第46卷第2期
2009年3月
真空VACUUM
Vol.46,No.2
Mar.2009
收稿日期：2008-09-03
作者简介：余东海（1978-），男，广东省广州市人，博士生联系人：王成勇，教授。
基金项目：国家自然科学基金（50775045）；东莞市科技计划项目（20071109）。
磁控溅射镀膜技术的发展
余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤
（广东工业大学机电学院，广东广州510006）
摘要：磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅
射技术与也取得了进一步的发展。非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中
频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的
稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜
技术开辟了新的应用领域。
关键词：镀膜技术；磁控溅射；磁控溅射靶
中图分类号：TB43文献标识码：A文章编号：1002-0322（2009）02-0019-07
Recentdevelopmentofmagnetronsputteringprocesses
YUDong-hai,WANGCheng-yong,CHENGXiao-ling,SONGYue-xian
(GuangdongUniversilyofTechnology,Guangzhou510006,China)
Abstract:Magnetronsputteringprocesseshavebeenwidelyappleedtothinfilmdepositionnowadaysinvariousindustrial
fieldsduetoitsoutstandingadvantages,andthetechnologyitselfisprogressingfurther.Theunbalancedmagnetronsputtering
processcanimprovetheplasmadistributionindepositionchambertomakefilmqualitybetter.Themedium-frequencyand
pulsedmagnetronsputteringprocesescanefficientlyavoidthehysteresisduringreactivesputteringtoeliminatetargetpoisoning
andarcing,thusimprovingthestabilityanddepositingrateinpreparingthincompoundfilms.Higherutilizationoftargetcan
beobtainedbyimprovedtargetdesign,andthehigh-speedsputteringandself-sputteringprovideanewfieldofapplications
inmagnetronsputteringcoatingprocesses.
Keywords:coatingtechnology;magnetronsputtering;magnetronsputteringtarget
溅射镀膜的原理
[1]
是稀薄气体在异常辉光
放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶
材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子
及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定
的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表
面形成镀层。
溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅
射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉
积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压
（＜0.1Pa）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限
制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个
热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加
的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射
气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下
也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低
气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，
并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面
增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可
使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较
