磁控溅射技术进展及应用
山东射频磁控溅射用途
山东射频磁控溅射用途山东射频磁控溅射是一种常见的薄膜沉积技术，主要用于制备各种材料的薄膜，广泛应用于光电、化学、电子、信息、医疗等领域。
下面我将详细介绍山东射频磁控溅射的技术原理和主要用途。
一、技术原理山东射频磁控溅射技术是利用高频电场和磁场共同作用下的阴极溅射现象进行薄膜的沉积。
其主要的工作原理如下：1. 高频电场作用：通过向靶材表面施加射频电场，使靶材处于高能状态，激发靶材表面原子和离子的运动。
2. 磁场作用：通过在溅射室内产生强磁场，将靶材表面激发的离子束束缚在一个狭小的区域内，使其以较高的速度冲击到基底表面。
同时，磁场还可以有效控制离子运动方向，提高靶材利用率和沉积速率。
3. 沉积：激发的原子和离子束经过磁场束缚后，以高速撞击到基底表面，形成均匀的薄膜。
二、主要用途山东射频磁控溅射技术主要应用于以下领域：1. 光电领域：利用射频磁控溅射技术可以制备出具有优良光学性能的薄膜材料，如透明导电膜、太阳能电池、液晶显示器背板等。
其中，透明导电膜是光电领域的重要材料之一，广泛应用于触摸屏、平板电脑、智能手机等电子产品中。
2. 化学领域：射频磁控溅射技术可以用于制备各种化学材料的薄膜，如金属氧化物薄膜、二氧化硅薄膜等。
这些薄膜在化学传感、催化反应、生物医学等领域具有重要应用价值。
3. 电子领域：通过射频磁控溅射技术可以制备高纯度的金属薄膜，用于制造电子元件。
例如，磁控溅射技术可以在集成电路制造中用于制备金属线路、金属散热片等关键部件。
4. 信息领域：射频磁控溅射技术可以制备高密度的磁性材料薄膜，用于制造硬盘、磁记录头等用于存储和读取信息的设备。
5. 医疗领域：射频磁控溅射技术可以制备抗菌薄膜、生物相容薄膜等用于医疗器械和医学器件的材料。
这些薄膜具有抑制细菌生长、提高医疗器械生物相容性等特性，使其在医疗领域具有广泛应用前景。
总结起来，山东射频磁控溅射技术是一种重要的薄膜沉积技术，广泛应用于光电、化学、电子、信息、医疗等领域。
磁控溅射的原理及应用
磁控溅射的原理及应用1. 什么是磁控溅射磁控溅射是一种常用的薄膜沉积技术，通过利用磁场将材料原子或离子从靶材表面释放出来，形成一个薄膜层，沉积在基底表面上的一种方法。
这种方法可以在真空环境中进行，可以用于各种材料包括金属、合金、氧化物等。
2. 磁控溅射的原理磁控溅射的原理基于带电粒子在磁场中的运动规律。
溅射系统通常由一个靶材和一个基底组成，它们被放置在真空室中。
磁控溅射的过程包括以下几个步骤：1.靶材表面被离子轰击，其中的原子或离子被释放出来。
2.磁场控制离子在真空室中的运动轨迹。
3.基底表面上的原子或离子吸附并形成一个薄膜层。
这个过程中，磁场是十分重要的。
磁场会引导离子沿着特定的轨迹运动，使得离子沉积在基底的特定位置上。
磁场还可以控制离子的能量和方向，从而影响薄膜的性质和微结构。
3. 磁控溅射的应用磁控溅射是一种多功能的薄膜沉积技术，广泛应用于各种领域。
3.1 表面涂层磁控溅射可以用于向基底表面沉积各种薄膜层。
这些薄膜层可以具有不同的功能，如防腐、耐磨、导电等。
它们可以用于改善材料的性能和外观。
3.2 光学薄膜磁控溅射可以制备高质量的光学薄膜。
这些薄膜可以应用于光学器件，如镜片、滤光片、反射镜等。
因为磁控溅射是在真空环境中进行的，所以这些光学薄膜可以具有良好的光学性能。
3.3 金属薄膜磁控溅射可以制备金属薄膜。
这些薄膜可以具有高导电性和优良的机械性能，可用于电子器件、导电材料等领域。
3.4 磁性材料磁控溅射还可以制备磁性材料薄膜。
这些薄膜可以具有特定的磁性性能，如高矫顽力、高饱和磁感应强度等。
它们可以应用于磁存储器件、传感器等领域。
4. 总结磁控溅射是一种重要的薄膜沉积技术，通过利用磁场控制离子运动和沉积位置，可以制备各种功能薄膜。
它在表面涂层、光学薄膜、金属薄膜和磁性材料等领域有着广泛的应用。
磁控溅射技术的发展，为材料科学和工程领域提供了新的可能性，为各种应用提供了高性能的薄膜材料。
磁控溅射技术的原理及应用
磁控溅射技术的原理及应用1. 磁控溅射技术简介磁控溅射技术是一种常用的薄膜沉积技术，通过将金属靶材溅射生成粒子或原子，在表面形成均匀且致密的薄膜覆盖层。
