高沉積速率和靶材利用率對于工業(yè)過程非常重要。盡管磁控管陰極的沉積速率相對較高，但不如蒸發(fā)過程的沉積速率高（在先前的博客中已解決）。雙磁控管/脈沖磁控管配置既可實現(xiàn)高沉積速率，又可提高材料利用率[1,2,3]。雙磁控濺射使用中頻（?40 kHz – 300 kHz）脈沖電源和兩個磁控陰極。雙磁控管配置如圖2所示，典型的電源脈沖如圖3所示。該電源在周期的前半部分向一個磁控管陰極提供正脈沖，同時對另一個陰極進行負偏壓，然后向另一個磁控管陰極提供正脈沖，同時對另一個陰極負向偏壓。以這種方式，一個陰極充當(dāng)陽極，而另一個陰極充當(dāng)濺射陰極。濺射僅在負偏壓期間發(fā)生。這個過程非常適合于反應(yīng)濺射[4,5,6]。

脈沖磁控濺射克服了磁控濺射的兩個缺點：

• 陽極由于絕緣層的沉積而丟失（或隱藏）
• 反應(yīng)濺射過程中的充電和電弧形成

由于脈沖電源和脈沖極性的反轉(zhuǎn)，實際上消除了反應(yīng)沉積期間靶材的充電。圖4顯示了雙磁控濺射期間等離子體的切換[2]。

最初開發(fā)了雙磁控管技術(shù)來沉積絕緣材料，例如氧化物，氮化物和透明導(dǎo)電氧化物[4]。具有相同靶材的平面磁控管通常彼此相鄰放置，但在共濺射配置中，與不同靶材可以相距更遠[5]。通過由負偏壓的靶材（陰極）發(fā)射的二次電子被吸引到帶正電的靶材（陽極）并基本上中和已沉積絕緣體的帶正電的表面，可以減少電弧。表1比較了通過常規(guī)直流磁控濺射和中頻濺射[1,2]沉積的四種材料的沉積速率和光學(xué)性能。在所有情況下，我們都可以看到沉積速率最多可以增加5倍。

受益于中頻雙磁控濺射的其他薄膜材料是SiO2，Al2O3，MgO，CrN，ITO。

讓我們更詳細地看一下反應(yīng)濺射，它是雙磁控管工藝的優(yōu)勢之一。反應(yīng)濺射背后的基本機理很復(fù)雜，仍在研究中[7,8]，但是雙磁控濺射使工藝更容易控制[6,9]。另外，閉環(huán)控制器可用于使過程自動化[6]。目標氧化或中毒是降低沉積速率，引起電弧并降低密度的主要問題。反應(yīng)濺射的技巧是保持靶表面清潔并防止“陽極消失”，這直接與控制反應(yīng)氣體的分壓有關(guān)。對于傳統(tǒng)的磁控管，這是通過繪制反應(yīng)氣體分壓和反應(yīng)氣體流量的磁滯回線來實現(xiàn)的，如圖5所示[10]。光學(xué)性能取決于沉積速率和反應(yīng)性氣體分壓，如圖6 [10,11]所示。最初，與金屬靶材的表面反應(yīng)會消耗大量的反應(yīng)氣體。反應(yīng)飽和后，目標表面將被氧化且不會消耗額外的反應(yīng)性氣體，因此，O₂即使在流量較低時，分壓也會增加。發(fā)生這種情況時，沉積速率會大大降低。一旦目標完全中毒，O?_2的分壓將隨流量線性增加。在這種情況下，流量控制和沉積過程應(yīng)在負斜率區(qū)域內(nèi)。

雙磁控濺射的磁滯曲線看起來幾乎相同，但是大多數(shù)中頻系統(tǒng)使用某種形式的閉環(huán)或等離子體發(fā)射監(jiān)測器控制，以將反應(yīng)氣體的分壓和流量保持在最佳值[1,6,9]。幾家公司銷售閉環(huán)控制器。腔室配置的一個示例在圖7 [6]中顯示。系統(tǒng)使用目標電壓的設(shè)定點和非?？斓牧髁靠刂浦祦砀夏繕吮砻姘l(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的步伐。簡而言之，控制器將沉積過程中的目標電壓與設(shè)定值進行比較，并相應(yīng)地調(diào)整反應(yīng)性氣體流量。

