磁控濺射技術發展之思！如何完善技術，衝破瓶頸？

作者：中央民族大學孫刑天。

談到磁控濺射，首先就要說濺射技術。濺射技術是指使得具有一定能量的粒子轟擊材料表面，使得固體材料表面的原子或分子分離，飛濺落於另一物體表面形成鍍膜的技術。被粒子轟擊的材料稱為靶材，而被鍍膜的固體材料稱為基片。首先由極板發射出粒子，這些粒子一般是電子，接著使它們在外電場加速下與惰性氣體分子一般是氬氣分子（即Ar原子）碰撞，使得其電離成Ar離子和二次電子。Ar離子會受到電場的作用，以高速轟擊靶材，使靶材表面原子或分子飛濺出去，落於基片表面沉積下來形成薄膜。

磁控濺射就是在外加電場的兩極之間引入一個磁場。這個磁場使得電子受到洛倫茲力的束縛作用，其運動路線受到控制，因此大大增加了電子與Ar分子（原子）碰撞的機率，提高了氣體分子的電離程度，從而使濺射效率得到很大的提升。

濺射現象自發現以來己被廣泛應用在多種薄膜的製備中，如製備金屬、半導體、合金、氧化物以及化合物半導體等。

一、 濺射原理和分類

濺射是一種物理氣相沉積技術，它利用高能粒子轟擊某種材料的靶材表面，靶面的原子或分子在碰撞的作用下從中逸出，使靶材原子最終澱積在襯底材料上形成薄膜。密閉容器中平行的電極板間充入惰性氣體一般是氬氣，在不大於1000Pa的氣壓下施以較高的電壓，使得氬氣發生輝光放電現象產生正離子，在電場的作用下加速運動撞擊陰極，產生二次電子。二次電子在飛向陽極的過程中與中性的氬氣原子碰撞，當氬原子的離化能大於透過碰撞傳遞的能量時，原子會被激發至高能態，然後在躍遷回低能態的過程中釋放光子，產生輝光放電。另外一部分碰撞傳遞的能量大於氣體原子的離化能，原子會被離化，產生帶正電的離子和帶負電的電子，電子向陽極運動，再次與其他的氣體原子發生碰撞，離子加速向陰極運動，轟擊靶材。

一個帶正電的離子轟擊靶材後並不一定會逸出靶材原子。根據離子荷能大小的不同，會產生四種主要的不同情況，如圖1所示。能量很低的入射離子會在靶材表面發生簡單的反射；另一種情況，能量大於表面勢壘的離子會撞擊靶材激發出原子和原子團，這些原子和原子團攜帶遠大於入射離子的能量；第三種情況，使原子的外層電子與原子核脫離，即二次電子發射；第四種情況，能量很大且與靶材表面夾角大於某一臨界值的離子會穿過多層原子，與原子發生一系列的彈性和非彈性碰撞，到達靶材深處，釋放出大量的能量，當能量減小到一定值時該帶正電的離子將停在靶材內部不再運動。因此，離子能量越大，濺射產額不一定越大，只有離子具有適當的能量，才能使得濺射產額最大。

圖1帶正電的離子入射耙材後可能發生的

濺射的分類，由簡單到複雜，主要要直流濺射、射頻濺射、反應濺射、離子束濺射、磁控濺射等。其中，磁控濺射應用最廣泛，在多種薄膜的製備中得到應用，如製備金屬、半導體、合金、氧化物以及化合物半導體等。下面簡單介紹其中幾種。

1.直流濺射

對於直流濺射，其原理如圖2所示。裝置的主要組成部分是濺射腔室、電極、真空系統以及氣體通路。濺射靶材和薄膜沉積襯底分別放置在正負電極。在正負電極間施加以高的電壓產生等離子體，使氬氣發生輝光放電。等離子體中的電子在電場作用下向正電極加速運動，在運動過程中與氬氣原子發生碰撞，產生Ar離子和電子，帶負電的電子和帶正電的Ar離子分別在電場的作用下向正負電級加速運動，電子再次與氬氣原子發生碰撞，形成新的離子，Ar離子與安裝在負極的靶材發生碰撞。能量適當的Ar離子離子轟擊靶材後使得靶材原子脫離靶材表面，最後沉積在襯底上形成薄膜。

