Page 11 - 《真空与低温》2025年第5期

550 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

同时开启磁控溅射靶进行镀膜。在此阶段，空心阴 电子进不了阳极，即产生“阳极消失”现象，使得镀
极枪发射的高密度电子流可将氩气和膜层原子电 膜过程很难稳定。经过近几十年的努力，研究人员
离，进而弥补磁控溅射技术在沉积速率低、离化率 研发出许多新技术，如中频电源匹配孪生靶磁控溅
低及化合物薄膜沉积工艺难度大等方面的不足。 射技术等，提高了在高端器件和大尺寸玻璃上镀介
通过空心阴极产生的高密度电子流辅助沉积，可显 质膜的质量，促进了产业化生产。
著提升磁控溅射镀膜的工艺性能。 （1）采用中频电源匹配孪生靶克服靶中毒和阳
极消失现象

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虽然采用射频溅射也可以镀制绝缘膜，但受限
于没有大功率射频电源，目前只能采用频率为
20 kHz、40 kHz、100 kHz 的中频电源。连接中频电
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源的两个磁控溅射靶称为“孪生靶”。将中频电源
A A
6 的两个电极分别与两个“孪生靶”连接，可以稳定
地镀制介质膜 [1-3，6，25-27] 。放电过程中，两个靶互为
阴阳极，靶的电极性迅速变化。图 21（a）为孪生靶
4 2 放电示意图，当阴极靶的电极性瞬时为正半周时，
1. 镀膜室；2. 工件转架；3. 工件；4. 空心阴极弧阳极； 吸引电子到达阴极，中和堆积的氩离子，消除“靶
5. 空心阴极枪；6. 电磁线圈。 中毒”现象，不再发生打弧；当阴极靶的电极性瞬时
为负半周时，吸引氩离子到达阳极，中和堆积的电
图 19 在磁控溅射镀膜机顶部安装空心阴极枪结构示意图
子，消除“阳极消失现象”，使镀膜过程稳定进行。
Fig. 19 Structure diagram of a hollow cathode gun mountedon
图 21（b）为孪生靶电位变化图 。
[8]
the top of the magnetron sputtering coater
孪生靶通常采用纯组分材料制成，两个靶可以
2.2 磁控溅射镀介质膜的技术进步 并排安放，也可以对向安装。通入反应气体放电后
高新技术产品中的半导体器件、光学器件、光 电子、离子在两个靶之间来回振荡。
电子器件、节能玻璃等都需要镀 Al 2 O 3 、SiO 2 、Si 3 N 4 、 图 22 为在同一个设备中分别用中频磁控溅射
Nb 2 O 5 等介质膜（绝缘膜）。例如，在宽度为 3 300 mm、 和直流磁控溅射沉积镍膜时靶的放电照片 [1-3] 。可
长度为 6 800 mm 的 Low-e 节能玻璃上镀多层节能 以看出，采用中频电源时靶面辉光比直流放电强，
膜的镀制顺序为：先在玻璃基材上镀 Si 3 N 4 介质膜， 说明靶前面的等离子体密度提高。
然后分别用 Ag 靶和 CrNi 合金靶直流磁控溅射镀 图 23 为 Applied Films 公司在宽度为 3 300 mm、
Ag、CrNi 膜，再镀 Si 3 N 4 膜，如图 20 [1-2，6，25] 所示。 长度为 6 800 mm 的玻璃上镀 Low-e 多层膜时采用
的孪生 Si 靶，该靶是在直径为 150 mm 的不锈钢管
Si 3 N 4
上喷涂 Si 形成的。
CrNi
（2）控制反应磁控溅射镀膜的模式
Ag
通常采用中频电源和纯组分材料靶，通入氧气、
Si 3 N 4 氮气等反应气体镀制 Al 2 O 3 、SiO 2 、Si 3 N 4 等绝缘膜。
玻璃 通入反应气体的初期靶电压高，沉积速率快，这一
阶段称之为“金属模式”。靶面沉积介质膜后，电
压迅速降低，放电由金属模式转换为“反应模式”，
图 20 Low-e 玻璃多层膜结构示意图
磁控溅射过程很难进行。因此，沉积过程中须严格
Fig. 20 Multilayer structure of Low-E glass
控制反应气体的通入量，使放电处于金属模式以维
采用直流磁控溅射镀 Si 3 N 4 介质膜时，阴极靶 持稳定镀膜过程。
面上会沉积绝缘膜，氩离子进入不了靶阴极而是累 控制反应气体通入量的方法有两种 [1-4，6-9，28] 。
积在其附近，氩离子堆积层和阴极靶材之间形成电 一种是监测靶电压，当靶电压突然降低时反馈给进
位很高的鞘层，产生冷场致发射，因而出现打弧现 气系统，减少反应气体的通入量。另一种是在沉积
象，即所谓“靶中毒”。阳极上同样会沉积绝缘膜， 过程中检测放电颜色（放电频率）的变化，将等离子