李学龙，徐兴文，徐斌骁

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

磁控溅射是一种物理气相沉积技术，因其低温、高效、成膜效率高、膜层质量好等诸多优点被广泛应用于工业镀膜当中[1]。上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。本文从基本原理、种类与工艺参数（溅射功率、沉积时间、真空度、靶基距）等方面对磁控溅射技术近些年的应用做一简介。

1 基本原理及特点

1.1 基本原理

溅射镀膜就是通过粒子轰击靶材产生溅射，靶材向基片射出原子或离子，沉积在基片上形成膜层的过程。磁控溅射就是在两极辉光放电时附加磁场，电子被电场加速的同时被磁场束缚，呈摆线运动，提高了电子和靶材粒子以及工作气体离子的碰撞频率，工作气体离子化程度提高，工作气压随之降低，而工作气体离子被电场加速，冲击到靶材上并释放能量，以至于靶材射出靶材原子或离子，在基片表面上沉积出膜层[2]。

1.2 特点

磁控溅射技术可以制备大面积均匀、致密的硬质膜层；在磁控溅射过程中，还可向溅射室内通入反应气体，使其与靶材发生化合反应沉积在基片表面；磁控溅射靶空间很大，根据不同设备的需求，任何材料均可作为靶材；膜层经过后续处理还可以进一步加强膜层性能[3]。磁控溅射技术得到的硬质薄膜性能优异，被广泛应用在工业生产当中。

2 磁控溅射的种类

1852年Grove发现了阴极溅射现象，自此建立起了磁控溅射技术，刚刚起步的磁控溅射技术，由于其沉积率低下，并未引起重视。直到1974年Chapin发现了平衡磁控溅射。之后的磁控溅射技术因为能够完成低温、高效镀膜，进入了人们的视野。

磁控溅射技术经过不断发展，种类也越来越多。除了最先发现的平衡磁控溅射以及后续发展的非平衡磁控溅射，还有很多效果丰富，成膜质量更好的种类[4]。

2.1 反应溅射

反应溅射是沉积化合物薄膜的首选，和其他溅射方法不同，反应溅射不光向系统内通入工作气体，同时通入反应气体与逸出靶材粒子发生反应，可以沉积各种种类的化合物，如：氧化物、氮化物等，生成化合物沉积薄膜[5]。

优点是：通过监控设备能迅速得到想要的薄膜；金属靶热传导性好，易冷却，溅射功率大；基体的温度较低（＜300℃）。

然而化合物在基片表面沉积成膜的同时，也会有少部分化合物沉积在靶材的表面，也就是所谓的靶中毒，而解决靶中毒最直接的方法就是将直流电源换成脉冲电源或射频电源。

2.2 射频溅射

射频磁控溅射使用交流电源而非直流电源，射频反应溅射中，正半周期，电子被吸引到靶材附近，中和正电荷的同时使靶材带负电，负半周期，工作气体粒子受靶材负电吸引向靶材移动，发生溅射，进行镀膜。

2.3 脉冲溅射

脉冲磁控溅射技术脱胎于直流溅射，用矩形波状的输出电压替换直流电源。反应溅射中，负半周期，电荷沉积在靶材周围，正周期时则吸引电子中和沉积的电荷，使溅射可以正常进行。

脉冲溅射的优点有：沉积速率快，所需温度低，溅射过程稳定，也因此，脉冲溅射被广泛运用在制造光学薄膜当中[6]。

2.4 中频溅射

中频溅射的电源输出波形为10～150kHz的正弦波或者矩形波。在反应溅射过程中，正电压时，电子受电场加速到达靶表面，中和因负电压在靶面积累的正电荷，从而抑制打火现象。孪生靶溅射系统中，阳极与阴极在两孪生靶中交替变换，分别中和沉积的电荷，同时提高了沉积效率，并且缺陷少，膜与衬底结合力好，是制造化合物薄膜的首选。

2.5 磁控溅射新发展

新型溅射技术高速溅射（HRMS），自溅射（SS），高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）随着工业生产需求的提高而成为当今的研究热点。