磁控溅射技术具有高效、环保、可控厚度等特点，广泛应用于材料科学、半导体制造、光学镀膜等领域。
2. 磁控溅射技术的原理磁控溅射技术基于电离溅射原理，通过磁场控制靶材离子的行为，使其垂直击打到靶材表面，从而产生溅射现象。
主要的原理包括以下几个方面：•靶材电离：在磁控溅射设备中，将靶材通电，使其产生离子。
电离的方式包括直流电离、射频电离等，通过电离可使靶材中的金属原子或粒子脱离束缚并形成等离子体。
•磁场控制：通过磁铁或电磁铁产生磁场，使得等离子体中的离子在磁场的作用下呈现螺旋轨道运动。
磁场对离子运动的控制可改变其飞行路径，使其垂直击打到靶材表面，并增加溅射效率。
•沉积膜形成：靶材表面被离子击打后，产生大量的金属原子或粒子，它们在靶材表面扩散并沉积形成均匀的薄膜。
溅射过程中的离子能量、离子束流密度等参数的调控可以影响薄膜的组成、结构和性能。
3. 磁控溅射技术的应用磁控溅射技术具有广泛的应用领域和潜力，主要包括以下几个方面：3.1 材料科学•薄膜制备：磁控溅射技术可以制备各种材料的薄膜，如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
这些薄膜具有良好的致密性和附着力，在材料科学领域中起着重要作用。
•合金制备：通过磁控溅射技术，可以将两种或多种材料溅射在一起，制备出各种复合材料或合金。
这些合金具有独特的力学、电磁等性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
3.2 半导体制造•集成电路制备：磁控溅射技术可以制备半导体材料的薄膜，作为集成电路的关键材料。
薄膜的制备过程中可以调控其成分和结构，从而改变其电学、光学等性能，满足集成电路的需求。
•光罩制备：在半导体工艺中，磁控溅射技术还可以制备光罩。
光罩是半导体制造中的重要工艺设备，用于制作集成电路的图案，对半导体工艺的精度和稳定性要求非常高。
磁控溅射技术在产业用纺织品涂层中的应用进展
磁控溅射技术在产业用纺织品涂层中的应 用进展
文 | 王高攀 张旺笋 孙以镁
摘要：磁控溅射作为一种环保的新型低温高速溅射技术，广泛应用于织物的涂层。文章介绍了织物金属化涂层
常用的方法，综述了磁控溅射技术在安全防护、医疗卫生、环境保护和电子工业等领域的研究进展，探讨了磁
控溅射技术目前存在的问题。研究认为，磁控溅射技术能有效地在织物表面进行金属化处理，赋予织物特殊性
1 产业用纺织品金属化涂层常用方法
产业用纺织品的金属化涂层方法很多，常用的有 金属涂层整理、电化学沉积、化学镀、物理气相沉积和 热喷熔。金属涂层整理是将金属粉末添加到整理剂中， 然后涂覆在织物表面达到涂层目的，其优点是操作简 单、成本较低，但是膜基结合性和耐洗性差。电化学沉 积是在电解液中通过电流产生化学反应，促使反应物逐 渐在阴极沉积达到涂层目的，其优点是生产成本低、工 艺简单、对基体形状无要求，缺点是电沉积过程难以控 制。化学镀是在镀膜过程中采用还原剂，通过化学反应 直接在基体表面沉积薄膜达到涂层目的，其优点是工序 简单、成本低，缺点是预处理阶段较为繁琐，且适用范 围有限，反应速度不可控，难以工业化。物理气相沉积 （PVD）是一种真空过程，基础是将涂层材料从源靶中 释放出来，并转移到涂层物体表面形成薄膜，如氧化铟 锡（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜，达到涂层目的。PVD 作为一种新型绿色的镀膜技术，具备化学性能稳定、耐 热耐氧化、对基材无损伤、能形成完整的膜等特点，其 可以采用电弧法、溅射法、真空蒸发法、阴极溅射法和 磁控溅射法，在对纺织材料进行涂层时，可以制备出具 有特殊性能的新材料，如导电和导热、过滤细菌和病毒 等的织物。磁控溅射属于PVD的一种，按照溅射方式可 分为直流溅射、射频溅射、反应溅射，多用于产业用纺 织品的金属化处理，可镀膜包括银（Ag）膜、铜（Cu） 膜、聚四氟乙烯（PTFE）膜等。热喷熔是将欲喷涂的 物质热熔处理后，喷涂到基层材料上或进入基层材料内 部，形成一层沉积物达到涂层目的，其可在柔软的纺织 材料表面覆盖一层陶瓷或金属材质涂层，在阻燃、疏水 整理等织物功能化领域应用较为广泛。
磁控溅射技术进展及应用
