钛靶功率密度对TiN镀层沉积过程的影响研究文献综述

 2021-09-25 08:09

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文献综述

1.引言

磁控溅射技术目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术，溅射技术的不断发展和对新功能薄膜的探索研究，使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。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）生长困难及不适应的材料薄膜沉积，而且能获得大面积非常均匀的薄膜[1]。在光学薄膜应用反应磁控溅射技术已有多年[2]，中频闭合场非平衡磁控溅射技术也已经在光学薄膜（如增透膜）、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面得到应用[3]。现代机械加工工业中，表面功能膜、超硬膜、自润滑膜都是通过磁控溅射来沉积，能够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。Cr/C复合镀层具有较高硬度和良好的摩擦磨损性能,与基底材料良好的结合力等优良性能，是理想耐磨自润滑镀层材料,具有宽广的应用领域和良好的发展前景[4]。磁控溅射技术也广泛用于工艺品装饰性镀层的生产中，三柱靶磁控溅射镀膜技术可以用于钟表的硬质装饰膜，TiN掺金镀装饰膜具有备耐磨、耐腐蚀、附着力强、表面光亮、色彩金黄、纯正等特性[5-6]。

2.磁控溅射技术的研究进展

磁控溅射系统在真空室充入0.1-10Pa压力的惰性气体（Ar），作为气体放电的载体，阴极靶材的下面放置100-1000Gauss强力磁铁。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，受到电场产生的静电作用力和磁场产生的洛伦兹力的共同作用（正交电磁场作用），产生漂移，并做跳栏式的运动[7]。这会使电子到达阳极前的行程大为延长，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。磁控溅射时，电子的能量充分用于碰撞电离，使等离子体密度比二级溅射的密度提高约一个数量级。一般靶材刻蚀速率，相应的镀膜速率与靶面电流密度成正比，于是磁控溅射的镀膜速率相比一些普通溅射技术大大提高。

2.1高功率脉冲磁控溅射技术

高功率脉冲磁控溅射技术是近年来发展的一种离子化物理气相沉积新技术，采用高功率脉冲供电模式为磁控溅射阴极提供高达2.8kWcm-2的峰值功率密度，可在基体获达3.4Acm-2的电流密度，靶材粒子离化率达100％，同时利用5~400Hz的低脉冲频率和1％~30％的低占空比，保证平均功率与传统磁控溅射相当，使磁控溅射阴极不会因过热而增加其冷却要求。高功率脉冲磁控溅射技术作为一种新的磁控溅射技术，已成为国际研究的热点，有关高功率脉冲放电、等离子体特性、薄膜及其工艺等方面的研究进展十分迅速。[8]

2.2平衡磁控溅射

平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在直流二级溅射的基础上发展起来的。在阴极靶材背后放置永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场，其特点如前述。平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜，为此可通过提高被镀工件的温度，来改善膜层的结构和性能，但在很多的情况下工件材料本身不能承受所需的高温，这就需要继续改进这项技术[9]。

2.3非平衡磁控溅射

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