磁控溅射镀膜技术的发展_余东海

第46卷第2期2009年3月真空VACUUMVol.46,No.2Mar.2009收稿日期：2008-09-03作者简介：余东海（1978-），男，广东省广州市人，博士生联系人：王成勇，教授。

*基金项目：国家自然科学基金（50775045）；东莞市科技计划项目（20071109）。

磁控溅射镀膜技术的发展余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤（广东工业大学机电学院，广东广州510006）摘要：磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅射技术与也取得了进一步的发展。

非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。

关键词：镀膜技术；磁控溅射；磁控溅射靶中图分类号：TB43文献标识码：A文章编号：1002-0322（2009）02-0019-07Recent development of magnetron sputtering processesYU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian(Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China )Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrialfields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes.Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。

溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（＜0.1Pa ）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。

在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。

增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。

在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。

但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。

磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。

磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积DOI:10.13385/ki.vacuum.2009.02.026真空VACUUM 第46卷配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。

近年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有射频溅射、反应磁控溅射、非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射、高速溅射等。

1平衡磁控溅射平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。

沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar ，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar +离子和电子，产生辉光放电，Ar +离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。

电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率[2,3]。

但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。

且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。

提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。

非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图1所示。

这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量[4]。

图1（a)平衡磁控溅射(b)非平衡磁控溅射Fig.1(a)balanced magetron sputtering (b)unbalanced megnetron sputtering2非平衡磁控溅射1985年，Window 和Savvides [5,6]首先引入了非平衡磁控溅射的概念。

不久，多种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积过程中离子和原子的比例[10]。

非平衡磁控溅射系统有两种结构[11,12]，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。

另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子束流密度提高，通常可达5mA/cm 2以上。

这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。

非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。

在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改20··余东海，等：磁控溅射镀膜技术的发展第2期性目的。

比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层[12]。

非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。

对此研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。

多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图2所示（a）为双靶闭合磁场，（b）为双靶镜像磁场。

图2（a）闭合磁场磁控溅射（b）镜像磁场磁控溅射Fig.2Magnetron sputtering in(a)closed magnetic field(b)mirroy's magnetic field比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶材粒子飞向基体表面。

在内部和外环磁极的位置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向镀膜区域输送带电粒子的主要通道。

再比较闭合磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低了电子进而离子的数量。