1.引言

磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种”高速低温溅射技术”。磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场, 主要应用在化学气相沉积 （CVD）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长困难及不适应的材料薄膜沉积。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，避免高能电子对极板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起的损伤，体现出磁控溅射中极板”低温”的特点。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了电离率，实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场，一般采用永久磁铁实现。磁控溅射技术也广泛用于工艺品装饰性镀层的生产中，三柱靶磁控溅射镀膜技术可以用于钟表的硬质装饰膜，TiN掺金镀装饰膜具有备耐磨、耐腐蚀、附着力强、表面光亮、色彩金黄、纯正等特性[5-6]。

2.磁控溅射技术的研究进展

薄膜技术不仅可改变工件表面性能，提高工件的耐磨损、抗氧化、耐腐蚀等性能，延长工件使用寿命，还能满足特殊使用条件和功能对新材料的要求。磁控溅射技术具有溅射率高、基片温升低、膜基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点，因此，被认为是镀膜技术中最具发展前景的一项新技术，同时也成为镀膜工业应用领域（特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合）的首选方案[1-8]。

2.1平衡磁控溅射

平衡磁控溅射镀膜即传统的磁控溅射镀膜技术，原理与上述相同，即在阴极靶材后面放上芯部与外部环形磁场相等或者相近的永磁体，从而形成与电场正交的磁场，使电子在电场力和洛伦兹磁力的共同作用下沿摆线运动，增加了气体分子的电离率，从而可降低沉积室的气压，提高溅射效率和沉积速率。但这种传统的磁控溅射技术同时存在着一个很大的缺点，即辉光放电过程中产生的电子和气体电离过程中产生的二次原子，会在磁场的作用下被束缚在靶材附近一个很小的区域内，且随着距离的增加电子的浓度降低，因此，待镀的基片就只能放置在一个很小的区域内，从而限制了基片的尺寸；同时此过程中被轰击而脱离原晶格的靶材原子因经过多次的能量传递，其速度明显降低，从而造成了镀层与基片的粘附性不够高的缺点。

2.2非平衡磁控溅射

Windown等人在1985年首先引人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，其外环磁极的磁场强度与中部磁极的磁场强度相等或相近，则称为”平衡”磁控溅射靶。一旦某一磁极的磁场相对于另一极性相反的部分增强或者减弱，就导致了溅射靶磁场的”非平衡”。在常规溅射靶基础上改变磁场分布，适当增强边缘极磁场或削弱中部极磁场，保证极在靶表面构成的横向平行靶面磁场，仍能有效地约束溅射出的二次电子，在维持稳定的磁控溅射放电同时，使得另一部分电子沿着较强极产生的纵向垂直靶面磁场逃逸出靶表面，飞向镀膜区域。基于静电平衡原理，带电正离子也将随着电子一起飞向被镀工件，飞离靶面的电子还会与中性粒子发生碰撞电离，进一步增加镀膜区域的离子浓度。总之，通过调整溅射靶表面的磁场分布，可以显著地提高镀膜区域等离子体浓度。

2.3中频磁控溅射

在中频反应溅射中，当靶上所加的电压处于负半周时，靶面被正离子溅射；而在正半周时，等离子体中的电子被加速到靶面，中和了靶面上积累的正电荷，从而抑制了打火。但在确定的工作场强下，频率越高，等离子体中正离子被加速的时间越短，正电场从外电场吸收的能量越少，轰击靶的正离子能量越低，靶的溅射速率也降低。由于溅射电压的频率范围处于10~80KHz范围，因此又叫中频溅射，中频溅射常用于溅射两个靶，通常为并排的两个靶，尺寸和外形全部相同，因此这两个靶常称为孪生靶。孪生靶在溅射室中悬浮安装，在溅射过程中，两个靶周期性轮流作为阴极与阳极，既抑制了打火，而且由于消除了普通直流反应磁控溅射中的阳极消失现象，从而使溅射过程得以稳定进行