磁控溅射有哪些种类？不同种类的工作原理是什么？

磁控溅射包括很多种类.各有不同工作原理和应用对象.但有一共同点:利用磁场与电场交互作用,使电子在靶表面附近成螺旋状运行,从而增大电子撞击氩气产生离子的概率.所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材.

靶源分平衡和非平衡式,平衡式靶源镀膜均匀,非平衡式靶源镀膜膜层和基体结合力强.平衡靶源多用于半导体光学膜,非平衡多用于磨损装饰膜.

磁控阴极按照磁场位形分布不同,大致可分为平衡态和非平衡磁控阴极.平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等,两极磁力线闭合于靶面,很好地将电子/等离子体约束在靶面附近,增加碰撞几率,提高了离化效率,因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电,靶材利用率相对较高,但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面,基片区域所受离子轰击较小.非平衡磁控溅射技术概念,即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极,两极磁力线在靶面不完全闭合,部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域,从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片,增加基片区域的等离子体密度和气体电离率.

不管平衡非平衡,若磁铁静止,其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%.为增大靶材利用率,可采用旋转磁场.但旋转磁场需要旋转机构,同时溅射速率要减小.

旋转磁场多用于大型或贵重靶.如半导体膜溅射.对于小型设备和一般工业设备,多用磁场静止靶源.用磁控靶源溅射金属和合金很容易,点火和溅射很方便.这是因为靶(阴极),等离子体,和被溅零件/真空腔体可形成回路.但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了.于是人们采用高频电源,回路中加入很强的电容.这样在绝缘回路中靶材成了一个电容.但高频磁控溅射电源昂贵,溅射速率很小,同时接地技术很复杂,因而难大规模采用.为解决此问题,发明了磁控反应溅射.就是用金属靶,加入氩气和反应气体如氮气或氧气.当金属靶材撞向零件时由于能量转化,与反应气体化合生成氮化物或氧化物.

磁控反应溅射绝缘体看似容易,而实际 *** 作困难.主要问题是反应不光发生在零件表面,也发生在阳极,真空腔体表面,以及靶源表面.从而引起灭火,靶源和工件表面起弧等.孪生靶源技术,很好的解决了这个问题,其原理是一对靶源互相为阴阳极,从而消除阳极表面氧化或氮化.

冷却是一切源(磁控,多弧,离子)所必需,因为能量很大一部分转为热量,若无冷却或冷却不足,这种热量将使靶源温度达一千度以上从而溶化整个靶源.

直流溅射又称为阴极溅射或二极溅射。其典型的溅射条件为，溅射气压8－14Pa，溅射靶电压3000V，靶电流密度0.5mA/cm2，薄膜沉积速度低于0.1mm/min。

直流溅射过程中，溅射气压是一个重要的参数，对溅射速率以及薄膜的质量都有很大的影响。在气压低于1Pa时，不容易维持自持放电。这是由于在较低的气压条件下，电子的自由程较长，电子在阳极上消失的几率较大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低。并且离子在阳极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。

随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原子的电离几率增加，溅射电流增加，溅射速率提高。

但当气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过程中将会受到过多的散射，部分溅射原子甚至会被散射至靶材表面沉积下来，因而其沉积在衬底上的几率反而下降。

20世纪70年代开始发展了磁控溅射技术，它的特点是溅射电压大大下降，溅射速率明显提高，另外溅射气压可以较低，通常在0.5Pa。磁控溅射是目前应用最广泛的一种溅射沉积方法。它是在二极直流溅射的基础上，在靶表面附近增加一个磁场。电子由于受电场和磁场的作用，做螺旋运动，大大提高了电子的寿命，增加了电离产额，从而放电区的电离度提高，即离子和电子的密度增加。放电区的有效电阻变小，电压下降。另外放电区集中在靶表面，放电区中的离子密度高，所以入射到靶表面的离子密度大大提高，因而溅射产额大大增加。

磁控溅射方法典型的工作条件为：溅射气压0.5Pa，靶电压600V，靶电流密度20mA/cm2，薄膜沉积速率2mm/min。

直流溅射需要靶材具有良好的导电性，对于非金属靶材，需要极高的电压，不容易实现，因此射频溅射方法出现：

将一负电位加在置于绝缘板背面的导体上，在辉光放电的等离子体中，当正离子向导体板加速飞行时，轰击绝缘板使其溅射。这种溅射只能维持10-7秒的时间，此后在绝缘板上积累的正电荷形成的正电位抵消了导体板上的负电位，因此停止了高能正离子对绝缘板的轰击。此时，如果倒转电源极性，电子就会轰击绝缘板，并在10-9秒的时间内中和掉绝缘板上的正电荷，使其电位为零。这时，再倒装电源极性，又能产生10-7秒时间的溅射。实际溅射工艺的溅射时间至少需要100秒，因此必须使电源极性倒转率f≥107次/秒。该频率的极性转换可利用射频发生器完成，溅射法使用的高频电源的频率已属于射频的范围，其频率区间一般为5 ~ 30MHz。国际上通常采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会（FCC）建议的13.56 MHz。

射频溅射法由于可以将能量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的靶电压较低，其典型的数值为1.0Pa和1000V，靶电流密度约1.0mA/cm2，薄膜的沉积速率约为0.5mm/min。

三者对比：二级溅射已经很少用了，磁控溅射应用非常广泛，而对于陶瓷靶材等非金属靶材，一般采用射频溅射。

两者应用环境很不一样。磁控溅射是真空环境中镀膜，牢固性，致密性和均匀性都是很完美的。磁控溅射还可以镀光学膜。电镀之能镀金属吧。一个是化学过程，一个是物理过程。磁控溅射是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪 70 年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。