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引言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许多方面1～8,特别是在微电子、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制备。
1852年Grove首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。
60年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。
磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。
一、磁控溅射镀膜原理及其特点1.1、磁控溅射沉积镀膜机理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。
磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000Gauss强力磁铁,真空室充入011～10Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体。
在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar+离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10～100倍,因此该区域内等离子体密度很高。
磁控溅射在生活中的应用
磁控溅射在生活中的应用磁控溅射是一种常见的物理气相沉积技术，它利用磁场控制离子在溅射目标表面的运动，从而获得高质量、均匀薄膜。
该技术在生活中有广泛的应用，包括电子产品、能源领域、光学薄膜和功能材料等方面。
首先，磁控溅射在电子产品制造行业中广泛应用。
如在平板电视、显示器和电子触摸屏等设备制造中，通过通过磁控溅射技术制备薄膜层，可以大幅提高显示屏的图像质量、色彩鲜艳度和对比度。
此外，磁控溅射还用于半导体器件的制备，如制造场效应管（FET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等，以提高其导电性能和稳定性。
其次，磁控溅射在能源领域有重要的应用。
例如，太阳能光伏电池是一种重要的可再生能源，在制备太阳能电池过程中，磁控溅射技术被广泛应用于镀膜层的制备。
这些镀膜层可以提供保护、反射和增透等功能，提高太阳能电池的光吸收效率和电池的转换效率。
此外，由于磁控溅射技术可以实现高质量、高纯度的薄膜制备，因此在光学领域中也得到广泛应用。
例如，光学镀膜是制备各种光学器件的关键步骤。
通过磁控溅射技术制备的光学镀膜能够提供优秀的反射、透过和滤波等功能，用于制作光学仪器、激光设备、光学滤光片等，提高光学器件的性能和稳定性。
此外，磁控溅射技术在功能材料制备中也有广泛的应用。
例如，金属、合金和陶瓷等材料在制备过程中需要进行表面改性或涂层保护。
通过磁控溅射技术，可以在材料表面形成均匀、致密的涂层，提高材料的抗腐蚀性能、耐磨性和耐高温性能。
此外，磁控溅射技术还被应用于纳米材料的制备，如纳米粒子、纳米线和薄膜的制备，用于研究纳米材料的特性和开发新型纳米材料的应用。
综上所述，磁控溅射技术在生活中有广泛的应用。
它在电子产品、能源领域、光学薄膜和功能材料制备等方面发挥着重要作用。
通过磁控溅射技术制备的薄膜层具有高质量、均匀性好等特点，能够提高相关产品的性能和功能。
随着科技的进步和创新，磁控溅射技术将继续在各个领域中得到广泛应用，并且不断推动相关技术和产品的发展。
磁控溅射技术及其应用
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三、磁控溅射镀膜技术发展
3、反应磁控溅射技术
