磁控溅射镀膜的简介及其实际操作

作者：徐超群

作者单位：乐山师范学院物理与电子工程系

【摘要】溅射技术的最新成就之一是磁控溅射。对于二级溅射、偏压溅射、三级或四级溅射和射频溅射而         言。它们的缺点是沉积速率较低，特别是阴极溅射。因为它们在放电过程中只有大约0.3~0.5%的         气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率。由于在磁控溅         射中引入了正交电磁场使离化率提高到5~6%。于是溅射速率比三级溅射提高10倍左右，对许多         材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。

【关键字】溅射 电子 电场 磁场 高速

1.磁控溅射的工作原理：

电子e在电厂E的作用下在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞使其电离Ar⁺和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar⁺在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能能量轰击靶表面使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则由于不显电性而直接沉积在基片上形成薄膜。二次电子e一旦离开了靶面，就会同时受到电场和磁场的作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

 

                                                

综上所述：  磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过 程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

2.磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点

     产生这两大特点的原理为：磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效的利用了电子的能量。因此，是正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时受正交电磁场的束缚电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。所以磁控溅射具有“低温”“高速”这两大特点。

3.磁控溅射设备的主要用途

●     各种功能性薄膜：如具有吸收、透射、反射、折射、偏光等作用的薄膜。例如，低温沉积氮化硅减反射膜，以提高太阳能电池的光电转换效率。

●     时沿装饰领域的应用，如各种全反射膜及半透明膜等，如手机外壳，鼠标等。

●    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。

●    在光学领域：中频闭合场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。

●    在机械加工行业中,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。

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。

4.磁控溅射的设备结构

总体结构共分六个部分，见下图

 

5． 操作规程

5.1 开机准备工作

5.1.1 机械泵旋转方向检验：接上电源后，首先确认机械泵旋转方向，如果发现反转，则应调相（厂家现场调试时已做好）。

5.1.2 冷却水检测：将设备接上水冷机，检测出水端是否出水，在确认水路系统正常工作后即可进行下一步。

5.1.3 电气检查：检查总供电电源配线是否完好，地线是否接好，所有仪表电源开关全部处于关闭状态。

5.1.4 真空系统检测：检查分子泵、机械泵油是否达到标线处。检查所有手动阀门是否处在

关闭状态（注意，本设备中所使用的手动阀门，顺时针方向为关闭方向，逆时针为打开方向）。确定真空室已经处在抽真空的准备状态。

5.1.5 靶材的更换：开机前，应根据本次实验的需要相应的靶材。

5.1.6 基片安装：先将样品（待镀基片）清洗干净进行预处理后，放到基片托盘上，用夹子压紧，然后将装有基片的基片托盘放到基片架上。

5.2 开机

5.2.1 打开水冷机电源及泵的开关，打开冷却水阀门，接通冷却水，启动二个控制柜的总电源，相关电源的仪表盘点亮，表示设备供电正常。

5.2.2 启动机械泵: 见真空系统原理图，按下控制软件界面的机械泵启动按纽，指示灯亮，此时机械泵工作。机械泵工作后，打开溅射室的旁抽阀及电磁阀开关，机械泵对真空室及分子泵泵腔（若上次实验后分子泵泵腔保持真空状态，可在真空室内压强下降到10Pa以下再打开电磁阀）进行抽气。打开复合真空计进行测量。真空计使用方法详见（《NYGF-II复合真空计使用说明书》）。

5.2.3 启动分子泵：先打开分子泵控制电源开关（本设备总电源打开后分子泵控制电源已带电），当真空计读数小于10Pa时，按下分子泵电源面板上绿色的“运行”按纽，其电源控制面板上显示“速率追踪中”，分子泵开始工作。约4-8分钟后，分子泵电源面板上的转速为24000R/Min，实际频率为400HZ时，分子泵进入正常工作状态。这时先关闭旁抽阀，再打开超高真空插板阀对真空室抽气。此时参考复合真空计使用说明书，可测量高真空。在分子泵连续抽气，并经12小时以上连续抽气后，溅射室的真空度可达极限真空约为4.0×10^-5Pa的指标。

