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磁控溅射薄膜附着性能的影响因素
宋文龙，邓建新，赵金龙
山东大学机械工程学院，山东济南（250061）
摘要：磁控溅射薄膜技术应用日趋广泛，其中溅射薄膜的附着性是制约薄膜性能和使用的
关键因素。结合作者已有研究，参考国内外现有的资料和文献，对薄膜附着性的影响因素做
了综合评述，为提高和改善薄膜使用性能提供了指导和参考作用。
关键词：磁控溅射，薄膜，附着性
1.引言
磁控溅射镀膜是近十几年来发展迅速的一种表面薄膜技术，它是利用磁场控制辉光放电
产生的等离子体来轰击出靶材表面的粒子并使其沉积到基体表面的一种技术
[1]
。磁控溅射具
有诸多优点：（1）溅射出来的粒子能量为几十电子伏特，粒子能量较大，因而薄膜/基体结
合力较好，薄膜致密度较高；（2）溅射沉积速率高，基体温升小；（3）可以沉积高熔点金
属、合金及化合物材料，溅射范围广；（4）能够实现大面积靶材的溅射沉积，且沉积面积
大、均匀性好；（5）操作简单，工艺重复性好，易于实现工艺控制自动化。目前磁控溅射
已经较大范围的应用于大规模集成电路、磁盘、光盘等高新技术产品的连续生产，以及大面
积高质量镀膜玻璃等产品的连续生产中，其发展前景非常可观。
附着性能是制约溅射薄膜使用性能及工作可靠性的关键因素。随着磁控溅射技术的不断
发展和完善，薄膜的附着性能有了较大的改善。具体到各种薄膜/基体的使用性能，溅射过
程的工艺条件起了重要的作用，工艺条件已成为影响薄膜/基体附着性能的主要因素。目前
关于薄膜/基体附着性能的影响因素，国内外学者做了多方面的研究和探索，概括起来为基
体的预处理、沉积过程的工艺参数及薄膜/基体材料的匹配等三个方面。
2.基体的预处理
薄膜之所以能附着在基体上，是机械锁和、物理吸附、化学吸附和扩散结合等因素综合
作用的结果
[2]
。基体表面如果不清洁，则使薄膜和基体不能直接接触，影响薄膜沉积过程中
正常的吸附及结合，会使附着性能变差。D.M.Mattox
[3]
等综述了表面吸附物对薄膜沉积过程
的影响，认为基体表面吸附物对沉积过程的影响随沉积形式的不同而异。其中，物理吸附物
影响薄膜的连续性，难以形成连续结合的薄膜/基体界面；化学吸附物则影响薄膜的形核和
生长。而基体表面粗糙度对薄膜致密度也有影响：无论基体表面存在凹坑还是凸台，均会在
薄膜中形成针孔，从而导致薄膜密度下降。所以一般在沉积膜前要对基体进行机械抛光及严
格的清洗（常用到乙醇、丙酮等），除去氧化层及油污，并利用超声波清洗增强清洗效果。
同时辅以高能离子轰击基体表面排除表面吸附的气体及有机物，提高表面清洁度，改善形核
率和生长状态，提高界面结合强度。但对功能薄膜而言，离子轰击可能存在辐射损伤问题
[4]
。
文献[3,5]认为，采用常规清洗方法只能去除物理吸附物；湿法活化法（例如酸洗法和碱洗法）
只能暂时或部分去除吸附物；干法活化法（离子轰击）的效果最为理想。
文献[6]采用磁控溅射技术在玻璃上沉积铬膜，得出随离子轰击时间的延长基体温度呈
上升趋势；如果不经原位离子轰击清洗，则基体沉积温度很低（<373K），附着性很差，当
样品从真空室取出后，铬膜自动脱落；如果基体是经过原位氩气射频离子轰击后进行溅射薄
膜，则温度在373~473K之间薄膜不会自动脱落，在473K时附着力极大提高；因此可以认
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为离子轰击基体消除了基体表面不纯物并提高显微硬度，但附着性能的提高也可能是由于离
子轰击后在基体表面产生了很薄的等离子聚合体，产生的自由键使铬原子和玻璃原子生成牢
固键合。
我们也发现不同基体预处理状态下，中频磁控溅射高速钢基体得到MoS
2
薄膜的附着性
相差较大。各基体状态如表1所示，溅射系统的本底真空度为6.5×10
-3
Pa，溅射偏压为-200V，
基体温度为200℃，工作气压为0.6Pa，工作气体为Ar，Ar气体纯度为99.99%，沉积MoS