• 靶中毒：迟滞现象使反应气体与靶材作用生成的化合物覆盖在靶材表面，积 累大量的正电荷无法中和，在靶材表面建立越来越高的正电位，阴极位降区 的电位随之降低，最终阴极位降区电位降减小到零，放电熄灭，溅射停止， 这种现象称为靶中毒。 • 打弧：当靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流流过 击穿点，形成弧光放电，导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度，发生喷射
可以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用
下,沉积速度快,膜层致密且与基片附着性好,非常适合于大批量且高 效率的工业化生产。
二、磁控溅射镀膜技术原理
2、磁控溅射技术
• 磁控溅射的工作原理是在辉光放电 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
三、磁控溅射镀膜技术发展
5、脉冲磁控溅射技术
• 脉冲磁控溅射是采用矩形波电压的脉冲电源
代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。脉冲
磁控溅射技术可以有效的抑制电弧产生进而 消除由此产生的薄膜缺陷，同时可以提高溅 射沉积速率，降低沉积温度等一系列显著优
点。
• 脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲。双向脉冲 在一个周期内存在正电压和负电压两个阶段 ，在负电压段，电源工作于靶材的溅射，正
射的同时，阳极靶完成表面清洁，
如此周期性地变换磁控靶极性，就 产生了“自清洁”效应。
四、磁控溅射镀膜技术的发展
6、磁控溅射新发展
•
高速溅射：高速溅射能够实现高速率沉积，可以缩短溅射镀膜的时间，提高 工业生产的效率；有可能替代目前对环境有污染的电镀工艺。
•
自溅射：当溅射率非常高，以至于在完全没有惰性气体的情况下也能维持放 电，即是仅用离化的被溅射材料的蒸汽来维持放电，这种磁控溅射被称为自 溅射。被溅射材料的离子化以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄膜 形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合物形成中的化学反应。由此 可能制备出新的薄膜材料，发展新的溅射技术，例如在深孔底部自溅射沉积 薄膜。
磁控溅射镀膜技术的研究进展
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。
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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。
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引言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许多方面1～8,特别是在微电子、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制备。
1852年Grove首次描述溅射这种物理现象,20世纪40年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。
60年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。
磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。
一、磁控溅射镀膜原理及其特点1.1、磁控溅射沉积镀膜机理磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。
磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置100～1000Gauss强力磁铁,真空室充入011～10Pa压力的惰性气体(Ar),作为气体放电的载体。
