溅射沉积技术的发展及其现状

义的技术 创 新 应 用，分 别 是 二 极 溅 射，平 衡 磁 控 溅 射，非平衡磁控溅射和脉冲电源在溅射中的应用等。
二极溅射是所有溅射沉积技术的基础，二极溅 射应用于薄膜沉积，确立了溅射沉积技术的基本原 理和方式。二极溅射结构简单、便于控制、工艺重复 性好，主要应用于沉积原理的研究，由于该方法要求 工作气压高（ > 1 Pa）、基体温升高和沉积速率低等 缺点限制了它在生产中的应用。为了克服二极溅射 的缺点，出现了增加辅助电极的三极溅射和四极溅 射，在降低工作气压后仍能保持足够高的等离子体 密度，提高沉积速率。但这两种技术并不能抑制二 次电子对基体轰击所造成基体温升过高的问题。
术的序幕，磁控溅射促使溅射沉积技术进入实质的工业化应用，并通过控制磁控靶磁场的分布方式和增加磁控靶数量，进一
步发展为非平衡磁控溅射、多靶闭合式非平衡磁控溅射等，拓宽了应用范围。射频、脉冲电源尤其是脉冲电源在溅射技术中
的使用极大地延伸了溅射沉积技术的应用范围。
关键词 溅射沉积 磁控溅射 非平衡磁控溅射 脉冲溅射
文献［14，15］采用非平衡磁控溅射，并辅加高的 基体偏压，利用离子轰击制备了低表面粗糙度、光泽 的低熔点金属 Zn 薄膜，指出 Zn 薄膜的表面粗糙度并 不受薄膜厚度的影响，而是与离子轰击有关：离子轰 击有利于 Z（n 001）晶面的择优生长，并使更多的 Ar 渗 入薄膜中，Zn（001）晶面择优生长和 Ar 渗入，导致薄 膜微 观 结 构 的 变 化 更 易 生 成 平 滑 的 表 面。J. Yoo 等［16］采用非平衡磁控溅射制备了电化学性能和力学 性能良好的 304 SS 不锈钢薄膜，在分析各工艺参数对 薄膜性能影响的基础上，给出了最优工艺参数。
然而，在平衡磁控溅射中，由于磁场作用，等离 子体区被强烈地束缚在靶面附近大约 60 mm 的区 域内［2］，若基体置于该区域之外，仅有溅射出的靶材 粒子沉积在基体表面，但靶材粒子能量较低，直接沉 积在基体上，膜基结合强度较差，且低能量的沉积原 子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结 构薄膜。为了使基体和生长薄膜能被离子轰击，基 体应置于等离子体区域内，但如此近的距离并不适 于大尺寸复杂零件。针对该问题，人们采用辅加基 体偏压的方式，即给基体施加一定的负偏压，引导等 离子 体 中 的 部 分 离 子 加 速 轰 击 基 体。Jochen . M.