2
，
薄膜厚度为3μm。用划痕法测试了薄膜的结合强度，发现随着基体的粗糙度变小附着力并不
是一直呈上升趋势（附着力1号样为20N，2号样为30N，3号样为31N），而离子轰击能
够显著提高薄膜/基体附着性（附着力2号样为30N，4号样为39N）。
表1不同基体的处理状态
Table1Thepre-treatmentofdifferentsubstrates
样品号处理状态结合力（N）
1
2
3
4
500号砂纸磨光，乙醇、丙酮超声清洗15min，中频磁控溅射沉积MoS
2
薄膜。
2000号砂纸磨光，乙醇、丙酮超声清洗15min，中频磁控溅射沉积MoS
2
薄膜。
2000号砂纸磨光，机械抛光，乙醇、丙酮超声清洗15min，中频磁控溅射沉积
MoS
2
薄膜。
2000号砂纸磨光，乙醇、丙酮超声清洗15min，沉积薄膜前离子轰击15min，中
频磁控溅射沉积MoS
2
薄膜。
20
30
31
39
3.沉积工艺参数的影响
沉积过程的工艺参数是影响薄膜附着性的关键因素。综合考虑各工艺参数的影响大小，
薄膜附着性能主要受真空室清洁程度、本底真空度、基体温度、溅射功率、溅射气体压力、
靶材纯度等因素影响。通常，真空室的清洁度及本底真空度是容易保证的
[7]
。
3.1基体表面温度
提高基体温度有利于薄膜和基体间原子的相互扩散，而且会加速化学反应，从而有利于
形成扩散结合和化学键附着，使附着力增加。文献[8]分析了不同基体温度下A3钢沉积TiN
薄膜的界面形貌，可以得到基体温度对薄膜在界面处的形核和生长状态影响很大。当基体温
度较低时，形成膜的原子活性受到限制，形核密度较低，在界面处容易产生孔隙，形成不完
全致密的薄膜；而随着基体温度升高，基体表面活性增强，形核密度变大，沉积速率增加，
界面孔隙减少，薄膜/基体界面结合较强，附着性变好。
但基体温度过高会使薄膜晶粒粗大，薄膜中热应力增大，薄膜开裂及剥落倾向变大，从
而降低薄膜的质量及使用性能。因此要综合考虑基体温度的影响，针对不同的薄膜/基体选
择合适的基体温度，得到较好附着性能的薄膜。
图1为采用中频磁控溅射得到的MoS
2
涂层/基体结合力随沉积温度的变化曲线。由图可
见，薄膜/基体结合力随沉积温度的升高先变大再降低，不同的基体对应不同的最佳温度，
W18基体的最佳沉积温度是180℃，YT15基体的最佳沉积温度是200℃。
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0
20
40
60
50100150200250300
Temperature/
℃
A
d
h
e
s
i
on
s
t
r
e
ng
t
h
e
n
/
N
W18
YT15
图1涂层/基体间结合力随沉积温度变化曲线
Fig.1Variationofadhesionstrengthwithdepositiontemperature
3.2溅射功率
在一定的条件下，溅射功率的增加，会使放电载体如氩气的电离度提高，增加离子的密
度，提高溅射速率，并使溅射出来的离子具有较高的能量，从而提高薄膜/基体的附着力及
薄膜的致密度。相反，溅射功率太低，离子密度小，沉积速度慢，且离子能量低，得到的薄
膜结构疏松，膜层附着力差。在磁控溅射离子镀中，对工件施加高压可得到较宽的过渡层。
当工件施加电压为750V时，尚没有过渡层，当电压达1750V时可得到4μm左右的过渡层。
过渡层的存在对增加附着性是有好处的
[9]
。
但是并不是溅射功率越大越有利于薄膜沉积。溅射功率过高会使溅射离子动能大大增
加，过高的离子能量会产生较大的基底热效应，还会对薄膜造成损伤，薄膜质量下降。文献
[10]采用非平衡磁控溅射技术在Si片上沉积CN薄膜，发现随着沉积功率增加，沉积速度反
而下降，如图2所示。这是因为溅射功率较大时，电离得到的离子具有很高的能量，离子打
入靶材的深度增加，能量损失增加，使被溅射原子的逸出难度增加，靶材原子不易逸出，使
沉积速率降低。同时，由于溅射功率的增加，使溅射时产生的二次电子增多，对基体会产生