5.3 镀膜

用分子泵+机械泵对真空室连续抽真空，利用复合真空计监测真空室内的真空度。待真空室内本底真空度达到本次实验所预期要求后，即可准备镀膜工作。

5.3.1 通入气体

      打开进气阀，将管道中的气体抽掉（若设备长时间不用，当机械泵对真空腔体预抽时，即要打开进气阀，同时对管道进行预抽），打开流量控制器前级的截止阀（前面板上的三个阀门），接通流量控制器与溅射室，此时，打开流量显示仪电源，在面板上调节设定好进入气体的流量，相应气体通入溅射室，同时溅射室的真空度会相应下降，压力上升，此时通过调节溅射室插板阀的开口大小进而来调节溅射室的压力，以达到实验所要求的压力，

5.3.2 直流溅射

      本系统共有三只靶，其中二只靶接的是直流电源，进行直流溅射；溅射室压力达到放电要求后，选好靶位，打开相应的电源，缓慢调节直流溅射电源面板上的功率调节按纽，同时观察电流与电压的变化，调整到所需功率后既可。

5.3.3 射频溅射

      本系统共有三只靶，其中一只靶接的是射频电源，射频电源的详细使用见附件：《SY型射频功率源使用说明》。

5.4 关机

      溅射完成后，可按反向依次关闭相关电源及阀门，进行关机操作了。

5.4.1 停止镀膜

镀膜完成后，先关溅射电源，然后关闭气路（按照从气瓶到真室室的顺序将气路上所有的阀门都关上），停止基片转动，停止加热及偏压等，再关闭相关控制电源。

5.4.2 关闭系统

关闭射频电源及相关气路阀门后，利用分子泵对真空室进行再次抽气，使系统进入高真空状态。关闭和真空室连接的所有阀门，使真空室保持真空状态。

关闭分子泵：先按分子泵“停止”按钮，待分子泵实际频率降到“0”，转速降到0即可。待分子泵停稳后，依次关闭电磁阀、机械泵、复合真空计电源，最后关闭设备的总控制电源，关闭冷却水阀门。

第二篇：磁控溅射镀膜简介

磁控溅射镀膜简介

溅射薄膜靶材按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜相物理功能膜两大类。前者包括耐摩、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料, 后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料靶材等, 具体应用在玻璃涂层 (各种建筑玻璃、ITO透明导电玻璃、家电玻璃、高反射后视镜及亚克力镀膜), 工艺品装饰镀膜, 高速钢刀具镀膜, 切削刀具镀膜, 太阳能反光材料镀膜, 光电、半导体、光磁储存媒体、被动组件、平面显示器、微机电、光学组件、及各类机械耐磨、润滑、生物医学, 各种新型功能镀膜 (如硬质膜、金属膜、半导体膜、介质膜、碳膜、铁磁膜和磁性薄膜等)

采用Cr，Cr-CrN等合金靶材或镶嵌靶材，在N2,CH4等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr,CrC,CrN等镀层。纯Cr的显微硬度为425～840HV，CrN为1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆、速率慢，而且会产生环境污染问题。

用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般可使刀具寿命提高3～10倍。

TiN，TiC，Al2O3等膜层化学性能稳定，在许多介质中具有良好的耐蚀性，可以作为基体材料保护膜。溅射镀膜法和液体急冷法都能制取非晶态合金，其成分几乎相同，腐蚀特性和电化学特性也没有什么差别，只是溅射法得到的非晶态膜阳极电流和氧化速率略大。

在高温、低温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状物质等固体润滑剂。常用的固体润滑剂有软金属(Au,Ag,Pb,Sn等)，层状物质(MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等)，高分子材料(尼龙、聚四氟乙烯等)等。其中溅射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。虽然MoS2膜可用化学反应镀膜法制作，但是溅射镀膜法得到的MoS2膜致密性好，附着性优良。MoS2溅射膜的摩擦系数很低，在0.02～0.05范围内。MoS2在实际应用时有两个问题:一是对有些基体材料如Ag,Cu,Be等目前还不能涂覆;二是随湿度增加，MoS2膜的附着性变差。在大气中使用要添加Sb2O3等防氧化剂，以便在MoS2表面形成一种保护膜。

溅射法可以制取聚四氟乙烯膜。试验表明，这种高分子材料薄膜的润滑特性不受环境湿度的影响，可长期在大气环境中使用，是一种很有发展前途的固体润滑剂。其使用温度上限为5OoC，低于-260oC时才失去润滑性。

MoS2、聚四氟乙烯等溅射膜，在长时间放置后性能变化不大，这对长时间备用、突然使用又要求可靠的设备如防震、报警、防火、保险装置等是较为理想的固体润滑剂。

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