非平衡磁控濺射的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用
1985 年，Window 和Savvides首先引入了非平衡磁控濺射的概念。不久，多種不同形式的非平衡磁場設(shè)計相繼出現(xiàn)，磁場有邊緣強(qiáng)，也有中部強(qiáng)，導(dǎo)致濺射靶表面磁場的“非平衡”。磁控濺射靶的非平衡磁場不僅有通過改變內(nèi)外磁體的大小和強(qiáng)度的永磁體獲得，也有由兩組電磁線圈產(chǎn)生，或采用電磁線圈與永磁體混合結(jié)構(gòu)，還有在陰極和基體之間增加附加的螺線管，用來改變陰極和基體之間的磁場，并以它來控制沉積過程中離子和原子的比例。
非平衡磁控濺射系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，一種是其芯部磁場強(qiáng)度比外環(huán)高，磁力線沒有閉合，被引向真空室壁，基體表面的等離子體密度低，因此該方式很少被采用。另一種是外環(huán)磁場強(qiáng)度高于芯部磁場強(qiáng)度，磁力線沒有完全形成閉合回路，部分外環(huán)的磁力線延伸到基體表面，使得部分二次電子能夠沿著磁力線逃逸出靶材表面區(qū)域，同時再與中性粒子發(fā)生碰撞電離，等離子體不再被完全限制在靶材表面區(qū)域，而是能夠到達(dá)基體表面，進(jìn)一步增加鍍膜區(qū)域的離子濃度，使襯底離子流密度提高，通�？蛇_(dá)5 mA/cm2 以上。這樣濺射源同時又是轟擊基體表面的離子源，基體離子束流密度與靶材電流密度成正比，靶材電流密度提高，沉積速率提高，同時基體離子束流密度提高，對沉積膜層表面起到一定的轟擊作用。
非平衡磁控濺射離子轟擊在鍍膜前可以起到清洗工件的氧化層和其他雜質(zhì)，活化工件表面的作用，同時在工件表面上形成偽擴(kuò)散層，有助于提高膜層與工件表面之間的結(jié)合力。在鍍膜過程中，載能的帶電粒子轟擊作用可達(dá)到膜層的改性目的。比如，離子轟擊傾向于從膜層上剝離結(jié)合較松散的和凸出部位的粒子，切斷膜層結(jié)晶態(tài)或凝聚態(tài)的優(yōu)勢生長，從而生更致密，結(jié)合力更強(qiáng)，更均勻的膜層，并可以較低的溫度下鍍出性能優(yōu)良的鍍層。
非平衡磁控濺射技術(shù)的運(yùn)用，使平衡磁控濺射遇到的沉積致密、成分復(fù)雜薄膜的問題得以解決，然而單獨(dú)的非平衡磁控靶在復(fù)雜基體上較難沉積出均勻的薄膜，而且在電子飛向基體的過程中，隨著磁場強(qiáng)度的減弱，一部分電子吸附到真空室壁上，導(dǎo)致電子和離子的濃度下降。對此研究人員開發(fā)出多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)，以彌補(bǔ)單靶非平衡磁控濺射的不足。多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)根據(jù)磁場的分布方式可以分為相鄰磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射，如圖2 所示（a）為雙靶閉合磁場，（b）為雙靶鏡像磁場。
圖2 （a）閉合磁場磁控濺射（b）鏡像磁場磁控濺射
比較閉合磁場非平衡靶對和鏡像靶對的磁場分布情況，可以看出在靶材表面附近磁場差別不大，內(nèi)外磁極之間橫向磁場對電子的約束形成一個電離度很高的等離子體陰極區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的正離子對靶面的強(qiáng)烈濺射刻蝕，濺射出大量靶材粒子飛向基體表面。在內(nèi)部和外環(huán)磁極的位置，特別是較強(qiáng)的外環(huán)磁極處，以縱向磁場為主，成為二次電子逃離靶面的主要通道，進(jìn)而成為向鍍膜區(qū)域輸送帶電粒子的主要通道。再比較閉合磁場和鏡像磁場在鍍膜區(qū)域內(nèi)磁場分布，差別就大了，對于鏡像靶對，由于兩個靶磁場的相互排斥，縱向磁場都被迫向鍍膜區(qū)外（真空室壁）彎曲，電子被引導(dǎo)到真空室壁上流失，總體上降低了電子進(jìn)而離子的數(shù)量。由于鏡像磁場方式不能有效地束縛電子，因而等離子體的濺射效率未有得到提高。而閉合磁場非平衡靶對在鍍膜區(qū)域的縱向磁場是閉合的。只要磁場強(qiáng)度足夠，電子就只能在鍍膜區(qū)域和兩個靶之間運(yùn)動，避免了電子的損失，從而增加了鍍膜區(qū)域的離子濃度，大幅度提高了濺射效率。
Teer比較了平衡磁控濺射靶，鏡像非平衡磁控靶和閉合非平衡磁控靶三種模式工件上偏壓電流的伏安特性，結(jié)果表明了閉合非平衡磁控靶和鏡像非平衡磁控靶的工件偏壓電流依次比平衡磁控濺射靶工件偏壓電流提高了近2 和6倍。Sproul比較了鏡像結(jié)構(gòu)與閉合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在中位線位置的磁場強(qiáng)度和基體自偏壓電流，鏡像結(jié)構(gòu)在中位線位置的磁場強(qiáng)度幾乎都為零，基體自偏壓電流最高為1.3 A，而閉合結(jié)構(gòu)中位線位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度可高達(dá)20×10-4T，對應(yīng)基體自偏壓電流5.9 A。多靶閉合磁場非平衡磁控濺射系統(tǒng)可以獲得高的沉積速率和較高質(zhì)量的薄膜，因此實(shí)際應(yīng)用中較多采用的是閉合磁場非平衡磁控濺射系統(tǒng)。
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