磁控溅射技术的原理与发展

王俊 郝赛

摘 要：磁控溅射技术因为其自身所具有的显著优点，已经被越来越广泛的运用于各个领域，其中以工业镀膜方面的应用最为广泛，相应的其生产技术也得到了很大的改进。文章着重讲述磁控技溅射技术的原理，特点以及磁控溅射技术的发展趋势。

关键词：镀膜技术；磁控溅射；平衡磁控溅射；非平衡磁控溅射

自1852年，格洛夫发现阴极溅射现象，对于溅射技术的运用便逐步发展起来，从上世纪80年代至今，磁控溅射技术在表面工程领域占据举足轻重的地位。磁控溅射技术可制备超硬膜、耐腐蚀摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊功能的薄膜，是一种十分有效的薄膜沉积方法。

1 溅射镀膜的原理

溅射技术是指用有一定能量的粒子轰击固体表面，使该固体表面的原子或者分子离开其表面，溅射出去的技术，该固体被称为靶材，飞溅而出的原子或分子落于另一固体表面形成镀膜，被镀膜的固体称之为基片。电子在外加电场作用下，加速向外飞出，与Ar原子发生碰撞，使Ar原子电离成Ar离子和二次电子，并将其大部分能量传递给Ar离子，Ar离子获得能量后以高速轰击靶材，使其上原子或分子脱离靶材表面飞溅出去，这些获得能量的原子或分子落于基片表面并沉淀下来形成镀膜。但由于发生了多次的能量传递，导致电子无法轰击电离靶材，而是直接落于基片之上。磁控溅射是在外加电场的两极之间引入一个磁场，电子受电场力加速作用的同时受到洛伦兹磁力的束缚作用，从而使其运动轨迹由原来的直线变成摆线，从而增加了高速电子与氩气分子相碰撞的几率，能大大提高氩气分子的电离程度，因此便可降低了工作气压，而Ar离子在高压电场加速作用下，轰击靶材表面，使靶材表面更多的原子或分子脱离原晶格而溅出靶材飞向基片，高速撞击沉淀于基片上形成薄膜，由于二次电子残余的能量较低，落于基片后引起的温度变化并不明显，于是磁控溅射镀膜技术拥有“高速低温”的特点。

2 磁控溅射镀膜技术与传统的镀膜技术相比的优点

可制备成靶材的材料很多，选材面较广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以被用来制作靶材；在一定条件下通过多个靶材共同溅射方式，可在基片表面镀上一层比例精确的合金膜；通过精确地控制磁场与电场的大小可以获得高质量且较为均匀的膜厚；由于是通过离子溅射从而使得靶材物质由固态直接转变为高速离子态，而且溅射靶的安装是不受限制的，使之十分适合大容积多靶装置的设计；此外，在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可以是靶材与这些气体发生反应形成化合物膜层沉淀在基片的表面；同时，磁控溅射技术形成镀膜具有速度快，膜层致密均匀精度高附着性好等特点，从而此项技术十分适合大批量的工业化生产，并具有极高的生产率与生产效率。

3 磁控溅射技术的发展

自1852年，格洛夫发现溅射现象以来，溅射技术有了日新月异的发展，并于19世纪中叶真正将其运用到了镀膜产业，随后又出现了磁控溅射镀膜技术，而磁控溅射镀膜技术又可分为平衡磁控镀膜和非平衡磁控镀膜。

3.1 平衡磁控溅射镀膜

平衡磁控溅射镀膜即传统的磁控溅射镀膜技术，原理与上述相同，即在阴极靶材后面放上芯部与外部环形磁场相等或者相近的永磁体，从而形成与电场正交的磁场，使电子在电场力和洛伦兹磁力的共同作用下沿摆线运动，增加了气体分子的电离率，从而可降低沉积室的气压，提高溅射效率和沉积速率。但这种传统的磁控溅射技术同时存在着一个很大的缺点，即辉光放电过程中产生的电子和气体电离过程中产生的二次原子，会在磁场的作用下被束缚在靶材附近一个很小的区域内，且随着距离的增加电子的浓度降低，因此，待镀的基片就只能放置在一个很小的区域内，从而限制了基片的尺寸；同时此过程中被轰击而脱离原晶格的靶材原子因经过多次的能量传递，其速度明显降低，从而造成了镀层与基片的粘附性不够高的缺点。

3.2 非平衡磁控溅射镀膜

因平衡磁控镀膜技术存在上述的一些缺点，Window等科学家于1985年提出了非平衡磁控溅射的概念，即某一磁极的磁场相对于另一磁极的部分发生生增强或减弱，导致的阴极靶材上中部磁极磁场强度与外环形磁场的磁极强度不相同的磁控溅射技术。在常规溅射靶基础上改变磁场分布，适当增强边缘N极磁场或削弱中部S极磁场，保证N极、S极在靶表面构成的横向（平行靶面）磁场仍能有效地约束溅射出的二次电子，维持稳定的磁控溅射放电；同时使得另一部分电子沿着较强N极产生的纵向（垂直靶面）磁场逃逸出靶表面，飞向镀膜区域。基于静电平衡原理，带电正离子也将随着电子一起飞向被镀工件；飞離靶面的电子还会与中性粒子发生碰撞电离，进一步增加镀膜区域的离子浓度。总之，通过调整溅射靶表面的磁场分布，可以显著地提高镀膜区域等离子体的浓度，从而使基片表面镀膜的精度和性能大大提高。[1]

4 结束语

随着工业需求和表面工程技术的进一步发展，更多新型的溅射镀膜技术已如雨后春笋般纷纷涌现出来，如高速溅射、自溅射等已成为目前溅射镀膜领域的发展趋势，而如何进一步改良其工艺特性使之更好的运用于工业生产，仍需要我们不断地创新与努力。

参考文献

[1]董骐，范毓殿.非平衡磁控溅射及其应用[J].真空科学与技术，1996，16（1）：51-57.