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磁控溅射就是以磁场束缚和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 B shift）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形状。磁力线分布方向不同 会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。所不同的是电场方向，电压电流大小而已。
9.3 溅射镀膜
用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射过程称为溅射。
溅射镀膜:在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。
在溅射镀膜中，被轰击的材料称为靶。
由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。用离子束轰击靶而发生的溅射，则称为离子束溅射。
9.3.1基本原理

图9－6 溅射系统简图

如图9－6是溅射系统简图。其中，靶是一平板，由欲沉积的材料组成，一般将它与电源的负极相连。故此法又常称为阴极溅射。
固定装置可以接地、悬空、偏置、加热、冷却或同时兼有上述几种功能。真空室中需要充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维持，最常用的气体是氩。
当接通高压电源时，阴极发出的电子在电场的作用下会向阳极运动,速度在电场中不断增加，和气体原子相撞会发生辉光放电,引起气体原子电离,从而产生大量的离子与低速电子。离子在电场作用下加速撞击靶,就会发生溅射产生待镀材料原子沉积于基体上。

阴极溅射时溅射下来的材料原子具有10～35ev的动能，比蒸镀时原子动能（0.1～1.0ev）大得多，因此溅射镀膜的附着力也比蒸镀膜大。
入 射一个离子所溅射出的原子个数称为溅射率或溅射产额，单位通常为原子个数/离子。显然，溅射率越大，生成膜的速度就越大。影响溅射率的因素主要有：①入射 离子：包括入射离子的能量、入射角、靶原子质量与入射离子质量之比、入射离子种类等；②与靶有关：包括靶原子的原子序数、靶表面原子的结合状态、结晶取向 以及靶材是纯金属、合金或化合物等；③与温度有关：一般认为溅射率在和升华能密切相关的某一温度内，溅射率几乎不随温度变化而变化，当温度超过这一范围 时，溅射率有迅速增加的趋向。
此外，根据物质的微观理论，量子力学和原子物理学我们知道，当气体正离子打到靶上时，除了溅射原子外，靶上还会有其他粒子发射,并产生辐射，所有这一切过程都会影响膜的性质。
9.3.2溅射镀膜的方式
具体的溅射工艺很多，如二极溅射、三极（四极）溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射、射频溅射、吸气溅射、反应溅射等等。下面简单介绍几种。
1.二极溅射
最简单的直流二极溅射装置如图9－7所示。
图9－7 二极溅射装置
它 是一对阴极和阳极组成的冷阴极辉光放电管结构。被溅射靶（阴极）和成膜的基片及其固定架（阳极）构成溅射装置的两个极。阴极上接1～3KV的直流负高压， 阳极通常接地。工作时先抽真空，再通氩气，使真空室内达到溅射气压。接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区，其中带正电的 氩离子在阴极附近的阴极电位降的作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面，形成靶材料的薄膜。
这种装置的最大优点使结构简单，控制方便。缺点有：因工作压力较高，膜层有沾污；沉积速率低，不能镀10微米以上的膜厚；由于大量二次电子直接轰击基片，使基片温升过高。
2.三极和四极溅射
三极溅射是在二极溅射的装置上附加一个电极，使放出热电子强化放电，它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方埂。与二极溅射不同的是，可以在主阀全开的状态下制取高纯度的膜。
四 极溅射又称为等离子弧柱溅射，其原理如图9-8所示。在原来二极溅射靶和基板垂直的位置上，针别放置一个发射热电子的灯丝(热阴极)和吸引热电子的辅助阳 极，其间形成低电压、大电流的等离子体弧柱。大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。这种溅射方法还是不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，还存在因灯 丝具有不纯物而使膜层沾污等问题。
图9－8 四极溅射装置
3.射频溅射
60年代利用射频辉光放电，可以制取从导体到绝缘体任意材料的薄膜，因此在70年代得到普及。直流溅射是利用金属、半导体靶制取薄膜的有效方法，但当靶是绝缘体时由于撞击到靶上的离子会使靶带电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。
射频是指无线电波发射范围的频率，为了避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。
射 频溅射的两个电极，既然是接在交变的射频电源上，似乎就没有阴极与阳极之分了。实际上射频溅射装置的两个电极并不是对称的。放置基片的电极与机壳相连，并 且接地，这个电极相对安装靶材的电极而言，是一个大面积的电极。它的电位与等离子相近，几乎不受离子轰击。另一电极对于等离子处于负电位，是阴极，受到离 子轰击，用于装置靶材。
其缺点是大功率的射频电源不仅价高，对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业生产应用。
4.磁控溅射
磁 控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。具有高速、低 温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。1974年Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶， 对进人生产领域起了推动作用。
磁控溅射特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶(图9-9)，以控制二次电子的运动，离子轰击靶面所产生的二次电子在 阴极暗区被电场加速之后飞向阳极。实际上，任何溅射装置都有附加磁场以延长电子飞向阳极的行程。其目的是让电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而增加等离子 体密度，提高溅射效率。只不过磁控溅射所采用的环形磁场对二次电子的控制更加严密。
磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子跳栏式地沿着环状磁场转 圈。相应地，环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。在磁控溅射时，可以看见溅射气体 ——氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状的沟槽。环状磁场是电子运动的轨道， 环状的辉光和沟槽将其形象地表现了出来。
能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而 且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极(基片)上，这是基片温升低、损伤小的主要原因。高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接 触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。
磁控溅射靶大 致可分为柱状靶和平面靶两大类。柱状靶原理结构简单，但其形状限制了它的用途。在工业生产中多应用的是矩形平面靶，目前已有长度达4m的矩形靶用于镀制窗 玻璃的隔热膜，让基片连续不断地由矩形靶下方通过，不但能镀制大面积的窗玻璃，还适于在成卷的聚酯带上镀制各种膜层。还有一种是溅射枪(S－枪)，它的结 构较复杂，一般要配合行星式夹具使用，应用较少。
磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材的利用率不高，一般低于40％，这是磁控溅射的主要缺点。
图9－9 平面磁控溅射靶
5.反应溅射
在阴极溅射中，真空槽中需要充入气体作为媒介，使辉光放电得以启动和维持。最常用的气体是氩气。如果在通入的气体中掺入易与靶材发生反应的气体（如O2，N2等），因而能沉积制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。
9.3.3阴极溅射的特点
与真空蒸镀法相比，阴极溅射有如下特点：
①结合力高；
②容易得到高熔点物质的膜；
③可以在较大面积上得到均一的薄膜；
④容易控制膜的组成；
⑤可以长时间地连续运转；
⑥有良好的再现性；
⑦几乎可制造一切物质的薄膜。
9.3.4溅射法的组分控制
利用溅射法不仅可获得纯金属膜，也可以获得多组元膜。获得多组元膜的有代表性的三种方法为：
<1>合金、化合物靶：用合金或复合氧化物制成的靶，在稳定放电状态，可使各种组分都发生溅射，得到与靶的组成相差不大的膜。
<2>复合靶：由两个以上的单金属复合而成,可有各种形状。
<3>多靶：采用两个以上的靶并使基板进行旋转，每一层约一个原子，经过交互沉积而得到化合物膜。
9.3.5溅射的用途
溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为饥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、光等功能薄膜材料等。
采 用Cr，Cr-CrN等合金靶或镶嵌靶，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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