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磁控溅射镀膜附着力相关优化分析
作者：李洪亮
来源：《世界家苑·学术》2018年第09期
摘 要：磁控溅射的镀膜技术在当前相关复杂元器件的耐用性、装饰性和光学性质的功能实现方面发挥着重要的作用。其中磁控溅射镀膜的附着力将直接影响着元器件的产品质量和工作性能，是磁控溅射镀膜技术中的一项重要研究内容。本文通过对磁控溅射镀膜技术的发展和相应镀膜附着力的模型进行总结概述，对磁控溅射镀膜的附着力进行性质描述和相关的优化分析，有利于磁控溅射镀膜技术在未来各个领域内的进一步发展。 关键词：磁控溅射；镀膜技术；附着力；优化 一、磁控溅射镀膜技术的发展和应用 1.1发展历程
磁控溅射镀膜技术起源于上世纪末，其基本的原理过程为负极靶材在等离子体中载能离子的作用下，靶材原子会从靶材中溅射出来并在衬底上进行凝聚从而形成薄膜，同时，靶材表面发射出二次电子来保持等离子体的稳定性。磁控溅射技术的出现为相关的功能性镀膜领域带来了新的发展动力，在数十年的技术发展过程中，磁控溅射的镀膜技术经历了从简单的放电溅射沉积方法到如今的低压磁控溅射和脉冲磁控溅射等先进技术的应用过程，到现在已经成为了高质量功能性薄膜制备的重要技术支持，为各相关领域的发展提供了新的思路。 1.2技术应用
磁控溅射镀膜技术在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用，下面对当前非平衡磁控溅射和脉冲磁控溅射这两种镀膜技术进行应用分析。
非平衡磁控溅射技术的设计实现与常规的技术相比区别较小，但是在镀膜沉积特性等方面却有着重大的差异。在常规形式的磁控喷溅镀膜中，载能离子所在的等离子体被限制在了靶材表面的一定范围内。而在非平衡磁控溅射的过程中，中心磁场的强度要低于外围的磁场强度，且磁力线未能在靶材外围和中心之间形成闭合的回路，从而部分处于外围的磁感线会延伸至衬底的表面，使得部分从靶材表面发射出来的二次电子可以沿部分处于外围的磁感线到达衬底表面，从而解除了靶材对于等离子体的位置限制，在一定程度上提升了沉底离子束流密度。另外还存在一种内聚型的非平衡磁控技术，该过程与上述技术过程不同的是其外围的磁场强度比中心的磁场强度高，尽管从靶材中心到外围的磁力线同样没有闭合，但是却被延伸至了器壁，使得衬底表面的等离子体密度下降，这也是该项技术未能得到广泛运用的原因之一，只在多孔薄膜领域内有着不错的应用。
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另外一种较为先进的技术就是利用脉冲直流电源来取代常规的直流电源进行磁控溅射的沉积，即脉冲磁控溅射镀膜技术。在脉冲溅射的过程中，脉冲电压的范围控制与常规的直流电源相近，在四百至五百伏特之间，通过对靶材电压的放电时间进行控制，来抑制电弧放电现象的出现，最终实现沉积效率的有效提升。该种磁控溅射的沉积方法相比于常规的方法具有沉积温度较低、速度快和高效等特点，能够解决一般金属靶材可能产生的薄膜缺陷等问题。 二、镀膜附着力的影响因素与优化分析 2.1影响因素
镀膜附着力是指镀膜在基片上附着的强度大小，一般可以分为实验测得的实际附着力和薄膜基片完全接触时形成的基准附着力。由于薄膜和基片之间形成的原子间相互作用是材料的理化性质相结合的复杂结果，包括物理学理论中范德华力和静电力的吸引作用和化学理论中化学键结合所形成的的附着力，因此，一般来说镀膜附着力会受到来自制备工艺和材料性质等多方面因素的影响，具体而言可以将磁控溅射镀膜附着力的影响因素分为以下几类。