圖2 直流濺射原理示意圖

直流濺射的裝置較為簡單、工藝引數容易控制，但是隻能濺射導電材料不能濺射絕緣體。

2.射頻濺射

射頻濺射的方法，既可以濺射導體又可以濺射絕緣體，解決了直流濺射不能濺射絕緣體的缺點，其原理如圖3所示。射頻濺射會在靶材處形成負偏壓，從而使濺射過程持續進行。靶材上施以射頻電壓，射頻的一個週期會被分為兩段，在上半個週期內，由於電子的質量遠小於Ar離子，所以會以很快的速度飛向靶材，與靶材表面的Ar離子發生中和反應，使靶材附近的電位降低。同時，靶材處很快累積大量的電子，電位降低，形成負電位，使得即使在正半週期，Ar離子也會被吸引而向靶材加速運動，轟擊靶材。而在負半週期內，濺射更是以數倍於上半週期的速率發生濺射現象。因此，射頻濺射不僅會在負半週期發生濺射，同時還會在正半週期也發生濺射，這可顯著提高鍍膜效率。

但是，射頻濺射過程中產生大量的二次電子，二次電子會飛向襯底，使襯底溫度升高，同時使得襯底上的鍍膜帶電並損害襯底。

1-襯底支架；2-靶材；3-靶材安裝位；4-匹配網路；5-電源；6-射頻發生器

圖3射頻濺射原理示意圖

3.離子束濺射

離子束濺射是一種比較新的濺射方法，其原理如圖4所示。在該濺射方法中，可以有一個離子源也可以有兩個離子源，相應的，離子束濺射方法也分為一次離子束濺射和二次離子束濺射。一次離子束濺射中的離子束直接由目標薄膜成分離子組成，其能量較低，在達到襯底後沉積成膜。二次離子束濺射中的離子束由高能惰性氣體離子（Ar離子）組成，這些高能離子轟擊靶材，使靶材原子或原子團沉積在襯底上。在結構上的特點是具有兩個獨立於靶材和襯底的離子源。離子源1發射Ar離子，離子源2的主要作用是對沉積薄膜進行調控，使之在某些方面呈現出更優的性質。

圖4 離子束濺射原理示意圖

離子束濺射使襯底的溫升問題得以解決，另外可較容易地透過控制離子束的種類和能量大小來製備各種成分的薄膜，尤其適於製備多元的薄膜。

4.磁控濺射

磁控濺射的原理如圖5所示。靶材背面加上強磁體，形成磁場。在正負電極間施以高的電壓產生等離子體，使氬氣發生輝光放電。等離子體中的電子在相互垂直的電場和磁場的共同作用下做螺旋式運動，飛向正電極，在運動過程中與氬氣原子發生碰撞，產生Ar離子和電子，帶負電的電子又在相互垂直的電場和磁場的共同作用下向正電級做螺旋式運動，電子再次與氬氣原子發生碰撞，隨著碰撞次數的增大，電子的能量逐漸降低，最後落在襯底上，這就使得高速電子對襯底轟擊產生的溫升大大降低。Ar離子向負極加速運動，與靶材發生碰撞。能量適當的Ar離子離子轟擊靶材後使得靶材原子脫離靶材表面，最後沉積在襯底上形成薄膜。

圖5磁控濺射原理示意圖

濺射粒子達到襯底時的能量大約是蒸發鍍膜時原子的幾十至幾百倍，因此磁控濺射沉積的薄膜與襯底的結合力很強。磁控濺射的最大改進之處在於，二次電子在磁場和電場的共同作用下做螺旋式的運動，有效增加了電子的運動行程，從而大大增加了電子與氣體原子的碰撞機會，將氣體原子的離化率提高了10～100倍。另外，二次電子在磁場的作用下會被束縛在靠近靶材的等離子區域內，在該區域與氬氣原子發生碰撞產生的Ar離子只要經過很短的行程就可對靶材進行轟擊，這兩個原因都使得濺射速率大大增加。磁控濺射的這些優點，如低溫升、高速率及強的薄膜與襯底間的結合力等，使得該濺射方法得到廣泛的應用。

