平面磁控溅射靶是现代真空镀膜设备的核心部件，以其结构相对简单、加工便捷、性能稳定而成为工业界与科研领域应用最广泛的溅射源。它通过引入磁场巧妙地控制带电粒子的运动，从根本上提升了溅射效率。根据靶材的平面形状，主要可分为圆形平面磁控溅射靶和矩形平面磁控溅射靶。两者在核心工作原理上完全一致，仅在结构形态上有所区别，以适应不同形状基片的镀膜需求。
一、 核心结构与功能组件
一个完整的平面磁控溅射靶是一个集电、磁、热管理于一体的精密系统，主要由以下几个关键部分构成：
1. 靶材：作为镀膜材料的来源，通常是厚度为3~10mm的平板。它被紧密地固定在阴极体上，通常通过螺钉或高温钎焊的方式，以确保良好的机械连接和导热性能。
2. 磁体系统：这是磁控溅射的“灵魂”。在靶材的背面，布置有永久磁铁（如钕铁硼）或电磁线圈，或二者的复合结构。其核心作用是在靶材表面附近的空间内，形成一个特定形态的静态磁场。
Ø对于圆形靶，该磁场是以其轴线为对称轴的环状场。
Ø对于矩形靶，则形成一条封闭的环形跑道状磁场。
3. 极靴（轭铁）：由纯铁、低碳钢等高导磁材料制造。它的作用如同电路的“导线”，能够高效地引导和集中磁力线，使靶面的磁场分布更加强烈和规整。一个设计优良的极靴是获得高溅射速率和宽泛刻蚀区域的关键。
4. 水冷系统：由于溅射过程中靶材会承受高能离子的持续轰击而产生大量热量，必须进行有效冷却。水冷通道（直接通入靶背或通过铜靶座间接冷却）负责将热量带走，严格控制靶材温度。温度控制至关重要：温度过高可能导致靶材熔化（对于低熔点金属）或引起合金靶材表面成分偏析，破坏镀膜成分；温度过低则会使溅射速率下降。
5. 屏蔽罩：安装在靶材周围，其首要功能是防止阴极体等非靶材部件被溅射，从而保证薄膜的纯度。其次，接地的屏蔽罩还能作为辅助阳极，有效地吸收那些最终逃逸出磁场约束的低能电子，有助于维持放电的稳定性。
二、 工作原理：磁场的约束效应
平面磁控溅射的工作机制，可以概括为一场对电子的“精妙囚禁”。
在溅射靶上施加500~600V的直流负高压，真空室壁（阳极）接地。当通入适量氩气（工作气压通常约0.1Pa）并激发放电后，靶面在离子轰击下会释放出大量的二次电子。在普通二极溅射中，这些电子会直线飞向阳极，路径很短，电离效率低。
而在磁控溅射中，靶面附近的磁场与电场方向正交。根据物理学原理，带电粒子在正交的电磁场中会作漂移运动。磁场的作用就像一道无形的“牢笼”，将这些二次电子紧紧地束缚在靶面附近，迫使它们沿着磁力线方向进行螺旋式的长路径运动。
这种“电子囚禁”带来了两大革命性好处：
1. 极高的电离效率：电子运动轨迹被极大延长，使其与氩气原子发生碰撞电离的几率呈指数级增加，从而产生并维持了异常高密度的等离子体。
2. 低气压、低电压工作：正因为电离效率高，磁控溅射不再需要高气压和高电压来维持放电。它可以在低气压（0.13~1.3Pa） 和低靶电压（300~700V） 下稳定运行，这不仅降低了薄膜中掺入杂质气体的风险，也减少了对已沉积薄膜的高能粒子轰击损伤。
最终，被高密度等离子体加速的高能Ar⁺离子持续轰击靶材，溅射出的靶材原子飞向基片，沉积成膜。
三、 圆形与矩形靶的磁场与刻蚀特性
1. 圆形平面靶：其磁场呈轴对称环状。因此，等离子体被集中在这个环状区域上方，导致靶材的刻蚀也集中于此，形成一个逐渐加深的环形沟道（常称“跑道区”）。一旦沟道被刻穿，即使靶材其余部分还很厚，整个靶也必须更换，这导致其靶材利用率较低，通常仅为30%左右。
2. 矩形平面靶：其磁场构成一个封闭的环形跑道。磁力线从跑道外侧穿出靶面，再从内侧进入。为了实现大面积均匀镀膜，矩形靶的磁路设计尤为关键。工业上常采用小块永磁体拼接的方式构成磁路，这样可以根据实际镀膜的均匀性反馈和靶材刻蚀的深浅分布，灵活地调整局部磁铁的排布与方向，从而优化磁场分布，改善膜厚均匀性。
无论形状如何，靶面磁场水平分量的强度都需要精确控制在一个最佳范围内（圆形靶通常为0.02~0.06T，矩形靶为0.03~0.08T），过强或过弱都会影响放电效率和稳定性。
四、 典型工艺参数与放电特性
平面磁控溅射的典型工艺窗口体现了其高效、温和的特点：
v工作压强：0.1 Pa (范围 0.13 ~ 1.3 Pa)
v靶电压：300 ~ 700 V
v靶电流密度：4 ~ 60 mA/cm²
v靶功率密度：1 ~ 36 W/cm² (高功率应用可达136 W/cm²甚至更高)
其放电特性服从经验公式：I = KUⁿ。其中，I为放电电流，U为靶电压，K是与装置和气压相关的常数，n是表征等离子体约束效率的关键系数（n值通常大于1，值越大表明电子束缚效应越好，放电效率越高）。相应的功率公式为 P = I * U = K Uⁿ⁺¹。在恒定电流下，靶电压与气压呈负相关关系，即气压升高，维持同样电流所需的电压会降低。
五、 技术优势与核心挑战
显著优势：
Ø高沉积速率：得益于高密度等离子体，其沉积速率远高于传统二极溅射。
Ø低基片温升：高效率和低气压工作，使传递到基片的热量减少，适用于对温度敏感的基材。
Ø薄膜质量高：低气压减少了薄膜中夹杂的气体分子，薄膜更致密，纯度更高。低电压则减轻了高能粒子对薄膜的轰击损伤。
Ø工艺窗口宽，易于控制：通过独立调节功率、气压等参数，可以精确控制薄膜的沉积速率和性质。
核心挑战：
其最突出的缺点是靶材利用率低。由于刻蚀仅集中在一个狭窄的环形跑道区，大部分靶材未被有效利用，造成了材料的浪费，这是磁控溅射技术本身固有的现象，也是当前技术改进的主要方向之一（如采用旋转圆柱靶等结构）。
总结：平面磁控溅射技术通过引入磁场约束电子，巧妙地解决了传统二极溅射效率低、工作条件苛刻的难题，实现了在低温、低损伤条件下的高质量、高速率薄膜沉积。尽管存在靶材利用率低的不足，但其卓越的综合性能使其在微电子、光学镀膜、装饰涂层、工具硬化等众多领域持续发挥着不可替代的作用。
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