磁控技术应用领域研究论文

1985 年，Window 和Savvides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，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。

非平衡磁控溅射系统有两种结构，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，使衬底离子流密度提高，通常可达5 mA/cm2 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。

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

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。

Teer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 A，而闭合结构中位线位置的磁感应强度可高达20×10-4T，对应基体自偏压电流 A。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。

百度上的磁控靶图片

出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用（exbdrift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。在exbshift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。所不同的是电场方向，电压电流大小而已。磁控溅射的基本原理是利用ar一02混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下，被加速的高能粒子轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。

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磁控溅射技术的应用有，主要用于在经予处理的塑料、陶瓷等制品表面蒸镀金属薄膜（镀铝、铬、锡、不锈钢等金属）、七彩膜仿金膜等,从而获得光亮、美观、价廉的塑料,陶瓷表面金属化制品。广泛应用于工艺美术、装璜装饰、灯具、家具、玩具、酒瓶盖、女式鞋后跟等领域,JTPZ多功能镀膜技术及设备（加有射频等离子体聚合的蒸发镀膜机），针对汽车、摩托车灯具而设计的，在一个真空室内完成蒸发镀铝和射频等离子体镀保护膜，这种镀膜后灯具具有“三防”功能。射频等离子体聚合膜还应用于光学产品、磁记录介质、军事国防保护膜；防潮增透膜；防锈抗腐蚀；耐磨增硬膜。   用户选择在灯具基体上喷底漆、镀铝膜、镀保护膜或灯具基体在真空室进行前处理（不喷底漆）、镀铝膜、镀保护膜工艺。在ABS,PC,PBT,PE,PP,PA66等塑料基体上直接镀膜，不需喷底漆，也不需喷面漆(不需要投资喷涂设备），在镀完铝膜后直接镀一层保护膜。滴1%NaOH溶液10分钟铝层不腐蚀，去离子水中浸饱96小时铝层不脱落。磁控溅射镀膜设备及技术介绍a旋转磁控溅射镀膜机；旋转磁控溅射镀膜技术，是国内外最先进的磁控溅射镀膜技术，靶材利用率达到70～80%以上，基体镀膜均匀，色泽一致。 b平面磁控溅射镀膜机； c中频磁控溅射镀膜机；  d射频磁控溅射镀膜机。可以在金属或非金属（塑料、玻璃、陶瓷）的工件镀金属铝、铜、钛金、锆、银、不锈钢、镍、钼、硅、钛铝及金属反应物（氧化物、氮化物、炭化物）、半导体金属及反应物。所镀膜层均匀、致密、附着力好等特点。多弧离子镀膜设备及技术该技术在各种金属和非金属表面上，如不锈钢、铝合金、铜、铁以及陶瓷、玻璃等涂镀各种金属、非金属及其化合物的膜层和复合膜层，如Ti、Zr、TiN、TiC、TiO2、ZrN、ZrC|、ZrO等，产生耐磨、耐蚀、耐用的各种颜色装饰效果：如金色系列、彩色系列、黑色系列等等可广泛用于建筑、家具、机械工模具等行业。等离子扩渗镀膜设备及技术离子渗氮：可以在辉光放电条件下，将N、C等元素渗入到零件和模具内部、明显提高表面硬度、抗疲劳等性能和耐腐蚀性，相对于总体渗氮处理时间短、湿度低、变形小、表面性能可控，可用于各种钢铁及钛合金结构件，各种模具和各种不锈钢制品。等离子体化学气相沉积设备与技术(离子渗氮，氮碳共渗)等离子体化学气相沉积（PCVD）是一种新型的脉冲直流等离子体辅助沉积硬质镀膜新技术。在一定压力、温度的真空炉内，加入适当比例的不同工作气体，在脉冲电压的作用下，通过辉光放电产生均匀等离子体。在不同工艺条件下，可在被处理工件表面形成各种硬质膜如TiN、TiC、TiCN、(Ti、Si)N、(Ti、Si)CN及多层复合膜等，显微硬度高达HV2000--2500。与CVD和PVD相比，PCVD技术可实现离子渗氮、渗碳和镀膜在同一炉内依次进行，高效率地实现渗透复合工艺。该设备适用于要求提高表面耐磨损、耐腐蚀、抗高温氧化、抗疲劳的零部件和工模具。被处理材料主要包括：高速钢、冷热钢、冷热模具钢、结构钢、不锈钢、钛合金、硬质合金等