辉光等离子体溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下,靶材原子从靶材溅射出来,然后在衬底上凝聚形成薄膜;在此过程中靶材表面同时发射二次电子,这些电子在保持等离子体稳定存在方面具有关键作用。溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段,起初,只是简单的二极、三极放电溅射沉积;经过30多年的发展,磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐蚀、装饰以及光学、电学等功能性薄膜的一种不可替代的方法。脉冲磁控溅射技术是该领域的另一项重大进展。利用直流反应溅射沉积致密、无缺陷绝缘薄膜尤其是陶瓷薄膜几乎难以实现,原因在于沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变。利用脉冲磁控溅射技术可以克服这些缺点,脉冲频率为中频10～200kHz,可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺,实现高速沉积高质量反应薄膜。笔者主要讨论磁控溅射技术在非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步,同时对磁控溅射在低压溅射、高速沉积、高纯薄膜制备以及提高反应溅射薄膜的质量等方面的工艺进步进行了深入分析,*后呼吁我国石化行业应该大力发展和应用磁控溅射技术。

　　非平衡磁控溅射技术

　　非平衡磁控溅射技术与常规磁控溅射相比,在设计上的差别很小,但是却导致沉积特性的巨大差异,图1是非平衡磁控溅射与常规磁控溅射技术的等离子体区域特征示意图。

　　在常规磁控溅射中,等离子体被完全约束在靶材区域,典型数值大约为靶材表面6cm范围内。图1c型(称为扩散性)的非平衡磁控溅射中,外围磁场强度高于中心磁场强度,磁力线没有在中心和外围之间形成闭合回路,部分外围的磁力线延伸到衬底表面,使得部分二次电子能够沿着磁力线到达衬底表面,等离子体不再被限制在靶材区域,而是能够到达衬底表面,使衬底离子束流密度提高,通常可达5mA/cm2以上。这样溅射源同时是轰击衬底的离子源,衬底离子束流密度与靶材电流密度成正比,靶材电流密度提高,沉积速率提高,同时衬底离子束流密度提高,从而薄膜的特性保持不变。图1b(称为内聚性)为另一种非平衡磁场,其特征为中心磁场强度比外围高,磁力线没有闭合但是被引向器壁,衬底表面的等离子体密度低。因为衬底离子束流密度低,该方式很少被采用,但是有研究表明该方式能够获得高比表面、高活性的薄膜,得到的薄膜的孔隙度可达致密表面的1000倍以上,同时孔隙度可以控制。多孔薄膜在作为触媒、点火器件、吸热黑体等方面具有重要应用。

　　非平衡磁控溅射技术的进一步发展是非平衡闭合磁场磁控溅射(CFUBMS),其特征为使用多个按照一定方式安装的非平衡磁控溅射源,用于克服利用单靶在复杂衬底表面均匀沉积薄膜所面临的巨大困难。多靶系统中,相邻两个靶的关系可以是平行放置,也可以相对放置。相邻靶材中的磁场方式也有2种,如图2所示,相邻磁极相反时,称为闭合磁场方式;相邻磁极相同时,称为镜面磁场方式。在闭合磁场方式中,磁力线在不同靶材之间闭合,被器壁损失的电子少,衬底表面的等离子体密度高,到达衬底表面的离子与原子比是镜面磁场方式或单靶非平衡磁场的2～3倍以上,当衬底与靶材间距增大时,闭合磁场对衬底表面的离子与原子比率的影响更加显著。镜面方式中,磁力线被引向器壁,二次电子沿着磁力线运动被器壁消耗,导致衬底表面的等离子体密度降低。