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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。磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积和表面覆盖层的制备。随着市场对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,对应的控溅射技术也获得进一步的发展。本文就磁控溅射技术的原理和特点进行介绍,并对磁控溅射技术的实际应用进行分析。
关键词:磁控溅射技术;浅析;应用
一、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。磁控溅射是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长,在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,远离靶材,最终沉积在基片上。磁控溅射的目的是为了通过磁场束缚来延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片,真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用( E X Bdrift)使单个电子轨迹呈三维螺旋状,而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓,那是靶源磁场磁力线呈圆周形状分布。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。 在E X B shift机理下工作的除磁控溅射外,还有多弧镀靶源,离子源,等离子源等都在此原理下工作。所不同的是电场方向,电压电流大小等因素。
磁控溅射的基本原理是利用 Ar—O2混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下,被加速的高能粒子轰击靶材表面,能量交换后,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,转移到基体表面而成膜。
二、磁控溅射技术的特点
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,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,尤其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;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,且重复性好.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。
三、磁控溅射的应用
磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。
在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiOAl2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。光学薄膜应用反应磁控溅射技术已有多年,中频闭合場非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用。特别是透明导电玻璃目前广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜。ITO薄膜最低电阻率接1025Ω·cm量级,可见光范围内平均光透过率在90%以上。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。在现代机械加工工业中,表面功能膜、超硬膜,自润滑薄膜的表面沉积技术自问世以来得到长足发展,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命,应用越来越广泛。溅镀材料包括Ti、Cr、Pt、Cu等金属.TiAl6V4、MCrAlY(M指Ni、Co、Fe等金属)等合金.TiN、TiAlN、TiC、TiCN、CrN、TiAlOX、TiB2、SiC等超硬材料.Al2O3、ZrO2等介质材料薄膜,采用非平衡磁控溅射技术沉积单层、多层或纳米结构薄膜。适合的表面装饰镀膜处理在各种塑料的表面产生优良的金属层,溅射薄膜在光滑的基底表面呈现出金属光泽和良好的附着性,使用多种金属元素可以得到种类繁多、不同金属色泽的镀层,镀层的丰满度、光亮度与传统电镀相近。
磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。
四、结语
磁控溅射技术已经在我国的建材、装饰、光学、防腐蚀、工磨具强化、集成电路等领域得到比较广泛的应用,利用磁控溅射技术进行光电、光热、磁学、超导、介质、催化等功能薄膜制备是当前研究的热点。在未来的研究中,新技术向工业领域的推广、磁控溅射技术与计算机的结合已成为一个研究方向,如何利用计算机来控制精确镀膜过程,利用计算机来模拟镀膜时的磁场、温度场、以及气流分布,必将能给溅射镀膜过程提供可靠的数据支持,也是经济有效的方法。总之,磁控溅射技术具有广阔的应用前景,我们要加强磁控溅射技术研究,促使其更好更快地发展。
参考文献:
[1]贾嘉.溅射法制备纳米薄膜材料及进展[J].半导体技术.2004年07期
[2]徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(上)[J].现代仪器.2005年05期
[3]徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(下)[J].现代仪器.2005年06期
[4]赵嘉学,童洪辉.磁控溅射原理的深入探讨[J].真空.2004年04期
[5]杨武保.磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测[J].石油机械.2005年06期
[6]杨文茂,刘艳文,徐禄祥,冷永祥,黄楠.溅射沉积技术的发展及其现状[J].真空科学与技术.2005年03期
关键词:磁控溅射技术;浅析;应用
一、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。磁控溅射是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长,在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,远离靶材,最终沉积在基片上。磁控溅射的目的是为了通过磁场束缚来延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片,真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用( E X Bdrift)使单个电子轨迹呈三维螺旋状,而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓,那是靶源磁场磁力线呈圆周形状分布。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。 在E X B shift机理下工作的除磁控溅射外,还有多弧镀靶源,离子源,等离子源等都在此原理下工作。所不同的是电场方向,电压电流大小等因素。
磁控溅射的基本原理是利用 Ar—O2混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下,被加速的高能粒子轰击靶材表面,能量交换后,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,转移到基体表面而成膜。
二、磁控溅射技术的特点
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,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,尤其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;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,且重复性好.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。
三、磁控溅射的应用
磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。
在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiOAl2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。光学薄膜应用反应磁控溅射技术已有多年,中频闭合場非平衡磁控溅射技术也已在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用。特别是透明导电玻璃目前广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜。ITO薄膜最低电阻率接1025Ω·cm量级,可见光范围内平均光透过率在90%以上。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。在现代机械加工工业中,表面功能膜、超硬膜,自润滑薄膜的表面沉积技术自问世以来得到长足发展,能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能,从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命,应用越来越广泛。溅镀材料包括Ti、Cr、Pt、Cu等金属.TiAl6V4、MCrAlY(M指Ni、Co、Fe等金属)等合金.TiN、TiAlN、TiC、TiCN、CrN、TiAlOX、TiB2、SiC等超硬材料.Al2O3、ZrO2等介质材料薄膜,采用非平衡磁控溅射技术沉积单层、多层或纳米结构薄膜。适合的表面装饰镀膜处理在各种塑料的表面产生优良的金属层,溅射薄膜在光滑的基底表面呈现出金属光泽和良好的附着性,使用多种金属元素可以得到种类繁多、不同金属色泽的镀层,镀层的丰满度、光亮度与传统电镀相近。
磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。
四、结语
磁控溅射技术已经在我国的建材、装饰、光学、防腐蚀、工磨具强化、集成电路等领域得到比较广泛的应用,利用磁控溅射技术进行光电、光热、磁学、超导、介质、催化等功能薄膜制备是当前研究的热点。在未来的研究中,新技术向工业领域的推广、磁控溅射技术与计算机的结合已成为一个研究方向,如何利用计算机来控制精确镀膜过程,利用计算机来模拟镀膜时的磁场、温度场、以及气流分布,必将能给溅射镀膜过程提供可靠的数据支持,也是经济有效的方法。总之,磁控溅射技术具有广阔的应用前景,我们要加强磁控溅射技术研究,促使其更好更快地发展。
参考文献:
[1]贾嘉.溅射法制备纳米薄膜材料及进展[J].半导体技术.2004年07期
[2]徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(上)[J].现代仪器.2005年05期
[3]徐万劲.磁控溅射技术进展及应用(下)[J].现代仪器.2005年06期
[4]赵嘉学,童洪辉.磁控溅射原理的深入探讨[J].真空.2004年04期
[5]杨武保.磁控溅射镀膜技术最新进展及发展趋势预测[J].石油机械.2005年06期
[6]杨文茂,刘艳文,徐禄祥,冷永祥,黄楠.溅射沉积技术的发展及其现状[J].真空科学与技术.2005年03期