量电离可以减少，甚至消除对惰性气 体的需求，从而大大改善了沉积膜层的结构：可以 大大缩短薄膜形成的时间，从而提高工业应用的效 率。 在高速率溅射系统中如果不存在惰性气体，就 称为自溅射。自溅射过程中由于没有惰性气体的参 与，在 很大程度上影响了膜层的生长过程以及其结 构成分；并且在制取合金或混 合物薄膜时，自溅射 还可以促进溅射 粒子化学反应的进行。
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第46卷第2期2009年3月真空VACUUMVol.46,No.2Mar.2009收稿日期：2008-09-03作者简介：余东海（1978-），男，广东省广州市人，博士生联系人：王成勇，教授。

*基金项目：国家自然科学基金（50775045）；东莞市科技计划项目（20071109）。

磁控溅射镀膜技术的发展余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤（广东工业大学机电学院，广东广州510006）摘要：磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅射技术与也取得了进一步的发展。

非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。

关键词：镀膜技术；磁控溅射；磁控溅射靶中图分类号：TB43文献标识码：A文章编号：1002-0322（2009）02-0019-07Recent development of magnetron sputtering processesYU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian(Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China )Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrialfields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes.Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。

溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（＜0.1Pa ）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。

在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。

增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。

在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。

但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。

磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。

磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积DOI:10.13385/ki.vacuum.2009.02.026真空VACUUM 第46卷配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、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；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。

近年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有射频溅射、反应磁控溅射、非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射、高速溅射等。

1平衡磁控溅射平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。

沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar ，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar +离子和电子，产生辉光放电，Ar +离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。

电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率[2,3]。

但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。

且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。

提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。

非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图1所示。

这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量[4]。

图1（a)平衡磁控溅射(b)非平衡磁控溅射Fig.1(a)balanced magetron sputtering (b)unbalanced megnetron sputtering2非平衡磁控溅射1985年，Window 和Savvides [5,6]首先引入了非平衡磁控溅射的概念。

不久，多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例[10]。

非平衡磁控溅射系统有两种结构[11,12]，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。

另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子束流密度提高，通常可达5mA/cm 2以上。

这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。

非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。

在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改20··余东海，等：磁控溅射镀膜技术的发展第2期性目的。

比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层[12]。

非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。

对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。

多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图2所示（a）为双靶闭合磁场，（b）为双靶镜像磁场。

图2（a）闭合磁场磁控溅射（b）镜像磁场磁控溅射Fig.2Magnetron sputtering in(a)closed magnetic field(b)mirroy's magnetic field比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。

在内部和外环磁极的位置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。

再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。