一定的加热作用，使基体上沉积的CN基团挥发，也会降低沉积速率。
50
65
80
95
110
200250300350400450
targetpower/w
de
pos
itionve
loc
i
t
y
/nm
·
h
-1
图2沉积速率随靶功率的变化曲线
Fig.2Influenceoftargetpowerondepositionrate
文献[11]采用射频反应磁控溅射在45号钢上制备氧化铬薄膜，在保持氧气流量不变的情
况下得到沉积速率及薄膜晶粒尺寸随溅射功率变化的曲线如图3，4所示。
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1.5
2.5
3.5
4.5
150200250300350400
溅射功率/W
沉积速
率/
（
μm
·
h
-1
）
图3氮气流量为0.8cm
3
/min时，溅射功率对氧化铬薄膜沉积速率的影响
Fig.3DepositionrateofchromiumoxidecoatingsdepositedatanO2flowrateof0.8cm3/minanddifferentRF
powers
70
100
130
160
150200250300350400
溅射功率/W
晶粒尺寸/
nm
图4氮气流量为0.8cm3/min时，溅射功率对沉积的氧化铬薄膜晶粒尺寸的影响
Fig.4GrainsizesinchromiumoxidecoatingsdepositedatanO2flowrateof0.8cm3/minanddifferentRFpowers
采用不同的溅射方法沉积不同的薄膜，溅射功率的影响趋势及大小也是不同的。综合考
虑溅射功率的影响，根据具体的实际条件找出适宜的溅射功率。
3.3溅射气体纯度及压力的影响
以常用的Ar气为例。Ar气被电离成Ar离子轰击阴极靶材表面，但仍有一部分Ar离子
混入溅射出的靶原子，沉积到基体表面。因此，如果Ar气中杂质过多，膜层中将形成很多
缺陷，从而使薄膜结构疏松，降低其表面力学性能，严重影响薄膜质量。
Ar气分压大小也是影响薄膜质量的重要因素。溅射压力较小时，溅射出来的原子和气
体分子的碰撞次数减少，损失的能量较小，可以提高沉积原子与基体的扩散能力，从而提高
薄膜的致密度和附着性；如果溅射气体的压力太小，则溅射靶材原子数目较少，薄膜沉积速
率降低，且不能起辉或起辉不足；
但如果溅射气压过高，靶材原子与气体的碰撞次数增加，损失能量过多，造成沉积基体
的靶材原子能量过低，影响膜层的致密性和附着力。图5为采用中频磁控溅射技术在玻璃基
体上沉积ZAO薄膜时Ar气气压与沉积速率的关系曲线
[12]
。实际中要结合试验，综合考虑
气压影响，选择合适的气体压力。
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0
1
2
3
02468
PAr/Pa
V/
n
m
·
s
-1
图5Ar气压力对薄膜沉积速率的影响
Fig.5ArgongaspressuredependenceofsputteringspeedforZAOthinfilms
3.4靶材的影响
靶材作为一种具有特殊用途的材料,具有很强的应用目的和明确的应用背景。脱离开溅
射工艺和薄膜性能来单纯地研究靶材本身的性能没有意义。而根据薄膜的性能要求,研究靶
材的组成、结构、制备工艺、性能,以及靶材的组成、结构、性能与溅射薄膜性能之间的关
系,既有利于获得满足应用需要的薄膜性能,又有利于更好地使用靶材,充分发挥其作用,促进
薄膜技术应用的发展。目前溅射靶材面临的问题包括三个方面
［13］
：
3.4.1纯度
靶材的纯度对溅射薄膜的性能影响很大。靶材的纯度越高，溅射薄膜均匀性越好，表面
的缺陷越少，薄膜的性能也越好。以纯AL靶为例，纯度越高，溅射AL膜的耐蚀性及电学、
光学性能越好。不过在实际应用中，不同用途的靶材对纯度要求不同。例如，一般工业用靶