高速溅射通过提高粒子的离化率，极大缩短镀膜时间，同时降低工作气体消耗，提高工业生产的效率，缺点则在于靶材、衬底的冷却能力并不一定能承受高速溅射产生的高温。

当高速溅射中粒子的离化率高到不需要通入工作气体时，即为自支撑溅射，靶材的高离子化以及不需通入工作气体，会明显地改变薄膜形成的机理，使沉积薄膜过程中合金化和化合物形成中的化学反应更加剧烈。新的薄膜材料和新的溅射技术有可能因此而生，已有的例子比如在深孔的底部通过自溅射沉积薄膜。

3 磁控溅射工艺参数的研究

磁控溅射的工艺参数有很多，比如溅射功率、沉积时间、真空度、靶基距等。不仅每个参数对成膜效果有影响，不同的薄膜受工艺参数的影响也并不相同。

3.1 溅射功率

溅射功率越高，对靶材粒子离化作用越强，靶粒子携带的能量越大，膜层厚度越大，扩散迁移作用越明显，得到的膜层越平整，致密性越好。

安涛等利用射频磁控溅射的方法，在Si(100)基片上用不同功率沉积了一组ZrNx薄膜，并分析了溅射功率对膜层厚度和润湿性的影响。结果表明，随着溅射功率的提高，薄膜沉积的厚度越大；当溅射功率为150 W时，由SEM照片中可以看出，此时的薄膜表面高低起伏最为明显，显然此时的粗糙因子最高，薄膜的润湿性最好。

3.2 沉积时间

溅射时间越长，薄膜的厚度越大，结晶度也越大，开裂倾向越小，显微硬度越来越高。

朱晓岗等在不同沉积时间下制备钼薄膜，并对薄膜进行热疲劳性能试验。试件均出现表面裂纹。沉积时间短时以直线状热疲劳裂纹为主，且宽度较大，单根裂纹长度长，沉积时间长的试件出现网络状的微裂纹，裂纹较为蜿蜒曲折，为沿晶裂纹，并且随沉积时间越长，裂纹减小。也就是说，随沉积时间延长，使得结晶性更完整、残余应力减小，疲劳开裂倾向减少。

3.3 真空度

本底真空度越高，本底中残留的气体杂质就越少，溅射后膜层中的杂质便越少。有研究在非高分子材质的基片上镀膜，提高本底真空度有利于提高薄膜的性能。

鞠洪博等用射频磁控溅射法保持其他参数不变，在Mo上制备了不同本底真空度的Ru薄膜，研究了Ru薄膜化学成分和膜层结合性能随真空度变化的规律。结果表明，随着本底真空度的降低，Ru薄膜中氧含量逐渐降低，薄膜晶粒尺寸及膜基结合力随本底真空度的降低而逐渐增加。

3.4 靶基距

靶基距越大，靶材粒子与工作气体离子碰撞次数越多，靶材粒子携带的能量越小，镀膜越慢，膜的性能也越差。同时薄膜的电阻率增大，会出现蓝移现象。

孙艳等在玻璃基片上制备了ZnMgO∶Ti薄膜，研究了薄膜形貌和光电性能随靶基距变化的规律。规律显示，随着靶基距的增加，电阻率增加，然而当靶基距过大时，电阻率反而降低。同时，靶基距增加，光学吸收边界随之偏移到短波方向，并有蓝移现象发生。

4 结语

磁控溅射镀膜工艺参数对镀膜质量的影响十分复杂，不同种类的磁控溅射及不同镀膜参数均会不同程度的影响镀膜质量。溅射功率越高，对靶材粒子离化作用越强，靶粒子携带的能量越大，膜层厚度越大，扩散迁移作用越明显，得到的膜层越平整，致密性越好。溅射时间越长，薄膜的厚度越大，结晶度也越大，开裂倾向越小，显微硬度越来越高。本底真空度越高，本底中残留的气体杂质就越少，溅射后膜层中的杂质便越少。有研究在非高分子材质的基片上镀膜，提高本底真空度有利于提高薄膜的性能。靶基距越大，靶材粒子与工作气体离子碰撞次数越多，靶材粒子携带的能量越小，镀膜越慢，膜的性能也越差。同时薄膜的电阻率增大，会出现蓝移现象。因此，采取合适的参数进行磁控溅射对镀膜具有重大意义。