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===== 综述评论
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真空科学与技术学报 JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY（CHINA）
第 25 卷 第 3 期 2005 年 5、6 月
溅射沉积技术的发展及其现状
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杨文茂1，2 刘艳文1 徐禄祥1 冷永祥1 黄 楠*1
( ) 1. 西南交通大学材料学院生物材料及表面工程研究所 成都 610031； 2. 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 绵阳 621900
图 2 不同非平衡方式的磁力线分布及其对等离子体区 域的影响（. a）外环磁极增强，内磁极减弱；（b）外环 磁极减弱，内磁极增强
Fig.2 Magnetic force lines’distribution and influence on plasma region of unbalanced mode（. a）outer ring of magnets is strengthened to central pole or（b）is reversed（a）
杨文茂等：溅射沉积技术的发展及其现状
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固有的缺陷，因此得以广泛应用；非平衡磁控溅射技 术扩大了等离子体区域，有效增加靶基距，在保证沉 积速率的同时，使适当能量的离子对基体和生长薄 膜轰击，改善薄膜结构和性能，进一步强化了溅射沉 积技术 制 备 薄 膜 的 优 势。 脉 冲 电 源 在 溅 射 中 的 应 用，尤其是反应溅射，可有效消除直流反应溅射介电 材料和绝缘材料存在的异常弧光放电导致的过程不 稳定性和薄膜缺陷等问题，使反应溅射真正成为溅 射沉积技术的重要分支之一。
常规平衡磁控溅射可增加对靶材溅射而减少对 基体的轰击，有效地解决了二极乃至三极、四极溅射
收稿日期：2004-12-20 基金项目：国家自然科学基金（No. 30400109） *联系人：教授，博导，Tel：028 - 87600625，E-mail：huangnan1956 @ 163 . com
第3期
中图分类号：TB43
文献标识码：A
文章编号：1672-712（6 2005）03-0204-07
真空薄膜技术的迅猛发展起因于现代科技发展 的需求。薄膜技术可有效而经济地改变零件表面功 能，防止因磨损、腐蚀或氧化引起的失效，延长其使 用寿命。此外，相对传统材料制备技术，薄膜技术能 制备多种新型材料，满足特殊使用条件和功能对新 材料的需求。
非平衡磁控溅射的出现，更有效地解决了平衡 磁控溅射存在的靶基距近、离子轰击基体强度低等 问题。
2 非平衡磁控溅射
非平 衡 磁 控 溅 射 最 早 由 B. Window 和 N. Savides［8 ～ 10］提出。通过改变磁控靶中磁铁的配置方 式，改变靶表面区域磁场的分布，使得对靶前二次电 子和等 离 子 体 的 控 制 发 生 变 化。 对 平 面 环 形 磁 控 靶，当外环磁极被增强时，部分磁力线仍保持自身的 封闭性，保证了靶前高等离子体密度，实现高溅射速 率；另一部分磁力线脱离磁场自身的封闭性，开放性 地指向靶前更远的地方，如图 2（a）所示，因此等离 子体中的电子不再局限于靶前，而是沿着磁力线逃 逸到更远的距离之外，在移动过程中，电子不断撞击 气体原子，使其发生离化，形成等离子体，从而扩展
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了等离子体区域。在基体偏压的作用下，离子轰击 沉积的薄膜，实现了类似磁控溅射离子镀的功能。
非平衡磁控溅射磁控靶的内外磁极非平衡方式 和程度的不同，极大地影响着二次电子的逃逸状态。 如图 （2 a）所示，当外环磁极强于内磁极时，磁力线 向外延伸，使电子脱离靶前磁场的束缚，扩大了等离 子体区域；相反，当外环磁极相对内磁极较弱时，如 图 2（b）所示，磁力线更多地延伸到了真空室壁上， 使得电子移向真空室壁损耗掉，相对平衡磁控溅射， 不但不能扩展等离子体区域反而降低了靶前等离子 体的强度。因此，人们更多采用前一种方式的非平 衡磁控溅射。非平衡程度的不同同样影响着二次电 子的逃逸状态，非平衡程度越高，更多电子易于脱离 靶前磁场的束缚，逃逸到更远的位置，更加有利于扩 大等离子体区域，文献［11］采用双 AlNiCo 作为外环 磁极，内磁极为单 AlNiCo，构成弱非平衡磁控靶；用 AlNiCo + NdFeB 为外环磁极，内磁极则用弱铁构成 强非平衡磁控靶，结果显示前者中位线上磁感应强 度 3 × 10 - 4 T，后者则达到了 20 × 10 - 4 T，正如可预 见的，对应基体偏压电流，前者仅约 1.0 A，后者则 达到了 5. 9 A，远远高于前者。M . Flores 等［12］则在 平衡磁场的基础上在外环增加电磁线圈以可调地改 变外环磁极强度，进而研究非平衡程度不同对磁场 分布、等离 子 体 参 数 影 响，指 出 随 着 线 圈 电 流 的 增 加，靶前中位线上磁场强度明显地增强，而等离子体 的电子温度和电子密度都有明显改善，有利于增加 轰击离子的能量。Manoj Komath 等［13］同样采用了增 加外环线圈的方式达到磁场非平衡的目的，研究了 改变线圈电流对靶前磁场分布和强度及其溅射过程 的影响，以得出最优的非平衡参数。
Abstract History and the latest propress in film deposition by magnetron sputtering was tentatively reviewed. Discussion was focused on design and evaluation of the magnetic field distribution，various types of power supply，multi-target positioning，film growth conditions and industrial applications of the technology.