此外，在磁控濺射中，對靶材放置的位置沒有很高的要求，所以一個真空室中可以置放多個靶材，靶材之間相互汙染也非常少。磁控濺射根據其電源放電形式可以分為直流濺射、射頻濺射、非對稱交流濺射、中頻交流濺射、偏壓濺射以及脈衝濺射。圖6為磁控濺射完成的某鉭酸鋰薄膜 SEM（電子顯微鏡照片）橫切面圖。

圖 6 磁控濺射完成的某鉭酸鋰薄膜 SEM

二、磁控濺射技術的工藝歷史發展

1852年，格洛夫發現了陰極濺射，由於該方法要求工作氣壓高、基體溫升高和沉積速率低等，陰極濺射在生產中並沒有得到廣泛的應用。20世紀三十年代，J。Chapin發明了平衡磁控濺射，使高速、低溫濺射成為現實，磁控濺射真正意義上發展起來。

上世紀五十年代Schneider等採用離化濺射和平衡磁控濺射製備氧化鋁薄膜，當增加偏壓後，薄膜硬度是未加偏壓的2倍。

1981年Maniv等在基底和靶之間設定柵板，使反應氣體和Ar氣分隔兩側，極大地改善了遲滯。

上世紀九十年代，中國的牟宗信等採用非平衡磁控濺射技術在AZ31鎂合金基底上製備氮化矽薄膜，試樣表現出良好的耐腐蝕效能。

2008年Berg等透過建立模型分析發現，控制引數為反應氣體時，將靶材濺射面積控制到一定數值以下，遲滯現象就會消失。

2012年龔秋雨等採用中頻磁控濺射技術，製作了W、Al共摻雜含氫非晶碳薄膜。中頻磁控濺射與直流磁控濺射的區別是將直流磁控濺射電源改為交流中頻電源，濺射電源的頻率範圍處於10～80kHz範圍。

2013年，Jie Xiong等實驗發現，中頻交流磁控濺射相對於傳統的磁控濺射技術而言，它能為高絕緣材料提供穩定、無電弧、高沉積速率的鍍膜環境，這為薄膜的大批生產提供了潛在的商機。同時發現，脈衝磁控濺射採用矩形波電壓的脈衝電源代替傳統直流電源進行磁控濺射沉積，濺射沉積率可以大幅度提高，而且沉積溫度也比較低。

2015年F。Lisco等透過一種“光伏太陽能”濺射系統使用脈衝直流磁控濺射沉積Cds薄膜。

2016年H。Y。Dai等探究了採用不同功率的脈衝非平衡磁控濺射沉積非晶碳薄膜效能的影響，發現薄膜硬度在功率100～180W 之間增大，但在180 ～220W 之間減小。

三、磁控濺射技術應用的現狀

磁控濺射技術不僅是科學研究和精密電子製造中常用的薄膜製備工藝技術，經過多年的不斷完善和發展，該技術也已經成為重要的工業化大面積真空鍍膜技術之一，廣泛應用於玻璃、汽車、醫療衛生、電子工業等工業和民生領域。例如，採用磁控濺射工藝生產鍍膜玻璃，其膜層可以由多層金屬或金屬氧化物祖成，允許任意調節能量透過率、反射率，具有良好的美觀效果，被越來越多的被應用於現代建築領域。再比如，磁控濺射技術也能夠應用於織物塗層［3］，這些織物塗層可以應用於安全領域，如防電擊、電磁遮蔽和機器人防護面料等，也可用於染料製作。這樣的塗層織物在醫療衛生、環境保護、電子工業等領域都有重要的應用。

