摘要： 本文深入探讨了平衡磁控溅射与非平衡磁控溅射技术。详细阐述了平衡磁控溅射的工作原理，包括磁场与电场设置、气体电离及溅射过程，同时分析了其在气体离化率、溅射效率和沉积速率方面的优势，以及等离子体区域受限、膜基结合强度差等不足。非平衡磁控溅射技术部分克服了平衡磁控溅射的缺点，通过特殊的磁场结构将等离子体引至溅射靶前较远距离，改善膜层质量，且具有离子清洗、活化工件表面及膜层改性等功能。此外，针对单靶非平衡磁控溅射的局限性，介绍了多靶非平衡磁控溅射系统及其磁场分布特点，对比了闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对在磁场分布、等离子体行为及溅射效率等方面的差异，为相关领域的研究与应用提供了全面而深入的理论依据。
一、引言
磁控溅射技术作为一种重要的薄膜制备方法，在材料表面工程领域有着广泛的应用。其中，平衡磁控溅射是传统的磁控溅射技术形式，而非平衡磁控溅射则是在其基础上发展而来的改进技术。深入理解这两种技术的原理、特性及其差异，对于优化薄膜制备工艺、拓展磁控溅射技术的应用范围具有至关重要的意义。
二、平衡磁控溅射技术原理及特性
（一）工作原理
平衡磁控溅射在阴极靶材背后设置永磁体或电磁线圈，其芯部与外环磁场强度相等或相近，从而在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。在沉积室中充入一定量的工作气体（通常为 Ar），在高压作用下，Ar 原子发生电离，产生 Ar + 离子和电子，形成辉光放电现象。Ar + 离子在电场加速下轰击靶材，导致靶材原子、离子和二次电子等被溅射出。
（二）优势
提高气体离化率：电子在相互垂直的电磁场作用下，以摆线方式运动并被束缚在靶材表面。这一过程显著延长了电子在等离子体中的运动轨迹，增加了其参与气体分子碰撞和电离的机会，从而电离出更多的离子，使得在较低的气体压力下仍可维持放电。这种特性既降低了溅射过程中的气体压力要求，又提高了气体的离化率，进而提升了溅射的效率和沉积速率。
（三）不足之处
等离子体区域受限：由于磁场的约束作用，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限制在靶面附近，等离子体区主要集中在靶面大约 60 mm 的区域。随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低。因此，在实际应用中，工件需安放在磁控靶表面 50 - 100 mm 的范围内以增强离子轰击效果。如此短的有效镀膜区极大地限制了待镀工件的几何尺寸，不适用于较大工件或较大装炉量的情况，严重制约了磁控溅射技术在大型工件处理方面的应用。
膜基结合强度差：在平衡磁控溅射过程中，飞出的靶材粒子能量相对较低。低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，容易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜，导致膜基结合强度较差。虽然提高被镀工件的温度能够在一定程度上改善膜层的结构和性能，但在许多情况下，工件材料本身无法承受所需的高温，这一方法的应用受到很大限制。
三、非平衡磁控溅射技术原理及特性
（一）工作原理
非平衡磁控溅射通过特殊的磁场设计，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前 200 - 300 mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中。在此过程中，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，同时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。非平衡磁控溅射系统存在两种结构：一种是芯部磁场强度比外环高，此时磁力线没有闭合，被引向真空室壁，导致基体表面的等离子体密度低，这种结构在实际应用中较少采用；另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，其磁力线未完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面。这种结构使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，并与中性粒子发生碰撞电离，从而使等离子体不再完全局限于靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加了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。在这种情况下，溅射源同时充当轰击基体表面的离子源，并且基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度的提高不仅能够增加沉积速率，还能增强基体离子束流密度，进而对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。
（二）优势
改善膜层质量：通过将等离子体引至基体附近，非平衡磁控溅射为薄膜沉积提供了更有利的条件。一方面，溅射原子和粒子在基体表面沉积形成薄膜；另一方面，等离子体对基体的轰击作用有助于改善膜层的结构和性能，使膜层更加致密、结合力更强且均匀性更好。
离子轰击作用：在镀膜前，非平衡磁控溅射的离子轰击能够有效清洗工件表面的氧化层和其他杂质，同时活化工件表面，在工件表面形成伪扩散层，这对于提高膜层与工件表面之间的结合力具有重要意义。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可实现膜层的改性目的。例如，离子轰击能够去除膜层上结合较松散和凸出部位的粒子，破坏膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生成质量更高的膜层，并且能够在相对较低的温度下制备出性能优良的镀层，克服了平衡磁控溅射因膜基结合强度差而对工件温度要求较高的局限性。
四、多靶非平衡磁控溅射系统
（一）技术背景
虽然非平衡磁控溅射技术在一定程度上解决了平衡磁控溅射面临的问题，但单独的非平衡磁控靶在复杂基体上沉积均匀薄膜时仍存在困难。在电子飞向基体的过程中，随着磁场强度的减弱，一部分电子会吸附到真空室壁上，导致电子和离子的浓度下降，从而影响溅射效率和膜层质量。
（二）系统分类及特点
为弥补单靶非平衡磁控溅射的不足，研究人员开发出多靶非平衡磁控溅射系统。该系统根据磁场的分布方式可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。
磁场分布差异：在靶材表面附近，闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对的磁场差别不大。在内外磁极之间，横向磁场对电子的约束形成了一个电离度很高的等离子体阴极区，在此区域内，正离子对靶面进行强烈的溅射刻蚀，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。然而，在镀膜区域内，两者的磁场分布存在显著差异。对于镜像靶对，由于两个靶磁场的相互排斥，纵向磁场被迫向镀膜区外（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，使得等离子体的溅射效率未能得到提高。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，有效避免了电子的损失，从而显著增加了镀膜区域的离子浓度，大幅度提高了溅射效率。
五、结论
平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射技术各有其独特的原理、优势和局限性。平衡磁控溅射在提高气体离化率方面具有显著优势，但存在等离子体区域受限和膜基结合强度差等问题。非平衡磁控溅射通过特殊的磁场结构将等离子体引至基体附近，有效改善了膜层质量，并借助离子轰击作用提高了膜基结合力，但单靶非平衡磁控溅射在复杂基体上存在沉积均匀性问题。多靶非平衡磁控溅射系统中的闭合磁场非平衡靶对和镜像靶对在磁场分布和溅射效率等方面表现出明显差异，闭合磁场非平衡靶对在提高溅射效率方面更具优势。在实际应用中，应根据具体的薄膜制备需求、工件形状和尺寸等因素，合理选择磁控溅射技术及系统，以实现高质量薄膜的高效制备，推动磁控溅射技术在材料表面工程等领域的进一步发展。
需要第一时间收到我们的文章，请您把我们的公众号设置为星标或多点在看！
更多内容请点击：
扫描二维码关注我们