溅射沉积技术自上世纪三四十年代首次利用溅 射现象实验制取薄膜，并于六七十年代实现工业应 用以来［1］，以其独特的沉积原理和方式，在短短数十 年内便得以迅速发展，新工艺技术日益完善，并以此 制备的新型材料层出不穷。
溅射沉积是在真空环境下，利用荷能离子轰击 材料表面，使被轰击出的粒子沉积在基体表面的技 术。溅射沉积技术的发展历程中有几个具有重要意
1 平衡磁控溅射
平衡磁控溅射通常被称作常规磁控溅射。利用 磁场对二次电子实施有效控制，从而变二极溅射的 缺点为自身的优点。平衡磁控溅射的工作原理如图 1 所示，二次电子在相互垂直的电磁场中，被束缚在 靶表面附近沿着“跑道”环绕磁力线做圆滚性运动， 提高了气体的离化率，即使工作气压降低到 10 - 1 ～ 10 - 2 Pa 数量级，仍能增加等离子体密度，从而可提 高入射离子密度，有利于降低溅射电压，同时提高沉 积速率；而二次电子只有在能量耗尽以后才能脱离 靶表面落在阳极上，所以基体避免了二次电子的轰 击，基体温升低，无损伤。平衡磁控溅射可有效应用 于对温度要求严格的基体材料的表面改性。
Keywords Sputtering deposition，Magnetron sputtering，Unbalanced magnetron sputtering，Pulsed sputtering
摘要 论述了溅射沉积薄膜技术的发展历程及其目前的研究应用状况。二极溅射应用于薄膜制备，揭开了溅射沉积技
非平衡磁控溅射可分为单靶非平衡磁控溅射和 多靶非平衡磁控溅射。多靶非平衡磁控溅射是为了 弥补单靶非平衡磁控溅射的不足并进一步拓宽非平
衡磁控溅射的应用范围而研制的。磁控溅射属于视 线性沉积方式，单靶非平衡磁控溅射对复杂零件也 很难达到均匀镀膜，尤其是反应溅射，由于在基体相 对靶的正面和侧面（阴影部位）的沉积速率有很大差 别，反应气体在真空室内却均匀存在，不同部位的成 分化学计量比不同，即使采用基体旋转方式，膜层也 是多种化学计量比的混合物。多靶非平衡磁控溅射 则从多方位同时沉积，消除阴影的影响，弥补了单靶 非平衡磁控溅射的缺陷。
图 1 平衡磁控溅射的工作原理图 Fig.1 Schematic representation of the principle
of balanced magnetron sputtering
Schneider 等［3］采用离化溅射和常规磁控溅射制备 Al2O3 薄膜，常规磁控溅射无偏压情况下离子轰击作 用甚小，获得非晶态薄膜的微硬度低于 10 GPa；当辅 加 - 70 V 偏压后，由于离子轰击的作用，薄膜硬度 却是 未 加 偏 压 的 2 倍。 S . Guruvenket 和 G. Mohan Rao［4］在制备氮化钨时，发现偏压为零时，氮化钨为 非晶态，当 偏 压 在 - 30 ～ - 70 V 时，生 成 了 β 相 W2N。其他文献［5 ～ 7］分别研究了基体偏压对薄膜 结构、表面形貌、力学和光学等性能的影响，结果同 样显示偏压对上述性能有较明显的影响。然而采用 基体偏压也会导致某些不利的影响，文献［3］指出采 用较高基体偏压，一方面有利于 Al2O3 相的转变，但 另一方面却导致薄膜脆性增加。
Review of F源自文库lm Growth by Sputtering Technology
Yang Wenmao1，2，Liu Yanwen1，Xu Luxiang1，Leng Yongxiang1 and Huang Nan*1
（1. The School of Materials Science & Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China； 2. Institute of Machinery Manufacturing Technology，CAEP，Mianyang，621900，China）