材对纯度并不苛求，而半导体、显示器件等领域用靶材对纯度的要求十分严格；磁性薄膜用
靶材的纯度要求一般为99.99%以上，ITO靶中In
2
O
3
和SnO
2
的纯度则要求不低于99.99%。表2
列出了常用金属靶材的纯度
[14]
。
表2常用金属靶材的纯度
Table.2Puritiesofafewmetaltargetmaterials
金属纯度/%金属纯度/%
Al
Cr
Co
Cu
Au
Ag
Pt
Pd
Hf
In
Fe
Sn
99.99
99.98
99.90
99.99
99.99
99.99
99.95
99.90
99.90
99.99
99.90
99.99
Pb
Bi
Sb
Zn
Ni
Mn
Nb
W
Ta
Ti
Zr
V
99.99
99.95
99.90
99.99
99.90
99.95
99.90
99.90
99.95
99.50
99.90
99.90
3.4.2杂质含量
靶材作为溅射中的阴极源，固体中的杂质和气体孔中的O
2
和H
2
O是沉积薄膜的主要污染
源。靶材对纯度的要求也是对杂质总含量的要求。杂质含量越低，纯度就越高。此外，不同
用途靶材对单个杂质含量也有不同的要求。例如，半导体电极布线用的W，Mo，Ti等靶材
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对U，Th等放射性元素的含量要求低于3×10
-9
;光盘反射膜用的Al合金靶材则要求O
2
含量低于
2×10
-4
。表3列出了几种高纯难熔金属靶材的杂质含量
[15]
。
表3几种高纯难熔金属靶材的杂质含量
Table.3Impurityconcentrationofsomehighpurityrefractarymetaltargetmaterials
杂质含量／1×10
-6
靶材密实
度/%FeNiMgMnNaKCuAlCrU,ThO
Ti
Ta
W
Mo
100
100
100
100
<1.0
<0.5
<0.1
<0.5
<1.0
<0.5
<0.1
<0.5
<0.5
<0.5
<0.1
<0.5
<0.5
<0.5
<0.1
<0.5
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<1.0
<0.5
<0.1
<0.5
<1.0
<0.5
<0.1
<0.5
<1.0
<0.5
<0.1
<0.5
<0.0010
<0.0010
<0.0005
<0.0010
150
50
10
100
3.4.3成分与结构均匀性
成分与结构均匀性是考察靶材质量的重要指标之一。对于复相结构的合金靶材和混合靶
材，不仅要求成分的均匀性，还要求组织结构的均匀性。例如，ITO靶为In
2
O
3
-SnO
2
的混合
烧结物,为了保证ITO膜质量,要求ITO靶中In
2
O
3
-SnO
2
组成均匀,都为93∶7或91∶9(分子比)。
4.薄膜/基体材料的匹配
基体是保持薄膜/基体的整体强度、支撑薄膜材料及形成特定薄膜形状的基础。因此，
虽然基体材料不和外界发生直接接触，但它对薄膜/基体整体性能起到很重要的作用。
文献[16]对比了在ZL108铝合金和1Cr18Ni9Ti不同硬度基体上制备MoS
2
复合薄膜的显
微硬度值，发现后者的硬度比前者高出近1/5倍，如表4所示。这是因为高硬度的基体不易
发生塑性变形，能够延缓由于基体塑性变形造成的薄膜过早撕裂和剥落，对薄膜起到支撑作
用，并提高薄膜的附着性；同时得到的薄膜显微硬度也有明显提高。
表4不同基体/复合涂层TiN-MoS
2
/TiN的显微硬度
Table4Micro-rigiditybetweendifferentsubstratesandTiN-MoS
2
/TiNcomposite
涂层—基体材料基体硬度/HV涂层硬度/HV
TiN-MoS
2
/TiN-ZL108铝合金100235
TiN-MoS
2
/TiN-1Cr18Ni9Ti不锈钢380285
基体的材料对薄膜的附着性也有很重要的影响，薄膜与基体间的匹配性不好，例如弹性