薄膜和基片材料的性质对于镀膜附着力来说十分关键。一方面，薄膜材料的表面能量越小，越有利于薄膜在基片上的覆盖，形成较好的浸润性，这是由于薄膜和基片之间良好的能量差所决定的；另一方面，选用化学性质较好的基片材料能够更有利于使薄膜和基片材料之间化学键的结合，对于提高镀膜附着力来说有着重要的影响。
基片的狀态对于磁控溅射镀膜的附着力也有着较大的影响，其中基片的反应温度和清洁状态是两个重要的考虑因素。基片温度的影响是由于镀膜过程中的化学反应所产生的，在化学理论中，温度对于原子的扩散运动和化学反应的进行都具有一定的催进作用，因此适当提升基片的反应温度能够更有利于加速镀膜过程中薄膜和基片之间的原子扩散运动和化学反应进程，在一定程度上增加了各个反应过程中形成的附着力；另外，基片的清洁对于薄膜与基片之间化学键的形成也有着较大的影响。若对基片表面的清洁工作不完善或者未经过活化处理，基片表面残留的物质会提前占据原本要与薄膜进行配对的化学键，使得薄膜的附着力产生了一定程度的降低。
薄膜的沉积工艺也是影响镀膜附着力的一个重要因素，主要可以分为薄膜沉积速率、薄膜沉积方式和薄膜沉积环境等影响方面。其中，薄膜沉积速率作为原子在单位时间内的入射数目表示，当其增大时，单位时间内成膜真空室内氧分子的入射数目和几率就会相对减小，使得薄膜和基片的接触面上的氧化物中间层成分含量降低，进而造成薄膜与基片之间附着力的相对减小；另外，沉积方式的选择也可以在一定程度上提升镀膜附着力的表现，正如前文提到的利用脉冲直流电源进行沉积的方式就比常规的薄膜沉积方式更加能够有效提升附着力；最后，薄膜的沉积环境也十分重要，如果在镀膜初期能够将真空室内的残余氧气和水蒸气与入射的沉积原子进行化学反应，进而在薄膜和基片之间形成更多的氧化物中间层，更有助于镀膜附着力的提升。
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2.2优化措施分析
目前，磁控溅射镀膜技术的发展使得实现更出色的薄膜附着力成为了可能，从传统的金属靶材溅射和反应溅射等到现在低压溅射、脉冲溅射和高速沉积技术的应用和发展，先进的薄膜制备工艺为磁控溅射镀膜技术的发展注入了充沛的发展活力。其中，低压溅射的过程在低压环境中进行，通过降低电子和气体原子的碰撞几率和相关的优化设计实现更加高效的薄膜沉积；高速沉积的主要特点是沉积过程时间较短且工作效率较高，利用较少的资源进行薄膜的制备与沉积。同时，在高速沉积的过程中，如果对溅射粒子的离化率进行提高，就能够使放电沉积在缺少工作气体的条件下进行，实现了自支撑溅射沉积方式。
通过上节对影响磁控溅射镀膜附着力的因素进行总结分析，可以看出要实现优化镀膜附着力的目标，就要从薄膜和基片的材料选取、基片状态的维护和调整以及沉积方式的改进等方面入手。其中薄膜材料的选取应注意其表面能量的大小应小于其覆盖的基片，基片应该选取容易与薄膜材料进行化学键反应的材料以保证化学键结合形成有效的吸附力；在使用过程中应当注意基片的清洁状态，提前对基片进行清洁和活化处理，同时可以令基片的反应温度在合理的水平范围内适当升高，更有利于相关反应的进行。 三、结语
磁控溅射的镀膜技术在近年来取得了较大的技术突破和创新，已经成为了当前元器件生产、功能性薄膜制备和其它相关领域的重要生产技术。镀膜附着力作为该技术的一项重要评价指标，是镀膜质量和工艺水平的直接体现。通过对镀膜附着力的相关影响因素进行分析，从材料选择、制备工艺和结构原理等方面对其进行综合优化和调整，从而得出了对于进一步提高磁控溅射镀膜附着力的有效途径和方法，这对磁控溅射镀膜技术的未来发展和应用具有一定的推动作用。 参考文献
[1]阎宏.光学薄膜领域反应磁控溅射技术的进展.光学仪器，2004，26：109-114. [2]贾嘉.溅射法制备纳米薄膜材料及进展.半单体技术，2004，29：70-73. （作者单位：沈阳华科真空科技有限公司）