在高压作用下Ar原子电离成为Ar+离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞,电离出大量的Ar+离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10～100倍,因此该区域内等离子体密度很高。
经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。
而Ar+离子在高压电场加速作用下,与靶材的撞击并释放出能量,导致靶材表面的原子吸收Ar+离子的动能而脱离原晶格束缚,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片,并在基片上沉积形成薄膜。
溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为1～10eV,溅射镀膜理论密度可达98%。
比较蒸镀011～1eV的粒子能量和95%的镀膜理论密度而言,溅镀薄膜的性质、牢固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好。
磁控管中阴极和磁体的结构直接影响溅射镀膜的性能,因此根据磁控溅射应用要求,发展出各种不同结构和可变磁场的阴极磁控管,以改善和提高薄膜的质量和靶材的利用率。
1.2、磁控溅射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。
磁控溅射的靶材利用率一直是个问题,由于靶源磁场磁力线分布呈圆周形状,在靶表面的一个环形区域内,靶材被消蚀成一个深的沟,这种靶材的非均匀消耗,造成靶材的利用率较低。
实际应用中,圆形的平面阴极靶,靶材的利用率通常小于50%。
通过磁场的优化设计可提高靶材的利用率,特定的条件下,一些厂商磁控管的靶材利用率可以超过70%。
另外,旋转靶材的利用率较高,一般可达到70%～80%以上。
二、磁控溅射技术进展2.1、传统磁控溅射或平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射在平衡磁控溅射(Balanced Magnetron Sputtering)中,阴极磁控管有一个紧密的限制磁场,所以磁力线在靶的表面保持闭合,等离子体被强烈地限制在靶表面附近,被限制的高密度等离子体存在从靶表面向外延伸大约60mm的区域之中。
在沉积薄膜的过程中,基片放置于高密度等离子体离子轰击区域之外,电子和离子撞击基片的机会很少,粒子流的密度(ICD)<1mA/cm2,这种平衡磁控溅射基片维持较冷的状态,同时由于没有足够的离子轰击以改变沉积薄膜的微结构,因此,难以沉积出大面积结构致密、附着坚固的高质量薄膜。
对于放置于等离子体离子轰击区域中的基片,由于离子对基片的轰击,将强烈地改变最终薄膜的结构和性质,由此发展出非平衡磁控溅射技术(Un2balanced Magnetron Sputtering)。
平衡和非平衡磁控溅射的差异在于对等离子体的限制程度不同,非平衡磁控管的特点是有一个较弱的限制磁场,在真空室中磁力线从靶表面延伸出来,在靶的表面区域磁场对电子和粒子的限制相对较弱,因而粒子中的电子很容易地达到基片上,粒子流的密度(ICD)增加到2～10mA/cm2,等离子体的区域也扩展到基片的表面。
造成基片附近有较高的电子密度,撞击加热基片到较高的温度,并且提供电离的机制,上述两点对于特殊薄膜的形成有重要的作用。
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、成分复杂的薄膜的问题得以解决,并且由此发展出各种多靶磁控溅射系统。
多靶非平衡磁控溅射根据非平衡磁控管放置的方式,可以分成相邻磁控管磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射两种,显示在不同靶与基片的间距下单靶、闭合磁场和镜像磁场磁控溅射的溅射率,由于镜像磁场方式不能有效的束缚电子,因而等离子体的溅射率与单个阴极靶相当,并未得到提高。
而闭合磁场结构放置,有效的束缚电子,大幅度提高溅射率。
闭合场磁场磁控管放电的等离子体是被限制在两个靶之间,而镜像磁场磁控管放电的等离子体是分离的,并且是相斥的,这使镜像磁场磁控溅射可以沉积大面积较薄的膜层。
