Page 6 - 《真空与低温》2025年第5期

王福贞：磁控溅射镀膜技术新进展 545

溅射靶。图 3 为平面磁控溅射靶剖面结构示意 术优势的发挥。
图 [1-10] 。平面磁控溅射靶结构简单，无运动部件，但
磁轴套管 靶材
是溅射刻蚀不均匀，靶材利用率低。 磁力线
磁力线

4
5 − − − 磁轴旋转
− V=E×B − 磁钢
E e − B
B −
E
6 磁力线 磁力线
7
水管
3 N 磁钢座
S
S 8 （a）旋磁型柱状靶
N
2 N S 靶材
9
1 磁力线 磁轴套管
10
1. 靶材；2. 靶座；3. 沿磁力线的电子轨迹；4. 最后逃逸出的电 磁钢 靶管旋转
子；5. 阳极；6. 靶面上的电子运动轨迹；7. 靶刻蚀区；8. 外圈
磁钢；9. 内磁钢；10. 磁极靴。
磁力线 水管
图 3 平面磁控溅射靶剖面结构示意图
磁钢座
Fig. 3 The cross-sectional structure of a planar sputtering target （b）旋靶管型柱状靶

早期，平面磁控溅射靶的外圈磁钢和内磁钢全 图 4 柱状磁控溅射靶靶管内磁钢排布图
部采用强磁钢钕铁硼，磁力线被紧紧地约束在靶面 Fig. 4 Schematic of the cylindrical sputtering target

附近，远离靶面的区域没有电子和氩气碰撞，氩离
2 磁控溅射镀膜技术新进展
子很少，几乎没有溅射作用。因此工件与靶的距离
（靶-基距）只能在 90 mm 以内。这种磁场称“平衡 近几十年来，研究人员在提高磁控溅射镀膜技
磁场”。 术的金属离化率、膜基结合力、靶材利用率、沉积
图 4 为柱状磁控溅射靶靶管内磁钢的排布 速率以及克服靶中毒等方面作了很多努力，取得了
图 [1-2，6-9] 。图 4（a）为旋磁型柱状磁控靶，工作时磁 显著成果。
钢旋转，靶管不动，靶管内的磁钢座连续旋转，带动 2.1 非平衡磁控溅射技术
靶面上的辉光圈旋转，可以实现向周围 360°方向镀 传统磁控溅射靶采用平衡磁场设计，靶-基距
膜。图 4（b）为旋靶管型柱状磁控溅射靶 [1-2，6-9] ，工 小，工件装载量小，生产效率低，离化率低。近些年
作时磁钢不动，靶管旋转，并连续经过辉光圈，靶面 在平衡磁场的基础上发明了采用非平衡磁控溅射
原子被连续溅射，不断地向工件方向运动，沉积成 靶和非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜技术。
膜。柱状磁控溅射靶比平面靶的靶材利用率高，不 （1）非平衡磁控溅射靶磁场的排布
容易发生“靶中毒”现象，靶管材料成分可以多种 非平衡磁控溅射靶的磁场排布使靶心部磁钢
多样，可以在不锈钢管表面喷涂各种被镀材料，如 与周边磁体的磁场强度不相等 [1-3，9，11-15] 。可以是心
Si、Cr 等。当靶管内的 N-S-N 磁极全部采用钕铁 部采用强磁钢，周边使用弱磁性材料，或者是心部
硼强磁钢时，属于平衡磁场的排布方式。 采用弱磁材料，周边采用强磁钢。图 5（a）和图 5（b）
传统磁控溅射镀膜技术具有一定的优越性，例 分别为平衡和非平衡磁控溅射靶靶面磁力线分
如：膜层组织比电弧离子镀细密；沉积粒子的能量 布 [1-3，9，11-15] 。
比蒸发镀膜的高，膜基附着力比蒸发镀好；膜层成 图 6 为英国 Gencoa 公司的平衡和非平衡磁控
分与靶材成分接近，薄膜均匀性好等，适合于各类 溅射靶靶面磁力线分布的计算机仿真模拟图 [1-2，13] 。
功能膜的镀制。但是，在镀制耐磨与装饰膜等方面， 由图可以看出，非平衡磁控溅射靶靶面上磁力线向
磁控溅射比阴极电弧离子镀的离化率低，因此，膜 靶的前方推移，向靶两边扩展，并推向离靶面更远
基结合力相对较低，沉积速率低，难于形成化合物 的地方，使靶-基距提高到 150 mm，即磁场的作用
膜层，沉积绝缘膜时容易 “靶中毒” [1-3] ，影响了其技 空间扩展了。