高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广
泛的工业应用。
磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在
靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射
沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目
前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜
技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，
几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶
材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积
真空VACUUM第46卷
配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入
氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与
气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀
膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离
子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，
溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多
靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性
好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产。近
年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法
有射频溅射、反应磁控溅射、非平衡磁控溅射、脉
冲磁控溅射、高速溅射等。
1平衡磁控溅射
平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极
靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近
的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方
向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，
通常为Ar，在高压作用下Ar原了电离成为Ar
+
离子和电子，产生辉光放电，Ar
+
离子经电场加速
轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。
电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式
运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体
中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离
的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化
率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁
控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提
高了溅射的效率和沉积速率
[2,3]
。
但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于
磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次
电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子
体区被强烈地束缚在靶面大约60mm的区域，随
着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，
这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm
的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有
效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较
大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应
用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量
较低，膜基结合强度较差，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。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的
结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本
身不能承受所需的高温。
非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺
点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～
300mm的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如
图1所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子
沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体
以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的
作用，大大的改善了膜层的质量
[4]
。
图1（a)平衡磁控溅射(b)非平衡磁控溅射
Fig.1(a)balancedmagetronsputtering(b)unbalancedmegnetron
sputtering
2非平衡磁控溅射
1985年，Window和Savvides
[5,6]
首先引入了
非平衡磁控溅射的概念。不久，多种不同形式的
非平衡磁场设计相继出现，磁场有边缘强，也有
中部强，导致溅射靶表面磁场的“非平衡”。磁控
溅射靶的非平衡磁场不仅有通过改变内外磁体
的大小和强度的永磁体获得，也有由两组电磁线
圈产生，或采用电磁线圈与永磁体混合结构
[7~9]
，
还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管，用来
改变阴极和基体之间的磁场，并以它来控制沉积
过程中离子和原子的比例
[10]
。
非平衡磁控溅射系统有两种结构
[11,12]
，一种
是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，
被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，
因此该方式很少被采用。另一种是外环磁场强度
高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回
路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部
分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区
域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体
不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达
基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使
衬底离子束流密度提高，通常可达5mA/cm
2
以
上。这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子
源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，
靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离
子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰
击作用。
非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起
到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面
的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助
于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过
程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改
20··
余东海，等：磁控溅射镀膜技术的发展第2期
性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结
合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态
或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更
强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性
能优良的镀层
[12]
。
非平衡磁控溅射技术的运用，使平衡磁控溅
射遇到的沉积致密、成分复杂薄膜的问题得以解
决，然而单独的非平衡磁控靶在复杂基体上较难
沉积出均匀的薄膜，而且在电子飞向基体的过程
中，随着磁场强度的减弱，一部分电子吸附到真
空室壁上，导致电子和离子的浓度下降。对此研
究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统，以弥补
单靶非平衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁控溅
射系统根据磁场的分布方式可以分为相邻磁极
相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相
同的镜像磁场非平衡磁控溅射，如图2所示（a）
为双靶闭合磁场，（b）为双靶镜像磁场。
图2（a）闭合磁场磁控溅射（b）镜像磁场磁控溅射
