磁控溅射包括很多种类.各有不同工作原理和应用对象.但有一共同点:利用磁场与电场交互作用,使电子在靶表面附近成螺旋状运行,从而增大电子撞击氩气产生离子的概率.所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材.
靶源分平衡和非平衡式,平衡式靶源镀膜均匀,非平衡式靶源镀膜膜层和基体结合力强.平衡靶源多用于半导体光学膜,非平衡多用于磨损装饰膜.
磁控阴极按照磁场位形分布不同,大致可分为平衡态和非平衡磁控阴极.平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等,两极磁力线闭合于靶面,很好地将电子/等离子体约束在靶面附近,增加碰撞几率,提高了离化效率,因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电,靶材利用率相对较高,但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面,基片区域所受离子轰击较小.非平衡磁控溅射技术概念,即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极,两极磁力线在靶面不完全闭合,部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域,从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片,增加基片区域的等离子体密度和气体电离率.
不管平衡非平衡,若磁铁静止,其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%.为增大靶材利用率,可采用旋转磁场.但旋转磁场需要旋转机构,同时溅射速率要减小.
旋转磁场多用于大型或贵重靶.如半导体膜溅射.对于小型设备和一般工业设备,多用磁场静止靶源.用磁控靶源溅射金属和合金很容易,点火和溅射很方便.这是因为靶(阴极),等离子体,和被溅零件/真空腔体可形成回路.但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了.于是人们采用高频电源,回路中加入很强的电容.这样在绝缘回路中靶材成了一个电容.但高频磁控溅射电源昂贵,溅射速率很小,同时接地技术很复杂,因而难大规模采用.为解决此问题,发明了磁控反应溅射.就是用金属靶,加入氩气和反应气体如氮气或氧气.当金属靶材撞向零件时由于能量转化,与反应气体化合生成氮化物或氧化物.
磁控反应溅射绝缘体看似容易,而实际操作困难.主要问题是反应不光发生在零件表面,也发生在阳极,真空腔体表面,以及靶源表面.从而引起灭火,靶源和工件表面起弧等.孪生靶源技术,很好的解决了这个问题,其原理是一对靶源互相为阴阳极,从而消除阳极表面氧化或氮化.
冷却是一切源(磁控,多弧,离子)所必需,因为能量很大一部分转为热量,若无冷却或冷却不足,这种热量将使靶源温度达一千度以上从而溶化整个靶源.