实验也表明在过渡模式下反应溅射透明氧化物TiO2,镜像磁场磁控溅射的溅射速率为2615 nm/min,比闭合磁场磁控溅射的速率3115 nm/min低。
由于闭合场非平衡磁控溅射系统可以产生非常理想的离子沉积环境,因此可以生产出高密度、高强度、与基片结合性能极其优秀的薄膜,这项技术的沉积镀膜系统具有两个或两个以上的非平衡场磁控管,依靠这些磁控管组合所产生的闭合场来有效的增加镀膜过程中的等离子体密度,提高溅射的速率,改进薄膜质量。
系统包括以下基本形式:两个相邻磁极相反的磁控管并排排列方式、两个相邻磁极相反的磁控管面对面排列方式、四个相邻磁极极性相反的磁控管对称排列方式等几种形式。
闭合场非平衡磁控溅射技术目前被应用在切削刀具上镀超硬膜、自润滑膜;建筑、汽车镀膜玻璃和电子工业中的透明导电玻璃的生产中。
2.2、反应溅射(Reactive Magnetron Sputtering),共溅射(Co2sputtering)沉积多元成分的合金及化合物薄膜,可以使用合金及化合物材料制作的靶材,直接进行溅射沉积。
另外常采用反应溅射和共溅射技术,沉积含有多元成分的化合物、混合物及合金材料薄膜。
相对于采用化合物靶材的溅射方法,反应溅射和共溅射技术可通过控制溅射参数,能够调节薄膜材料的组分,沉积出不同组分包括化学配比或非化学配比的材料薄膜。
反应溅射是在溅射的惰性气体气氛中,通入一定比例的反应气体,通常用作反应气体的主要是氧气和氮气。
在存在反应气体的情况下,溅射靶材时,靶材料会与反应气体反应形成化合物,最后沉积在基片上。
在惰性气体溅射化合物靶材时,由于化学不稳定性往往导致薄膜较靶材少一个或更多组分,此时如果加上反应气体可以补偿所缺少的组分,这种溅射也可视为反应溅射。
介质薄膜的直流反应磁控溅射过程往往呈现高度不稳定,不稳定的原因是随反应气体流量增加,脱离了金属溅射模式,靶材和反应气体作用会在靶表面非侵蚀区覆盖绝缘介质层,溅射沉积速率会突然下降,并在介质薄膜上积累大量的电荷,因过量的电荷积累而放电,造成靶表面的毒害,称之为阴极中毒;在阴极磁控管附近的屏蔽阳极上也可能覆盖介质薄膜,导致阳极消失现象。
阴极靶电压与反应气体的流量迟滞回线压与反应气体的流量迟滞回线,通常高速率反应沉积过程工作在过渡模式(transition mode),为能够工作在这个区域,需有一个快速反应气体控制系统。
此外采用脉冲电源或中频交流电源,以克服介质薄膜溅射过程中的电荷积累和放电。
近来研究工作开始关注材料在含氢的气氛下磁控溅射沉积过程,研究溅射过程中氢对H+Ar的辉光等离子体的影响和掺H的薄膜的物理性质。
分析不同浓度的H2,对溅射过程以及沉积薄膜的一些性质产生影响的原因。
Liang2Yih Chen等用射频磁控溅射(RFMS)方法,沉积H掺杂的氧化锌(ZnO:H)透明导电薄膜,射频磁控溅射中在氩气中加入一定量氢气,掺氢的氧化锌(ZnO:H)薄膜的电阻率明显减少。
其掺氢的氧化锌薄膜电阻率最小可达2×1024Ω/cm,ZnO:H薄膜的电学性质与在Ar 气氛中H2浓度之间的关系,实验的结果表明ZnO:H是n型载流子,载流子的浓度随溅射过程中H2浓度的增加而增加。
X射线衍射结果表明d0002晶面间的间距随H2的浓度的增加而增加;在H2的浓度小于约40%时,载流子的迁移率随溅射过程中H2浓度的增加而增加,最大的载流子的迁移率为40cm2/Vs,随后载流子的迁移率随溅射过程中H2浓度的增加而减少;在沉积过程中H2的浓度在40%左右,电阻率达到最小为2×1024Ω/cm,此时载流子的迁移率和浓度分别为39cm2/Vs和3×1020cm23。
通过测量ZnO:H薄膜的透射光谱来测量从UV到可见光范围的透过率,ZnO:H薄膜在可见光范围的透过率超过80%,当沉积中H2的浓度进一步增加,透射率随之增加到100%,透射率谱线短波方向的截止波长也趋于更短。
另外研究H2在H+Ar混合等离子体中对溅射过程所起的作用,N1 Laidani等人的工作是在Ar气氛中通入H2,用射频溅射沉积C薄膜。
研究不同H2浓度下,H对溅射过程的影响和H+Ar等离子体物理性质,实验用Langmuir探针探测等离子体中的物理参数,分析氢对放电过程的影响,对阴极的过程分析显示,在低浓度H2范围(3%～20%)溅射机制基本上是物理过程,更高H2浓度范围则须考虑化学辅助作用。