溅射镀膜是物理气相沉积(PV D )的重要方法之一，它是在真空室中利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击出的靶材粒子沉积在基片上的成膜技术，包括二极溅射［1］、三极(或四极溅射)［2，3］、磁控溅射［4，5］、对向靶溅射［6］等。磁控溅射具有基片温升低和成膜快两大特点，因而在机械、电子、能源、信息等领域得到广泛应用。
1、 磁控溅射的基本工作原理
磁控溅射是在二极溅射的基础上以增加磁场来改变电子的运动方向，束缚和延长电子运动轨迹，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量。因此，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击引起的靶材溅射更为有效。受正交电磁场束缚的电子，只能在能量将要耗尽时才能沉积在基片上，使磁控溅射具有高速、低温两大特点。
电子在电场E作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV )时，则可电离出A r＋和另一个电子，电子飞向基片，A r＋在电场E作用下加速飞向阴极(溅射靶)，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜；二次电子e1在加速飞向基片时受磁场B的洛仑兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区中电离出大量的A r＋离子用来轰击靶材，从而具有磁控溅射沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低并远离靶面。低能电子e1将按图1所示那样沿着磁力线来回振荡，待电子能量将耗尽时，在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子能量很低，传给基片的能量很小，致使基片的温升较低。在磁极轴线处，由于电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片。但在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很低，所以e2类电子很少，对基片温升作用不大。
2、 磁控溅射靶源的设计制作
磁控溅射镀膜机最重要的部件是阴极靶，为整机的“心脏”。对它的设计一方面要考虑靶面的磁场分布和靶材的利用率；另一方面要考虑导电、导热、冷却、密封和绝缘。我们设计和制作的靶如图2所示，靶垫起导电导热作用，使整个靶面能均匀冷却，防止高能离子击穿靶进而轰击冷却水套引起漏水事故，特别是贵金属薄靶。铝靶和靶垫的直径为118mm，厚度为5mm；磁铁由环状铁氧体永久磁铁和位于中心的圆柱体铁芯构成，它决定着靶面磁场的分布和溅射环的宽窄(靶材的利用率)。
环形磁铁的内外径分别为78mm，118mm；圆柱铁芯直径为28mm，二者的高均为55mm ；铜制环状冷却水套的壁厚为5mm，过直径对称地焊接两个外径12mm，壁厚3mm的铜管分别作为进出水管。组装时，使水套、环状磁铁及铁芯紧密配合，并使上表面在同一平面内，以便达到最佳冷却效果；轭铁由直径118mm，厚10mm的铁板构成，下部的磁场短路，以增强靶表面磁场强度及均匀性。
3、 溅射工艺研究
3.1 靶面水平磁场的分布
靶面水平磁场的分布是构成圆形平面磁控溅射靶源的关键，一般要求最大水平磁场为200～400Gs，最佳值为300Gs。我们用CT—5型直流高斯计测量了靶面水平磁场的分布，其结果如图3所示，磁场强度310Gs，为最佳值。靶电压、靶电流随氩气压的变化关系如图4，图5所示。
3.2 氩气压强对放电电压及靶电流的影响
调整靶基距离为50mm，将真空室(直径450mm，高500mm)抽至2.6×10-3Pa，充氩气(纯度99.98% )到2.6×10-1Pa，加靶压到-500 V (靶流220mA )后增加氩压强(用自动压强控制仪测量氩气压)，测得靶电压、靶电流随氩气压的变化关系分别如图4，图5所示。
由图可以看出，随氩气压强的增加，靶电压减小，靶电流增加。这是由于氩气增加，气体放电等离子体的密度增加，正负离子增加，等效电阻减小，故靶电压减小，靶电流增加。
3.3 不同氩气压下的放电电流与电压关系
调整靶基距离为50mm，清洗烘干玻璃基片并放在基体架上(铝制)，真空室抽至2.6×10-3Pa后，充氩气分别为0.2，0.6，1.0Pa，测得放电流随阴极靶电压的变化曲线如图6所示。
对一定气压，放电电流随靶电压的增加而增加；对一定的靶电压，气压越高，放电电流越大；对一定的放电电流，气压越高，靶电压越低。
参考文献：
[1]陈宝清．离子镀膜及溅射技术［M ］．北京：国防工业出版社，1990．
[2]张建民．直流三极偏压溅射沉积碳化钛膜［J］．真空，1994，(1)：29～31．
[3]张建民．氮分压对三极反应溅射氮化钛膜的影响［J］．陕西师范大学学报(自然科学版)，1995，23(2)：121～122．
[4]田民波，刘德令．薄膜科学与技术手册［S］．北京：机械工业出版社，1991．
[5]Thorm ton J A .M agnetron sputtering:basic physics and application to cylindrical m agnetrons［J］.J V ac Sci Technol,1978,15(2):171～177．
[6]W indow B.Recent advances in sputter deposition［J］.Surface and C oatingTechnology,1995,71:93～97．
作者简介：张建民，男，37岁，讲师
作者单位：张建民 陕西师范大学物理学系，陕西 西安 710062；
王 立 梁昌慧 咸阳师范专科学校物理学系，陕西 咸阳 712000
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