磁控溅射

    以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极，在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与气体粒子反应生成化合物薄膜，这就是反应磁控溅射。反应磁控溅射广泛应用于化合物薄膜的大批量生产，这是因为：

(1)反应磁控溅射所用的靶材料 ( 单元素靶或多元素靶 ) 和反应气体 ( 氧、氮、碳氢化合物等 ) 纯度很高，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

(2)通过调节反应磁控溅射中的工艺参数 , 可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性。

(3) 反应磁控溅射沉积过程中基板升温较小，而且制膜过程中通常也不要求对基板进行高温加热，因此对基板材料的限制较少。

(4) 反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。

但是，直流反应溅射的反应气体会在靶表面非侵蚀区形成绝缘介质层，造成电荷积累放电，导致沉积速率降低和不稳定，进而影响薄膜的均匀性及重复性，甚至损坏靶和基片。为了解决这一问题，近年来发展了一系列稳定等离子体以控制沉积速率，提高薄膜均匀性和重复性的辅助技术。

(1) 采用双靶中频电源解决反应磁控溅射过程中因阳极被绝缘介质膜覆盖而造成的等离子体不稳定现象，同时还解决了电荷积累放电的问题。

(2) 利用等离子发射谱监测等离子体中的金属粒子含量，调节反应气体流量使等离子体放电电压稳定，从而使沉积速率稳定。

(3) 使用圆柱形旋转靶减小绝缘介质膜的覆盖面积。

(4) 降低输入功率，并使用能够在放电时自动切断输出功率的智能电源抑制电弧。

(5) 反应过程与沉积过程分室进行，既能有效提高薄膜沉积速率，又能使反应气体与薄膜表面充分反应生成化合物薄膜。

和直流溅射相比交流磁控溅射采 用交流电源代替直流电源，解决了靶面的异常放电现象。交流溅射时，靶对真空室壁不是 恒定的负电压 , 而是周期一定的交流脉冲电压。设脉冲电压的周期为 T， 在负脉冲 T —△ T 时间间隔内，靶面处于放电状态，这一阶段和直流磁控溅射相似；靶面上的绝缘层不断积累正电荷，绝缘层上的场强逐步增大；当场强增大至一定限度后靶电位骤降为零甚至反向，即靶电位处于正脉冲△ T 阶段。在△ T 时间内，放电等离子体中的负电荷─电子向靶面迁移并中和了绝缘层表面所带的正电荷，使绝缘层内场强恢复为零，从而消除了靶面异常放电的可能性。

在靶面平均功率一定的前提下，负脉冲期间可以给靶施加更大的脉冲功率，因此交流溅射还可以在不改变靶的冷却条件下增强基片附近的等离子体密度。交流溅射 ( 脉冲溅射 ) 的电压波形可以是对称的，也可以是不对称的。通常将输出电压波形为不对称的矩形波的交流溅射方式称为脉冲溅射 ( 常用于单靶溅射 ) ；而将输出波形为对称方波或正弦波的溅射方式称为交流溅射 ( 常用于对靶溅射 ) 。当交流溅射技术用于对靶溅射时，一个周期中每块靶轮流充当阴极和阳极，形成良好的“自清洁”效应。在沉积多元合金或化合物薄膜时，还可以通过调节交变脉冲电压的占空比来改变薄膜的组分。

Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控溅射的概念，并给出了非平衡磁控溅射平面靶的原理性设计。对于一个磁控溅射靶，其外环磁场强度与中部磁极的磁场强度相等或接近，称为“平衡磁控溅射靶”；如果某一磁极的磁场相对于另一极性相反的部分增强或减弱，就形成了“非平衡磁控溅射靶”。

非平衡磁控溅射法通过附加磁场，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200mm到300mm的范围内，使基片沉浸在等离子体中。这样一方面溅射出来的粒子沉积在基片表面形成薄膜，另一方面等离子体轰击基片，起到离子辅助的作用，极大的改善了膜层质量。非平衡磁控溅射除了具有较高的溅射速率外，能够向镀膜区输出更多的离子，离子浓度正比于溅射靶的放电电流。该技术被广泛应用于制备各种硬质薄膜。