電子信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)磁性薄膜、磁性元器件產(chǎn)生了巨大需求，磁性薄膜和磁性元器件的制備離不開(kāi)原料Fe、Co、Ni等鐵磁性金屬及合金。由于磁控濺射技術(shù)制備的薄膜純度高，結(jié)構(gòu)控制精確，因此磁控濺射是沉積高質(zhì)量磁性薄膜來(lái)制造磁性元器件廣泛采用的方法。但是磁控濺射沉積磁性薄膜存在著鐵磁性靶材難以正常濺射等問(wèn)題，這一困難阻礙了高性能磁性薄膜和器件的生產(chǎn)與應(yīng)用。

　　磁控濺射鐵磁性靶材存在的問(wèn)題

　　對(duì)于Fe、Co、Ni、Fe2O3、坡莫合金等鐵磁性材料，要實(shí)現(xiàn)低溫、高速濺射沉積，采用普通的磁控濺射方式會(huì)受到很大的限制。這是由于采用上述幾種材料制成的靶磁阻很低，大部分磁場(chǎng)如圖1所示的那樣幾乎完全從鐵磁性靶材內(nèi)部通過(guò)，使靶材表面上部的剩余磁場(chǎng)過(guò)小，無(wú)法形成有效地電子束縛區(qū)域，不可能形成平行于靶表面的使二次電子作圓擺線運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)磁場(chǎng)，使得磁控濺射不能進(jìn)行。此時(shí)，磁控濺射就成為效率很低的二極濺射，使薄膜的沉積速度大大下降，基片急劇升溫。

圖1 磁力線通過(guò)鐵磁性靶材示意圖 (C為磁力線通道的中線軸)

　　相比普通靶材，除了磁屏蔽效應(yīng)外，在濺射鐵磁性材料時(shí)，等離子體磁聚現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。如圖2所示，圖2 (a) 中的點(diǎn)1和點(diǎn)3是磁力線通道中線軸C兩邊的點(diǎn)。在濺射時(shí)，由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同存在，處于點(diǎn)1和點(diǎn)3位置的電子受到庫(kù)侖力和洛侖茲力的作用而向磁力線通道的中線軸C處運(yùn)動(dòng)，處于點(diǎn)2位置的電子不受橫向力的作用。

　　因此，濺射時(shí)中線軸處的等離子體最多，在靶材相應(yīng)位置的濺射最為激烈，濺射率也最大。這種情況在所有的靶材濺射中均存在。但是在濺射鐵磁性靶材時(shí)，等離子體磁聚現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

　　從圖2(d) 可見(jiàn)，由于等離子體磁聚現(xiàn)象，首先在磁力線通道中線處出現(xiàn)濺射溝道，原從鐵磁靶材內(nèi)部通過(guò)的磁力線就將從溝道處外泄出來(lái)，濺射的溝道越深，外泄的磁力線越多，磁力線中軸處的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，從而使更多的電子在磁力線中軸處磁聚，更多的等離子體在磁力線中軸處產(chǎn)生，于是溝道處的濺射率就越大，最終導(dǎo)致溝道處的靶材更快被濺穿。由于鐵磁性靶材內(nèi)部通過(guò)的磁力線遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于普通靶材，所以其磁力線外瀉的更多，磁力線中軸處的磁場(chǎng)強(qiáng)度更大，溝道處的濺射刻蝕速率更快。

圖2 鐵磁性靶材濺射時(shí)的等離子體磁聚現(xiàn)象F-靶材表面眾多磁力線的一條

(a) 靶面上部的磁力線通道；(b) 開(kāi)始濺射時(shí)的靶材磁場(chǎng)；(c) 濺射一段時(shí)間之后的靶材磁場(chǎng)；(d) 即將刻蝕透的靶材磁場(chǎng)