模量、晶格常数失配或热膨胀系数差别过大，薄膜内部会产生较高内应力，导致界面结合性
能变差而引起膜层过早剥落。设置参数合理的过渡层是克服膜/基间不匹配问题的有效方法，
并能够显著降低薄膜内应力，提高膜层的附着性。例如在高速钢钢基体上溅射沉积TiN薄膜
时，常在基体和膜层间先预镀一层Ti作为过渡层。这层中间层，也就是过渡层不仅能和基
体反应生成化合物使化学键强化，而且松弛了基体/薄膜的界面应力，使两者之间的结合力
大幅度增强。
文献[17]研究了多种PVD样品的膜/基界面情况，表明其间都有过渡层,且形式多种多样。
这些界面过渡层的共同特点是以匹配性好或可以松弛应力的材料作为底层,然后逐渐过渡到
最终成分。
一般可以认为，薄膜/基体界面采用成分及结构渐变或过渡特点的多元多层过渡层，可
以大大降低由于不匹配引起的内应力，并且可以阻止膜内裂纹沿层间扩展，从而提高膜层的
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力学性能
[18]
，典型涂层薄膜结构如图6所示。
图6典型涂层结构
Fig.6typicalstructureofthinfilms
文献[19]采用非平衡磁控离子溅射技术在硅片上镀MoS
2
薄膜，由于纯MoS
2
与基体的附
着性较差且在空气中容易氧化，在镀膜过程中加入了不同含量的Ti，这种元素易和基体附
着增加薄膜的附着性能及提高其抗氧化性，如图7、图8所示。试验表明这种MoS
2
-Ti复合
薄膜的性能和质量改善明显，说明了通过增加适当过渡层及采用复合薄膜的形式，可以明显
改善涂层的质量。
0
4
8
12
16
MoS
2
MoS
2
-LTiMoS
2
-HTi
ω
/(
1
0
-1
7
m
3
/(
m
-
N
)
)
400
600
800
1000
1200
MoS
2
MoS
2
-LTiMoS
2
-HTi
硬度
HV
图7不同薄膜的比磨损率ω图8不同薄膜的硬度
Fig.7SpecificwearrateofdifferentfilmsFig.8Hardnessofdifferentfilms
5.结语
薄膜与基体间的附着性能是制约磁控溅射薄膜使用的关键因素。改善基体表面状态、优
化工艺参数并合理匹配薄膜/基体等都是得到较好附着性能薄膜的有效途径。通过设置成分
或结构渐变的过渡层也是改善薄膜/基体附着性和力学性能的有效方法。实际镀膜的过程中，
根据具体匹配的基体/薄膜，通过试验找出适宜的工艺条件并得到较好质量的薄膜。
单涂层多涂层（有过渡层）
梯度涂层多涂层(纳米结构)
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TheEffectingFactorsofAdhesiononMagnetronSputtering
ThinFilms
SongWenlong,DengJianxin,ZhaoJinlong
DepartmentofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan(250061)
Abstract
Theapplicationofmagnetronsputteringthinfilmsisverywide,andtheadhesionofthesethinfilmsis
animportantfactortoaffectthequalityofthesethinfilms.Themainprocessparameterstoaffectthe
adhesionaresummarizedandareferenceforimprovingthepropertiesofthinfilmsisprovided.
Keywords:magnetronsputtering,thinfilms,adhesion
|
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