等离子体束溅射镀膜------一种新颖的镀膜技术
作者：方立武
摘要：摘要：摘要：摘要：在真空镀膜领域内，磁控溅射镀膜有着广泛的应用。但是，磁控溅射镀膜存在一些不
能克服的缺点，如靶面的中毒、不能或很困难沉积铁磁性材料等。这很大程度上限制了磁控
溅射技术的应用。1998年，英国的一个小组开发了一种独具特色的真空镀膜技术-----等离子
体束溅射镀膜。它巧妙组合了溅射镀膜和等离子体发生和控制技术的特点，有效的解决了磁
控溅射镀膜的缺点。由于具有非常鲜明的技术和应用特色，有可能成为下一代的镀膜技术。
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磁控溅射技术在真空镀膜行业内有着广泛的应用，但是这种技术本身存在一些不能克服
的缺点：
1、刻蚀跑道，由此造成低靶材利用率、溅射过程漂移；
刻蚀跑道:
溅射过的铜靶溅射过的铜靶
刻蚀率极低区刻蚀率极低区
高刻蚀区高刻蚀区
(材料利用率低材料利用率低)
高刻蚀区高刻蚀区
降低靶寿命
2、中毒：靶面非均匀刻蚀导致中毒，中毒区域溅射不可避免导致成膜掺杂，反应溅射采用
脉冲溅射(产生微弧)；
3、对磁性靶材沉积困难：靶材中的磁场短路导致，只能用非常薄的靶(非常低的靶寿命)，
随着靶的被刻蚀，溅射速率及成膜性质产生越来越大的漂移（特别对反应溅射）；
以上问题一直困扰着广大用户。有什么办法可以克服这些缺点呢？
办法终于在1998年被找到了，这就是等离子体束溅射镀膜。英国的一个小组开发了一
种独具特色的真空镀膜技术-----等离子体束溅射镀膜。它巧妙组合了溅射镀膜和等离子体发
生和控制技术，有效的解决了磁控溅射镀膜的这些缺点。由于具有非常鲜明的技术和应用特
色，有可能成为下一代的镀膜技术。
等离子体束溅射镀膜是怎样工作的呢？又有什么样的技术特点呢？
等离子体束溅射镀膜机组成和工作原理：
等离子体束溅射是一种崭新又古典的组合。它实际上是由利用射频功率产生的等离子体
（ICP）源、等离子体聚束线圈、偏压电源等组成的一个溅射镀膜系统。系统的原理示意图
如下。
轻重毒区
无中毒区
重中毒区
真空室的侧面安装射频等离子体源。等离子体源的出口处有一个电磁线圈。溅射靶下面也配
置有一个电磁线圈。当两个线圈同向通过电流时，线圈合成的磁场将引导从等离体源出来的
电子沿磁场方向运动，从而使等离子体束被约束在磁场方向上。靶带的负偏压使溅射离子加
速撞击靶表面，产生溅射作用。
技术特点：
下面给出了靶电流与偏压曲线图和溅射速率与靶偏压曲线图
靶电流与偏压的关系（图1）
溅射速率与靶偏压的关系（图2）
等离子体束溅射镀膜具有以下特点：
1．克服了磁控溅射的所有缺点。
磁控溅射靶两个不能克服的缺点，即靶面的中毒和不能或很困难沉积铁磁性材料。由于
溅射等离子体束均匀刻蚀靶面，不产生靶面氧化。以下是磁控溅射和等离子体束溅射靶面刻
蚀的对照图（图3）。
磁控溅射由于背面磁铁而产生溅射跑道，非磁场约束区很容易产生氧化。
可以进行磁性材料镀膜。由于不用磁铁作为等离子体约束，等离子体束溅射可以使用很厚的
靶材，上图实验金属钴的厚度为6mm。对于铁、镍、铬以及铁磁性化合物，都具有很高的
溅射速率。
2．可以做多种材料共溅射
系统示意图2可以看出，调节靶偏压可以调节溅射速率。当使用多块靶时，如果靶之间相互
绝缘，每个靶施加不同的偏压，就可以做到多成分共溅射。也就是说可以通过调节溅射靶的
偏压很容易地实现镀制薄膜的成分控制。图4为系统共溅射示意及靶组成。
3．灵活方便的系统调节方式
这种镀膜机有非常灵活的控制方式。图1，图2可以看出，溅射速率可以通过两种途径
进行调节-----调节靶材偏压和改变等离子体源的射频功率。另外，控制系统的真空度也是一
种调节溅射速率的方法。
4．基片清洗
