磁控濺射技術的原理與發展

王俊 郝賽

摘 要：磁控濺射技術因為其自身所具有的顯著優點，已經被越來越廣泛的運用于各個領域，其中以工業鍍膜方面的應用最為廣泛，相應的其生產技術也得到了很大的改進。文章著重講述磁控技濺射技術的原理，特點以及磁控濺射技術的發展趨勢。

關鍵詞：鍍膜技術；磁控濺射；平衡磁控濺射；非平衡磁控濺射

自1852年，格洛夫發現陰極濺射現象，對于濺射技術的運用便逐步發展起來，從上世紀80年代至今，磁控濺射技術在表面工程領域占據舉足輕重的地位。磁控濺射技術可制備超硬膜、耐腐蝕摩擦薄膜、超導薄膜、磁性薄膜、光學薄膜，以及各種具有特殊功能的薄膜，是一種十分有效的薄膜沉積方法。

1 濺射鍍膜的原理

濺射技術是指用有一定能量的粒子轟擊固體表面，使該固體表面的原子或者分子離開其表面，濺射出去的技術，該固體被稱為靶材，飛濺而出的原子或分子落于另一固體表面形成鍍膜，被鍍膜的固體稱之為基片。電子在外加電場作用下，加速向外飛出，與Ar原子發生碰撞，使Ar原子電離成Ar離子和二次電子，并將其大部分能量傳遞給Ar離子，Ar離子獲得能量后以高速轟擊靶材，使其上原子或分子脫離靶材表面飛濺出去，這些獲得能量的原子或分子落于基片表面并沉淀下來形成鍍膜。但由于發生了多次的能量傳遞，導致電子無法轟擊電離靶材，而是直接落于基片之上。磁控濺射是在外加電場的兩極之間引入一個磁場，電子受電場力加速作用的同時受到洛倫茲磁力的束縛作用，從而使其運動軌跡由原來的直線變成擺線，從而增加了高速電子與氬氣分子相碰撞的幾率，能大大提高氬氣分子的電離程度，因此便可降低了工作氣壓，而Ar離子在高壓電場加速作用下，轟擊靶材表面，使靶材表面更多的原子或分子脫離原晶格而濺出靶材飛向基片，高速撞擊沉淀于基片上形成薄膜，由于二次電子殘余的能量較低，落于基片后引起的溫度變化并不明顯，于是磁控濺射鍍膜技術擁有“高速低溫”的特點。

2 磁控濺射鍍膜技術與傳統的鍍膜技術相比的優點

可制備成靶材的材料很多，選材面較廣，幾乎所有金屬，合金和陶瓷材料都可以被用來制作靶材；在一定條件下通過多個靶材共同濺射方式，可在基片表面鍍上一層比例精確的合金膜；通過精確地控制磁場與電場的大小可以獲得高質量且較為均勻的膜厚；由于是通過離子濺射從而使得靶材物質由固態直接轉變為高速離子態，而且濺射靶的安裝是不受限制的，使之十分適合大容積多靶裝置的設計；此外，在濺射的放電氣氛中加入氧、氮或其它活性氣體，可以是靶材與這些氣體發生反應形成化合物膜層沉淀在基片的表面；同時，磁控濺射技術形成鍍膜具有速度快，膜層致密均勻精度高附著性好等特點，從而此項技術十分適合大批量的工業化生產，并具有極高的生產率與生產效率。

3 磁控濺射技術的發展

自1852年，格洛夫發現濺射現象以來，濺射技術有了日新月異的發展，并于19世紀中葉真正將其運用到了鍍膜產業，隨后又出現了磁控濺射鍍膜技術，而磁控濺射鍍膜技術又可分為平衡磁控鍍膜和非平衡磁控鍍膜。

3.1 平衡磁控濺射鍍膜

平衡磁控濺射鍍膜即傳統的磁控濺射鍍膜技術，原理與上述相同，即在陰極靶材后面放上芯部與外部環形磁場相等或者相近的永磁體，從而形成與電場正交的磁場，使電子在電場力和洛倫茲磁力的共同作用下沿擺線運動，增加了氣體分子的電離率，從而可降低沉積室的氣壓，提高濺射效率和沉積速率。但這種傳統的磁控濺射技術同時存在著一個很大的缺點，即輝光放電過程中產生的電子和氣體電離過程中產生的二次原子，會在磁場的作用下被束縛在靶材附近一個很小的區域內，且隨著距離的增加電子的濃度降低，因此，待鍍的基片就只能放置在一個很小的區域內，從而限制了基片的尺寸；同時此過程中被轟擊而脫離原晶格的靶材原子因經過多次的能量傳遞，其速度明顯降低，從而造成了鍍層與基片的粘附性不夠高的缺點。

3.2 非平衡磁控濺射鍍膜

因平衡磁控鍍膜技術存在上述的一些缺點，Window等科學家于1985年提出了非平衡磁控濺射的概念，即某一磁極的磁場相對于另一磁極的部分發生生增強或減弱，導致的陰極靶材上中部磁極磁場強度與外環形磁場的磁極強度不相同的磁控濺射技術。在常規濺射靶基礎上改變磁場分布，適當增強邊緣N極磁場或削弱中部S極磁場，保證N極、S極在靶表面構成的橫向（平行靶面）磁場仍能有效地約束濺射出的二次電子，維持穩定的磁控濺射放電；同時使得另一部分電子沿著較強N極產生的縱向（垂直靶面）磁場逃逸出靶表面，飛向鍍膜區域?；陟o電平衡原理，帶電正離子也將隨著電子一起飛向被鍍工件；飛離靶面的電子還會與中性粒子發生碰撞電離，進一步增加鍍膜區域的離子濃度。總之，通過調整濺射靶表面的磁場分布，可以顯著地提高鍍膜區域等離子體的濃度，從而使基片表面鍍膜的精度和性能大大提高。[1]

4 結束語

隨著工業需求和表面工程技術的進一步發展，更多新型的濺射鍍膜技術已如雨后春筍般紛紛涌現出來，如高速濺射、自濺射等已成為目前濺射鍍膜領域的發展趨勢，而如何進一步改良其工藝特性使之更好的運用于工業生產，仍需要我們不斷地創新與努力。

參考文獻

[1]董騏，范毓殿.非平衡磁控濺射及其應用[J].真空科學與技術，1996，16（1）：51-57.