磁控濺射技術(shù)的原理與發(fā)展

王俊 郝賽

摘 要：磁控濺射技術(shù)因為其自身所具有的顯著優(yōu)點，已經(jīng)被越來越廣泛的運用于各個領(lǐng)域，其中以工業(yè)鍍膜方面的應(yīng)用最為廣泛，相應(yīng)的其生產(chǎn)技術(shù)也得到了很大的改進。文章著重講述磁控技濺射技術(shù)的原理，特點以及磁控濺射技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鍍膜技術(shù)；磁控濺射；平衡磁控濺射；非平衡磁控濺射

自1852年，格洛夫發(fā)現(xiàn)陰極濺射現(xiàn)象，對于濺射技術(shù)的運用便逐步發(fā)展起來，從上世紀80年代至今，磁控濺射技術(shù)在表面工程領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的地位。磁控濺射技術(shù)可制備超硬膜、耐腐蝕摩擦薄膜、超導(dǎo)薄膜、磁性薄膜、光學(xué)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(shù)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(shù)，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(fā)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(fā)生了多次的能量傳遞，導(dǎo)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(shù)擁有“高速低溫”的特點。

2 磁控濺射鍍膜技術(shù)與傳統(tǒng)的鍍膜技術(shù)相比的優(yōu)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(zhì)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(zhì)由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚匐x子態(tài)，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(shè)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(fā)生反應(yīng)形成化合物膜層沉淀在基片的表面；同時，磁控濺射技術(shù)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(shù)十分適合大批量的工業(yè)化生產(chǎn)，并具有極高的生產(chǎn)率與生產(chǎn)效率。

3 磁控濺射技術(shù)的發(fā)展

自1852年，格洛夫發(fā)現(xiàn)濺射現(xiàn)象以來，濺射技術(shù)有了日新月異的發(fā)展，并于19世紀中葉真正將其運用到了鍍膜產(chǎn)業(yè)，隨后又出現(xiàn)了磁控濺射鍍膜技術(shù)，而磁控濺射鍍膜技術(shù)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(tǒng)的磁控濺射鍍膜技術(shù)，原理與上述相同，即在陰極靶材后面放上芯部與外部環(huán)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(tǒng)的磁控濺射技術(shù)同時存在著一個很大的缺點，即輝光放電過程中產(chǎn)生的電子和氣體電離過程中產(chǎn)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(qū)域內(nèi)，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(qū)域內(nèi)，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(jīng)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(shù)存在上述的一些缺點，Window等科學(xué)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(fā)生生增強或減弱，導(dǎo)致的陰極靶材上中部磁極磁場強度與外環(huán)形磁場的磁極強度不相同的磁控濺射技術(shù)。在常規(guī)濺射靶基礎(chǔ)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(gòu)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(wěn)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(chǎn)生的縱向（垂直靶面）磁場逃逸出靶表面，飛向鍍膜區(qū)域。基于靜電平衡原理，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(fā)生碰撞電離，進一步增加鍍膜區(qū)域的離子濃度。總之，通過調(diào)整濺射靶表面的磁場分布，可以顯著地提高鍍膜區(qū)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(jié)束語

隨著工業(yè)需求和表面工程技術(shù)的進一步發(fā)展，更多新型的濺射鍍膜技術(shù)已如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來，如高速濺射、自濺射等已成為目前濺射鍍膜領(lǐng)域的發(fā)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(yè)生產(chǎn)，仍需要我們不斷地創(chuàng)新與努力。

參考文獻

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