Fig.2Magnetronsputteringin(a)closedmagneticfield(b)mirroy''s
magneticfield
比较闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁
场分布情况，可以看出在靶材表面附近磁场差别
不大，内外磁极之间横向磁场对电子的约束形成
一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内
的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀，溅射出大量靶
材粒子飞向基体表面。在内部和外环磁极的位
置，特别是较强的外环磁极处，以纵向磁场为主，
成为二次电子逃离靶面的主要通道，进而成为向
镀膜区域输送带电粒子的主要通道。再比较闭合
磁场和镜像磁场在镀膜区域内磁场分布，差别就
大了，对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排
斥，纵向磁场都被迫向镀膜区外（真空室壁）弯
曲，电子被引导到真空室壁上流失，总体上降低
了电子进而离子的数量。由于镜像磁场方式不能
有效地束缚电子，因而等离子体的溅射效率未有
得到提高。而闭合磁场非平衡靶对在镀膜区域的
纵向磁场是闭合的。只要磁场强度足够，电子就
只能在镀膜区域和两个靶之间运动，避免了电子
的损失，从而增加了镀膜区域的离子浓度，大幅
度提高了溅射效率
[12]
。
Teer
[13]
比较了平衡磁控溅射靶，镜像非平衡
磁控靶和闭合非平衡磁控靶三种模式工件上偏
压电流的伏安特性，结果表明了闭合非平衡磁控
靶和镜像非平衡磁控靶的工件偏压电流依次比
平衡磁控溅射靶工件偏压电流提高了近2和6
倍。Sproul
[9]
比较了镜像结构与闭合结构系统在中
位线位置的磁场强度和基体自偏压电流，镜像结
构在中位线位置的磁场强度几乎都为零，基体自
偏压电流最高为1.3A，而闭合结构中位线位置
的磁感应强度可高达20×10
-4
T，对应基体自偏
压电流5.9A。多靶闭合磁场非平衡磁控溅射系
统可以获得高的沉积速率和较高质量的薄膜，因
此实际应用中较多采用的是闭合磁场非平衡磁
控溅射系统。
3反应磁控溅射
现代表面工程的发展越来越多地需要用到
各种化合物薄膜，反应磁控溅射技术是沉积化合
物薄膜的主要方式之一。沉积多元成分的化合物
薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材溅射沉
积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一
定的反应气体，如氧气、氮气，反应沉积化合物薄
膜，后者被称这反应溅射。通常纯金属靶和反应
气体较容易获得很高的纯度，因而反应溅射被广
泛的应用沉积化合物薄膜。
但是在沉积介电材料或绝缘材料化合物薄
膜的反应磁控溅射时，容易出现迟滞现象，如图
3
[14]
所示。在反应磁控溅射的过程中，溅射沉积
室中的反应气体流量较低时（A－B），大部分的
反应气体被溅射金属所获，此时沉积速率较高，
且几乎保持不变，此时沉积膜基本上属金属态，
因此这种溅射状态称为金属模式。但是当反应气
体的流量的值增加到临界值B时，金属靶与反应
气体作用，在靶表面生层化合物层。由于化合物
的二次电子发射系数一般高于金属，溅射产额降
低，此时反应气体的流量稍微增加（B－C），沉积
室的压力就是突然上升，溅射速率会发生大幅度
的下降，这种过程称为过渡模式。通常高速率反
应溅射过程工作在过渡模式。此后反应气体流量
再进一步增加，气体流量与沉积室压力呈线性比
例，沉积速率的变化不大，沉积膜呈现为化合物
膜，此时的溅射状态称为反应模式。在溅射处于
反应模式时，逐渐减小反应气体流量（D－E），溅
射速率不会由C立刻回升到B，而呈现缓慢回升
的状态，直到减小到某个数值E，才会出现突然上
21··
真空VACUUM第46卷
升到金属模式溅射状态时的数值，这是因为反应
气体保持高的分压，直到靶材表面的化合物被溅
射去除，金属重新曝露出来，反应气体的消耗增
加，沉积室压力又降低，这样就形成了闭合的迟滞
回线。类似于上述溅射速率与反应气体流量之间
的迟滞回线的还有靶电压与反应气体流量之间的
迟滞回线，两条迟滞回线的趋势完全相同
[15]
。
图3反应磁控溅射的迟滞现象示意图
Fig.3Schematicofhysteresisduringreactivemagnetronsputtering
反应溅射中的迟滞效应是不希望有的。迟
滞现象使某些化学剂量比的化合物不能通过反
应溅射获得，并且反应气体与靶材作用生成的
化合物覆盖在靶材表面，积累大量的正电荷无
法中和，在靶材表面建立越来越高的正电位，阴
极位降区的电位随之降低，最终阴极位降区电
位降减小到零，放电熄灭，溅射停止，这种现象
称为“靶中毒”。同时，在阴极附近的屏蔽阳极上
也可能覆盖化合物层，导致阳极消失现象。当靶
材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，
巨大的电流流过击穿点，形成弧光放电，导致局
部靶面瞬间被加热到很高的温度，发生喷射，出
现“打弧”现象。靶中毒和打弧导致了溅射沉积
的不稳定，缩短了靶材的使用寿命，并且低能量
的“液滴”沉积到薄膜表面，导致沉积薄膜结构
缺陷和组分变异。
早期的反应磁控溅射大多是由质量流量计
来控制通入沉积室的反应气体的流量，从而控制
沉积室反应气体的分压。近年来，许多研究人员
做了大量研究与尝试工作解决这一问题。Maniv
等
[16]
用阻止反应气体到达靶面的方式，在基体与
靶材之间，放置阻隔栅格板，Ar从阻隔板处引
入，反应气体从靠近基体处引入，这种布局可以
减弱反应气体与靶面的反应，获得较高较稳定的