当把电磁线圈的极性反接时，等离子体束轰击基片，从而对基片产生清洗作用。这实际上可
以使得镀膜机省略常规镀膜机的清洗用离子源。图5
等离子体束溅射镀膜机的适用性
1．膜厚均匀性
4英寸基片和4英寸靶组合情况下的膜厚均匀性可以达到+/-0.25%。
2．结合力强
等离子体的清洗和镀膜过程中二次电子的轰击作用实质上起到对基片的表面改姓，从而
提高膜与基片的结合力。例如，在PET基片上沉积金膜，可以不用过渡层，也可以得
到很高结合力的薄膜。（图6）
3．薄膜应力的控制
通过镀膜工艺参数的控制，可以使薄膜具有压应力，零应力和拉应力。如图7所示。
PET基片上的金膜，没有中间层图6应力控制膜图7
下面给出了等离子体束溅射镀膜机实际运行结果列表，供广大读者参考。
表1反应溅射沉积介质薄膜
膜材沉积速率薄膜性能说明
氧化铝AluminiumOxide>250nm/minRI=1.66低应力〈100Mp，膜
厚至20um，绝缘强度
7MV/cm
氮化铝AluminiumNitride>75nm/min高绝缘强度
氧化铌NiobiumPentoxide<0.5---->150nm/minRI=2.32非常宽的沉积速率范
围，折射系数与成膜
速率无关，零吸
收>400um
氧化硅SiliconDioxide>200nm/minRI=1.47
氮化硅SiliconNitride>100nm/minRI=2.03
氮氧化SiliconOxyNitride>60nm/minRI=1.47–2.03速率和RI可控
氧化钽TantalumPentoxide<1.5---->220nm/minRI=2.12非常宽的沉积速率范
围，低应力，折射系
数与成膜速率无关，
零吸收
氧化钛TitaniumDioxide>100nm/minRI=2.53
氧化铪HafniumDioxide>200nm/min/KWRI=2.0651%均匀性
玻璃，硅片，Kapton
检测滤光片SixOyNz/SiANBRMS=0.34，14层光
堆（AFM）
表2。铁磁薄膜
膜材沉积速率薄膜性能说明
金属铬Chromium<0.1--->100nm/min晶粒尺寸10nm可以控制晶粒大小
氮化铬ChromiumNitride225nm/min
金属钴Cobalt>100nm/min
铁Iron>100nm/min4пMs20.94KG，
Ms90.2
氧化铁IronOxide>125nm/min晶粒尺寸3.6nmRa0.5nm
氮化铁IronNitride>150nm/min4пMs20KG，
Hc<0.5e
氧化钽TantalumPentoxide<1.5--->220nm/minRI=2.12非常宽的沉积速率范
围，低应力，折射系
数与成膜速率无关，
零吸收
氮氧化铁IronOxyNitride
镍Nickel>100nm/min4пMs5.71KG，
Ms33.3
镍铬合金（80/20）>100nm/minΡ=1.68x10
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等离子体束溅射镀膜可以应用于大规模生产，下面以卷绕镀膜机为例，简单从原理上阐
述一下，细节不再赘述，敬请供广大读者谅解。
卷绕镀膜机原理图
多靶连续镀膜机（InlineSystem）
HiTUSSystem
IndependenceofIonCurrentandTargetVoltage
0
200
400
600
800
1000
1200
10100100010000
TargetVoltage(V)
Ion
C
ur
re
nt
(m
A)1.0kWRF
1.5kWRF
2.0kWRF
2.5kWRF
3.0kWRF
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