磁控溅射方法制备薄膜的应用研究

摘 要： 本文从磁控溅射的定义、优势以及应用三方面论述了磁控溅射方法制备薄膜，主要阐明了磁控溅射方法在实验领域的研究及制备薄膜的优势所在。

关键词： 磁控溅射；镀膜；沉积

1.磁控溅射概述

薄膜可定义为：按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。二维伸展的薄膜由于具有特殊的成分、结构和尺寸效应因而使其获得三维材料所没有的性质，同时又很节约材料，所以非常重要。现在薄膜的应用已经扩大到各个领域，薄膜产业迅速崛起，如塑料金属化制品、建筑玻璃镀膜制品、光学薄膜、集成电路薄膜、液晶显示器、刀具硬化膜、光盘等等，都有了很大的生产规模。具体的薄膜制备方法很多，常用的有物理气相沉积（Physical Vapor Deposition CVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition CVD）、电镀等等。物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子，或离子化为离子，直接沉积到基体表面的方法，主要包括真空镀膜、溅射镀膜、离子镀膜等；化学气相沉积是把构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相沉积作用或在基体表面上的化学反应生成要求的薄膜，主要包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积和兼有CVD和PVD两者特点的等离子化学气相沉积等；电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。

1.1.溅射原理

在真空室内，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过粒子的动量传递打出靶材中的原子及其他粒子，并使其沉积在基体上形成薄膜的技术。磁控溅射可实现大面积快速沉积，几乎所有金属、化合物、介质均可做靶，镀膜致密度高，附着性好。

1.2.磁控溅射的分类

溅射技术的成膜方法很多，具有代表性的有直流（二级、三级或四级）溅射、磁控（高温低速）溅射、射频溅射、反应溅射、偏压溅射等。

2.磁控溅射方法制备薄膜的优势

溅射镀膜是物理气沉积薄膜的一种方法，它有许多独特之处：如可实现高速大面积沉积；几乎所有金属、化合物、介质均可做成靶，在不同材料衬底上得到相应材料薄膜；可以大规模连续性生产等。因此，溅射镀膜技术倍受关注，尤其是在20世纪70年代初期迅速发展起来的磁控溅射镀膜技术，在电子学、光学、磁学、机械、仪表、轻工业等行业，作为一种有力的薄膜制备手段，得到广泛应用。由于磁控溅射镀膜具有附着性好，膜质较致密，节水节电，工艺流程简便和无三废处理等优点，使得它比蒸发镀膜和水溶液电镀，具有更大的潜在优势。应用溅射技术制备薄膜材料是目前应用很广泛的一种方法。

总之，相对于其它制备薄膜的方式，溅射镀膜在许多方面显示出它的优点：

2.1.对于任何待镀材料，只要能做成靶材，就可以实现溅射；

2.2.溅射时基底不需要加热，溅射所获得的薄膜与基片结合较好；

2.3.可在较低工作气压条件下获得较高的沉积速率，溅射所获得的薄膜纯度高，

致密性好；

2.4.溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀

的薄膜。

3.磁控溅射方法在金属防腐上的应用

磁控溅射技术在高速率沉积金属、半导体和介电薄膜方面取得了巨大进步，该技术可以在较低工作压强下得到较高的沉积速率，也可以在较低的基片温度下获得高质量薄膜。因此，近年来该技术被广泛应用于各种金属和非金属的表面防腐上。

H.schafer等人[1]利用反应磁控溅射的方法在航空用Al合金表面溅射涂层，以提高Al合金的抗腐蚀性。他们研究发现：极化曲线显示AlN镀层有很高的极化钝化电位。盐雾实验也证实了涂层的保护效果。而且随着N含量的变化，极化电位也随之改变。不同的工艺参数对盐雾实验的影响也很大。

利用射频反应磁控溅射法制得ZrNo薄膜用于防腐[2]，通过改变负偏压和反应溅射气体的比例（O/N）获得具有不同性能的薄膜，结果发现不同的工艺参数对薄膜的质量影响很大，从而影响其防腐效果。

由于镁合金很容易腐蚀，Hikmet[3]等人用直流磁控溅射方法制得AlN镀层用以防腐，研究发现AlN涂层提高了镁合金的防腐蚀效果，并且薄膜表观质量如毛孔，针孔和缺陷对防腐蚀性能有很大影响。

非平衡磁控溅射制得的TIN/Ti复合镀层也是一种有效的防腐蚀涂层方法"M.Flores[4]研究了等离子体参数与改进复合涂层TIN/Ti防腐性能之间的关系。

M.Fenker[5]等人利用反应磁控溅射的方法在高速钢上沉积NbN薄膜对高速钢进行腐蚀防护，他们研究了薄膜动电位化学腐蚀实验并对薄膜的微观组织以及膜基结合力进行了研究，发现以上这些因素对薄膜的腐蚀性能有很大影响。

Harish[6]护71等人用反应直流磁控溅射方法在工具钢上镀TIN、NbN、TIN/NbN等镀层，他们研究发现复合薄膜和单层薄膜对腐蚀性能有很大影响，同时薄膜厚度也是一个重要的影响因素。