溅射速率。这种结构的主要缺点是要经常清洗阻
隔板，降低了溅射粒子到达基体的机会，同时减
弱了等离子体对薄膜的轰击作用。通过脉冲方式
进气
[17,18]
，在靶材表面未生成大量化合物层时切
断反应气体，使在关闭反应气体时间内，能溅射
去除靶材表面的化合物层，保证溅射处在过渡模
式。但这种方式试验工作量大，且需要连续监控
调节，不易控制化合物薄膜的化学组分。此外还
有通过提高系统抽气速率
[19]
，全靶刻蚀技术
[20]
，
采用化合物陶瓷靶
[21]
，安装灭弧装置
[22]
等方式。
为了获得稳定的控制方法，让溅射处在过渡模式
下，还有通过等离子体发射光谱监控法
[23]
和靶电
压监控法
[24]
来控制反应溅射过程。
最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧
问题的方式是改变溅射电源，即采用射频，中频
或脉冲电源。射频溅射在溅射靶与基体之形成
高频(13.56MHz)放电，等离子体中的正离子和
电子交替轰击靶而产生溅射，解决了溅射绝缘
靶材弧光放电的问题，但是相对于射频溅射速
率较低，电源结构复杂，价格较昂贵。中频和脉
冲电源容易获得，成为目前广泛应用的磁控溅
射技术之一。
4中频磁控溅射
将直流磁控溅射电源改为交流中频电源即成
为中频磁控溅射。在中频反应溅射过程中，当靶上
所加的电压处在负半周期时，靶材表面被正离子
轰击溅射，在正半周期，等离子体中的电子加速飞
向靶材表面，中和了靶材表面沉积化合物层累积
的正电荷，从而抑制了打弧现象的发生。在确定的
工作场强下，频率越高，等离子体中正离子被加速
的时间越短，正离子从外电场吸收的能量就越少，
轰击靶时的能量就越低，溅射速率就会下降，因此
为了维持较高的溅射速度，中频反应溅射电源的
频率一般为10～80kHz。中频磁控溅射常同时溅
射两个靶，并排配置的两个靶的尺寸与外形完全
相同，通常称为孪生靶如图4所示。在溅射过程
中，两个靶周期性轮流作为阴极和阳极，既抑制了
靶面打火，而且消除普通直流反应溅射是阳极消
失现象，使溅射过程得以稳定进行
[16]
。
图4中频孪生靶磁控溅射示意图
Fig.4MFmagnetronsputteringprocesswithtwin-target
22··
余东海，等：磁控溅射镀膜技术的发展第2期
5脉冲磁控溅射
脉冲磁控溅射是采用矩形波电压的脉冲
电源代替传统直流电源进行磁控溅射沉积。脉冲
磁控溅射技术可以有效的抑制电弧产生进而消
除由此产生的薄膜缺陷，同时可以提高溅射沉积
速率，降低沉积温度等一系列显著优点。
脉冲可分为双向脉冲和单向脉冲（如图5所
示）。双向脉冲在一个周期内存在正电压和负电
压两个阶段，在负电压段，电源工作于靶材的溅
射，正电压段，引入电子中和靶面累积的正电荷，
并使表面清洁，裸露出金属表面。加在靶材上的
脉冲电压与一般磁控溅射相同(400～500V)，脉
冲磁控溅射通常采用方波脉冲波形，在中频段
(20～200kHz)即可有效消除异常弧光放电的发
生，控制靶材放电的时间，保证靶材不中毒、不出
图5（a）单向脉冲（b）双向脉冲
Fig.5(a)unidirecttionalpulse(b)bidirectionalpulse
现电弧放电，然后断开靶电压甚至使得靶材带正
电。因为等离子体中电子运动速度远高于离子速
度，变换的靶材正电压一般只需要负偏压的10%
～20%，即可以防止电弧放电。有研究认为，脉冲
宽度（正负电压时间之比）具有关键作用，脉冲宽
度达到1∶1时具有最佳抑制效果；正电压大小
对是否产生电弧放电没有明显影响，但是极大的
影响沉积速率，正电压从10%提高到20%(与负
电压之比)，沉积速率可以提高50%
[3]
。
双向脉冲更多地用于双靶闭合式非平衡磁
控溅射系统如图6，系统中的两个磁控靶连接在
同一脉冲电源上，与中频孪生靶相似，两个靶交
替充当阴极和阳极，阴极靶在溅射的同时，阳极
靶完成表面清洁，如此周期性地变换磁控靶极
性，就产生了“自清洁”效应。
脉冲磁控溅射的主要参数包括溅射电压、
脉冲频率和占空比。由于等离子体中的电子相
对离子具有更高的能动性，因此正电压值只需
要负电压值的10%～20%，就可以有效中和靶表
面累积的正电荷。脉冲频率通常在中频范围，频
率下限决定于保证靶面累积电荷形成的场强低
于击穿场强的临界值，频率上限的确定主要考
虑到沉积速率，一般在保证稳定放电的前提下，
尽可能取较低的频率。占空比的选择在保证溅
射时靶表面累积的电荷能在正电压阶段被完全
中和的前提下，尽可能提高占空比，以实现电源
的最大效率。
图6双靶双向脉冲磁控溅射示意图
Fig.6Magnetronsputteringwithtwin-targetandbidirectionalpulse
另一个最新发展是在衬底上加脉冲偏压。脉
冲偏压能够大大提高衬底上的离子束流。在磁控
溅射中，直流负偏压一般加到－100V时，衬底离
子束流即达到饱和，提高负偏压不会增加衬底离
子束流，一般认为该饱和电流为离子束流，电子
无法接近衬底表面。使用脉冲偏压则不然，研究
表明，脉冲偏压不仅能够提高衬底饱和电流，而
且随着负偏压的增大，饱和电流增大；当脉冲频
率提高时，该效应更加显著；该机制仍然不很清
楚，可能与振荡电场产生的等离子体的离化率及
电子温度较高这一效应有关。衬底脉冲负偏压为
有效控制衬底电流密度提供了一种新的手段，该
效应可以应用到优化膜层结构、附着力，以及缩
短溅射清洗及衬底加热时间
[11]
。
6磁控溅射靶源改进
磁控溅射靶材利用率低，一直是工业镀膜迫
切需要解决的问题。由于磁场的控制，电子被限
制在靶材表面的一定区域内，靶面被非均匀刻
蚀，一旦烧穿，靶材即报废，使靶材利用率之有
30%～40%左右。虽然通过改善电源设计和调整