這裡簡單介紹某實際使用的磁控濺射系統，照片如圖7。其為一射頻磁控濺射系統，且為多靶濺射系統，裝置由磁控濺射臺，製冷裝置，渦輪分子泵及氣體流量控制儀組成。在濺射真空室中使用二號靶位的射頻電源對靶材進行磁控濺射。靶材的上方為基片行走單元，能夠實現在不同靶位來回迴圈運動。可以控制行走單元的轉速、時間、靶位來得到更加均勻的薄膜。氣體流量控制儀器能夠實現對氬氣等濺射氣體及真空腔內壓強的測量。同時這一套系統自帶了基底加熱裝置，能夠支援最高到 400 攝氏度的基底升溫，透過加熱電源、溫度計、電爐絲及溫度控制裝置實現對基底的準備升溫和溫度保持。渦輪分子泵系統主要功能是對真空腔內抽取空氣，儘可能地達到腔內真空環境，一般先開啟機械泵及予閥先對真空腔內進行抽真空工作後，再開啟低閥、分子泵及高閥實現對真空腔的抽真空過程。製冷裝置主要使用的水冷的方式，能夠對靶材、濺射源以及分子泵進行冷卻，使裝置不至於在高溫下損壞，良好的保持了濺射靶材及濺射源的溫度。

四、磁控濺射技術應用中存在的問題及思考

隨著科技和經濟社會的發展，人們對磁控濺射技術提出了更高的要求，其存在的不足也日益顯現。人們也正不斷深入研究、改進完善這項技術。

一個重要問題是靶材的利用率較低，這對工業生產的成本控制是不利的。靶材是磁控濺射中最基本的耗材，靶材不僅消耗量大，而且靶材的利用率高低對整個工藝過程、效果以及工藝週期都有相當大的影響。然而，由於目前對於大多數磁控濺射裝置，濺射靶材在濺射過程中總會產生不均勻沖蝕的現象。一旦靶材被擊穿，就會報廢。由此造成的靶材利用率一直較低，一般在30%以下。雖然靶材能夠回收再利用，但其仍然對企業成本控制以及產品競爭力有很大的影響。

為了提高靶材利用率，目前國內磁控鍍膜研究的主要方向還是集中在磁場的最佳化設計上，針對別的領域例如靶材冷卻系統的設計仍較少。目前常用的方法是採用旋轉磁場增加濺射面積等透過改變平面靶結構來提高靶材的利用率，取得了較好成效［4］［5］。

另一個主要的問題是鍍膜機的均勻性較低。鍍膜機均勻性的好壞直接影響到了光學薄膜的品質高低，精密的均勻效能夠提高鍍膜良性，目前對鍍膜機均勻性的精度要求需要0。1%甚至更高。但目前市場上主流的鍍膜機的均勻性只能達到1%。國內有研究團隊研究出一種對鍍膜機夾具的改進來進行均勻性改善的方案，為鍍制高效能薄膜以及提高鍍膜良性提供了一種新的方法［5］。

五、小結

磁控濺射技術是一門起源較早，但至今仍能夠發揮很大作用的技術。它的優越性不僅僅體現在鍍膜方面，更滲透到各個行業領域。時至今日，我國的濺射技術水平較之以前有了很大的突破。隨著時代進步和現代工業化生產需求，社會對磁控濺射工藝的要求也越來越高，這就需要廣大科研人員不斷深入探究，對這項技術進行進一步研究和改良，增強其精度和功能，滿足日益增長的現代工業需求，更好的為社會發展和科學進步貢獻力量。

參考文獻

［1］。王俊。磁控濺射技術的原理與發展［J］。科技創新與應用。 2015，1（2）：34-5。

［2］。周江。磁控濺射鍍膜的原理與故障研究［J］。科技展望。 2015：135。

［3］。王高攀。 磁控濺射技術在產品用紡織品塗層中的應用進展［J］。 產業用紡織品。 2019，8：69-72。

［4］。郎文昌。多模式旋轉磁場對電弧離子鍍弧斑放電的影響分析［J］。真空科學與技術學報。 2015，35（6）：662-70。

［5］。劉思用。 磁控濺射光學膜均勻性改進［J］。 真空VACUUM。 2017，54（2）：68-70。

文章摘自網路，如有侵權，請聯絡刪除。

掌，行業動態；

尋，發展商機。

盡在公眾號：深圳真空行業協會！