磁控溅射技术进展及应用(上)

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磁控溅射技术进展及应用（上）＊

徐万劲

（北京大学物理学院北京１００８７１）

摘要近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛，在工业生产和科学研究领域发挥巨大作

用。随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加，相应的磁控溅射技术也获得进一步的

发展。本文将介绍磁控溅射技术的发展，以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅

射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点，阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄

膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。

关键词磁控管溅射率非平衡磁控溅射闭合场非平衡磁控溅射自溅射

引言

磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用于许多方面卜８，特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中，用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。１８５２年Ｇｒｏｖｅ首次描述溅射这种物理现象，２０世纪４０年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。６０年代后随着半导体工业的迅速崛起，这种技术在集成电路生产工艺中，用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层，才真正得以普及和广泛的应用。磁控溅射技术出现和发展，以及８０年代用于制作ＣＤ的反射层之后，磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展，逐步成为制造许多产品的一种常用手段，并在最近十几年，发展出一系列新的溅射技术。

１磁控溅射镀膜原理及其特点

１．１磁控溅射沉积镀膜机理

磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展而来，解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置１００～１０００Ｇａｕｓｓ强力磁铁，真空室充人０．１—１０Ｐａ压力的惰性气体（如），作为气体放电的载体。在高压作用下船原子电离成为心＋离子和电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基片的过程中，受到垂直于电场的磁场影响，使电子产生偏转，被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，电子以摆线的方式沿着靶表面前进，在运动过程中不断与ｍ原子发生碰撞，电离出大量的Ａｒ＋离子，与没有磁控管的结构的溅射相比，离化率迅速增加１０～１００倍，因此该区域内等离子体密度很高。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。而Ａｒ＋离子在高压电场加速作用下，与靶材的撞击并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收心＋离子的动能而脱离原晶格束缚，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积形成薄膜（见图１）。溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为１。１０ｅＶ，溅射镀膜理论密度可达９８％。比较蒸镀０．１～ｌｅＶ的粒子能量和９５％的镀膜理论密度而言，溅镀薄膜的性质、牢固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好，。

图１磁控溅射原理不意图

磁控管中阴极和磁体的结构直接影响溅射镀膜的性能，因此根据磁控溅射应用要求，发展出各种不同结构和可变磁场的阴极磁控管１０—７，以改善和提高薄膜的质量和靶材的利用率。

１．２磁控溅射的特点

磁控溅射技术得以广泛的应用，是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为：可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包

＊硅基发光研究项目得到国家自然科学基金委员会光电重大计划重点项目９０２０１０３７资助

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