工艺能起到一定的做用，但最关键还是靶源的优
化设计。
文献[25]中综述了几种典型磁控溅射靶的设
计。如SOLERAS公司的“分流设计”，它通过在靶
和磁极之间放置一定形状的铁磁体垫片，使得靶
面附近的磁场分布更加均匀，从而提高了靶材的
利用率提高了6%，延长了靶的寿命，并使得溅射
过程更加的稳定。但是这种设计会降低磁通的利
用率和靶面附近的磁场强度，溅射速率会有所下
23··
真空VACUUM第46卷
降。SOLERAS公司还提出了一种“表面增强剥蚀”
技术，它通过事先在靶面上刻蚀一定形状的沟槽
来达到提高靶面剥蚀均匀性和靶材利用率的目
的。PraxairMRC的“REALITY
TM
SputterTarget”技
术，通过优化设计能将靶材的利用率提高30%。
其中“环状增强铝合金靶”是一种圆形靶，它是通
过研究普通靶的剥蚀形貌而设计出来的，实验证
明该靶与普通靶相比在溅射速率、膜层均匀性和
靶材利用率等方面都具有相当的优势。
ORIONSOURCES的“OrionAPMSputterSource”技
术，避免了通常情况下由高靶面电压、高工作压
强和高基片温度所引起的膜层密度降低、结晶度
降低以及很难在塑料基体上镀制等问题；同时拓
展了工作压强和工作电压的范围，提高了膜层的
沉积速率和溅射沉积的均匀性；显著改善了成
膜特性并提高了靶材利用率。Musil提出了一种
“具有全靶剥蚀的矩形磁控靶”结构
[20]
，可以通
过增加相邻磁路之间的距离和增加隔离铁的厚
度来消除相邻放电之间的影响，降低工作电压；
通过增加磁极的数量或磁极之间的距离，降低
工作压强。它能有效地延长靶的寿命，提高靶材
的利用率。
王怡德
[26]
报导的一种磁控溅射靶的设计新
思路，这种靶是垂真安装并双面溅射的长条形矩
形靶，溅射轨道按“背环”方式来布局，称为背环
靶。它采用共用永磁体，外露软磁极靴的磁场布
局，提高了溅射效率；同时采用带翼的凹形靶材；
靶材利用率高；采用间接水冷的方式，并且避免
了国外多采取钎焊工艺给靶制造所带来的困难。
应春
[27]
等介绍了一种新型磁控溅射装置，采用两
块极性相对的环状磁铁的设计方法，通过扩大靶
表面的等离子放电区域面积，使传统磁控溅射溅
射速率和靶材利用率得到了较大改善。实验中铜
靶在溅射功率密度为11W/cm
2
时，溅射速率为
800nm/min，靶的利用率可达到64%左右。
旋转靶结构
[28，29]
的发展大大提高了靶材利
用率。由于旋转靶每一时刻靶面溅射的位置不
同，靶的冷却比较充分，靶面能够承受更大功率
的溅射；同时通过旋转机制提高了靶材的利用
率。S.J.Nadel等
[30]
新技术设计的旋转柱状靶，采
用中频溅射方法，靶材利用率达到90%～100%。
常天海
[31]
提出的高磁场强度的矩形平面磁控溅
射靶的设计，采用裸靶结构，矩形平面直流磁控
溅射靶表面的水平磁场强度B就可以远高于普
通磁控溅射靶的0.05T，达到0.09T；水平磁场
强度的增加显著降低了磁控溅射镀膜工艺的着
火电压和维持放电电压，为实现低电压磁控溅射
提供了新的思路。
7磁控溅射新发展
[11，32~34]
随着工业的需求和表面技术的发展，新型磁
控溅射如高速溅射、自溅射等成为目前磁控溅射
领域新的发展趋势。高速溅射能够得到大约几个
μm/min的高速率沉积，可以缩短溅射镀膜的时
间，提高工业生产的效率；有可能替代目前对环
境有污染的电镀工艺。当溅射率非常高，以至于
在完全没有惰性气体的情况下也能维持放电，即
是仅用离化的被溅射材料的蒸汽来维持放电，这
种磁控溅射被称为自溅射。被溅射材料的离子化
以及减少甚至取消惰性气体，会明显地影响薄膜
形成的机制，加强沉积薄膜过程中合金化和化合
物形成中的化学反应。由此可能制备出新的薄膜
材料，发展新的溅射技术，例如在深孔底部自溅
射沉积薄膜。
高速溅射本质特点是产生大量的溅射粒子，
导致较高的沉积速率。最近实验表明在最大的靶
源密度在高速溅射，靶的溅射和局部蒸发同时发
生，两种过程的结合保证了最大的沉积速率（几
μm/min）并导致薄膜的结构发生变化。与通常的
磁控溅射比较，高速溅射和自溅射的特点在于较
高的靶功率密度W
t
=P
d
/S>50Wcm
-2
，（P
d
为磁
控靶功率，S为靶表面积）。高速溅射有一定的限
制，因此在特殊的环境才能保持高速溅射，如足
够高的靶源密度，靶材足够的产额和溅射气体压
力，并且要获得最大气体的离化率。
最大限制高速沉积薄膜的是溅射靶的冷却。
高速率磁控溅射的一个固有的性质是产生大量
的溅射粒子而获得高的薄膜沉积速率。高的沉积
速率意味着高的粒子流飞向基片，导致沉积过程
中大量粒子的能量被转移到生长薄膜上，引起沉
积温度明显增加。由于溅射离子的能量大约70%
需要从阴极冷却水中带走，薄膜的最大溅射速率
将受到溅射靶冷却的限制。冷却不但靠足够的冷
却水循环，还要求良好的靶材导热率及较薄膜的
靶厚度。同时高速率磁控溅射中典型的靶材利用
率只有20%～30%，因而提高靶材利用率也是有
待于解决的一个问题。
8小结
由二极溅射发展而来的磁控溅射技术由于
其显著的优点成为工业镀膜主要技术之一。非平
衡磁的溅射改善了等离子体区的分布，同时沉积
24··
余东海，等：磁控溅射镀膜技术的发展第2期
过程中的离子轰击作用提高了薄膜的质量；多靶
闭合式非平衡磁控溅射大大提高薄膜的沉积速
率。中频溅射和脉冲溅射的发展有效避免反应溅
射过程中的靶中毒和打弧现象，稳定镀膜过程，
减少薄膜结构缺陷，提高了化合物薄膜的沉积速
率。不断改进的靶源设计，提高镀膜过程稳定性
的同时还提高了靶材的利用率，降低了镀膜成
本。新的高速溅射和自溅射技术为溅射镀膜开辟
了新的应用领域。
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