使用雙磁控管和中頻電源進行共濺射的優(yōu)點是可以精確控制每個組件的數(shù)量[5]。顯然，此過程需要兩個磁控管，但是使用中頻電源可以可靠地調(diào)節(jié)提供給每個目標的功率，并獨立調(diào)節(jié)每個目標的功率。這導(dǎo)致對相對組成的更多控制。圖8 [5]顯示了使用中頻電源的共濺射裝置。該配置用于使用Ti和Al靶以及O?₂反應(yīng)性氣體來自定義TiAlO?_x的折射率。圖9示出了如何通過調(diào)節(jié)O?₂分壓來控制折射率。

雙磁控濺射也可用于沉積光學(xué)多層涂層[9]，TCO’s [4,12]和摩擦涂層[13]。使用雙磁控管沉積如圖10所示的SiO?₂?/ Al?₂?O?₃減反射涂層，然后在每個靶材上依次移動基板。發(fā)現(xiàn)ITO膜的電阻率和光學(xué)透射率取決于脈沖長度和等離子體密度以及常規(guī)參數(shù)，例如O?₂分壓和到達靶材的功率[12]。使用兩個In?_0.9?Sn?_0.1的工藝的ITO電阻率，脈沖長度和O?₂流量之間的關(guān)系目標如圖11所示[12]。在這里，我們看到獲得了非常可觀的5mΩ.cm附近的值，并且對脈沖長度的依賴性很大。

因為使用了兩個靶，所以納米層壓板和納米復(fù)合材料也可以使用雙磁控管沉積[3,13]。圖12顯示了使用RF電源沉積的Al?₂?O?₃?-ZrO?₂納米復(fù)合材料的高分辨率明場TEM?[3]。引入ZrO2納米團簇以提高Al?₂?O?₃的耐腐蝕性。TiN / TaN?_x（請參閱本月專欄）多層具有摩擦學(xué)應(yīng)用。使用Ti和Ta靶在Ar + N2混合物中沉積多層膜[13]。電源的周期性自然會形成每種成分的納米層?？刂七@些薄膜中的應(yīng)力以減少剝落和附著力損失非常重要。多層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力可以通過層壓板的厚度和氮氣分壓（也影響沉積速率）來控制。圖13顯示了應(yīng)力對層厚度和總壓力（Ar + N?₂，Ar壓力保持恒定）的依賴性。調(diào)整這些參數(shù)可以使應(yīng)力從壓縮變化到拉伸變化。

雙磁控管和中頻濺射的示例列表可以填充幾個Blog。使用RF以及中頻電源來沉積薄膜。當(dāng)陰極并排放置時，陰極磁性的相互作用也可能成為一個問題[1]。每種情況都不同，必須根據(jù)所需的基材幾何形狀，成分和性能調(diào)整陰極配置。

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參考：

1. U Heister et al., 41st Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1998) 187.
2. T Winkler, 45th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2002) 315.
3. D H Trinh et al., J. Vac. Sci. Technol. A 24(2) (2006) 309.
4. W –M Gnehr et al., 48th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2005) 312.
5. D J Christie et al., 46th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2003) 393.
6. L Lou et al, Advanced Energy Industries, Inc. Whitepaper.
7. R DeGryse et al., VT&C February 2008, 48.
8. W D Sproul, 36th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1993) 504.
9. J Strumpfel et al., 40th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1997) 179.
10. W D Sproul et al., J. Vac. Sci. Technol. A 13(3) (1995) 1198.
11. W D Sproul and B E Sylvia, VT&C, 2(8) (2001) 32.
12. A I Rogozin et al., J. Vac. Sci. Technol. A 22(2) (2004) 349
13. M Nordin et al., J. Vac. Sci. Technol. A 18(6) (2000) 2884.