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磁控溅射的工作原理

昨天 16:50 浏览：218 作者：小萍子

本文将介绍磁控溅射的工作原理。

磁控溅射(magnetron sputtering)是目前应用最广的薄膜物理气相沉积(PVD)技术。它利用辉光放电(glow discharge)产生的氩离子轰击靶材(target)，把靶材原子“撞”出并沉积到基片(substrate)上，同时借助靶材背面的磁场把电子约束在靶面附近，大幅提高电离效率。本文依次讲清溅射(sputtering)机理、磁场约束原理、跑道(race track)与靶材利用率 (target utilization)、几种电源方式与反应溅射(reactive sputtering)。

什么是磁控溅射 (magnetron sputtering)

溅射(sputtering) 属于物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)：在低压氩气中给靶材(target) 加上数百伏负电压，气体击穿形成辉光放电(glow discharge)，氩离子(Ar⁺) 在阴极鞘层(cathode sheath) 中被加速，轰击靶面，把靶材原子撞出，这些原子飞到基片(substrate) 上凝结成膜。磁控溅射(magnetron sputtering) 在靶材背面加装永磁体，用磁场把电子约束在靶面附近，使放电更强、更稳定。与热蒸发(thermal evaporation) 相比，溅射膜更致密、晶粒更细、附着力更好。靶面上方的环形辉光即被磁场约束的等离子体 (plasma)。

原子是怎样被“溅”出来的

T溅射(sputtering) 的本质是动量交换(momentum exchange)。高能氩离子撞入靶材(target) 后引发碰撞级联(collision cascade)：被撞原子继续撞击其他原子，部分能量传回表面，当某个表面原子获得的能量超过表面结合能(surface binding energy) 时，它就脱离靶面。每个入射离子平均溅出的原子数称为溅射产额(sputter yield, Y)，它取决于离子能量、质量、入射角和靶材的表面结合能；离子能量低于阈值能量(threshold energy) 时不发生溅射(sputtering)。真正溅出原子的碰撞序列只占少数，入射离子75%–90% 的能量最终变成热，因此靶材必须水冷(water cooling)。溅出的原子绝大多数呈中性，直流磁控溅射中被电离的比例通常只有2%–3% 或更低。

磁场的作用：把电子“困”在靶面附近

不加磁场的直流二极溅射 (dc diode sputtering) 中，靶面发射的二次电子 (secondary electron) 很快飞向阳极，电离效率低，只能在2–4 Pa 的较高气压下工作，沉积速率很低。磁控溅射(magnetron sputtering) 在靶材背面布置中心磁体和环形外磁体，磁力线从中心穿出，在靶面上方拱起，再回到外环。电子在电场E 和磁场B 的共同作用下一边绕磁力线回旋，一边沿靶面做环形的E×B 漂移(E×B drift)，在靶前的停留时间大大延长，反复与氩原子碰撞电离；离子质量大，几乎不受磁场影响，直接被电场拉向靶面。靶面附近的磁场通常为20–50 mT。

因此，平面直流磁控溅射 (dcMS) 可在0.2–4 Pa、300–700 V 下稳定工作，电流密度为4–60 mA/cm²，静态沉积速率为20–200 nm/min。电子被约束在靶前，基片(substrate) 受电子轰击少、温升低，适合热敏感基片(substrate)。

跑道 (race track) 与靶材利用率 (target utilization)

等离子体 (plasma) 最浓的区域位于磁场与靶面相切的环带上，这里离子轰击最强，靶面逐渐被刻蚀出一圈环形凹槽，称为跑道(race track)（图4）。跑道(race track) 决定了靶材利用率(target utilization) 和靶材寿命：早期平面磁控靶的靶材利用率(target utilization) 约为26%；旋转圆柱靶(rotatable cylindrical target) 绕固定磁体以约1 Hz 转动，整个靶面轮流经过等离子区，利用率可达90%。下图左为靶材 (TARGET) 背面为S–N–S 磁体(MAGNETE) 与阴极(CATODO)，电子沿拱形磁力线被约束并使氩气(ARGON) 电离；下图右为用过的铝靶及环形跑道。

电源方式与反应溅射 (reactive sputtering)

按靶材和薄膜的不同，磁控溅射 (magnetron sputtering) 可选用不同电源（表1）。

表1 磁控溅射 (magnetron sputtering) 常用电源方式

电源方式	工作特点	典型用途
直流 (dcMS)	靶材必须导电；峰值功率密度一般低于 0.05 kW/cm²	金属薄膜
射频 (RF)	常用 13.56 MHz 或 27.12 MHz，可溅射绝缘靶；介质的溅射产额 (sputter yield) 可低至金属的 10%，速率较低	氧化物等介质薄膜
脉冲直流 (pulsed DC)	非对称双极脉冲，频率 20–350 kHz；反向正电压约为负电压的 10%–20%	反应溅射 (reactive sputtering) 氧化物、氮化物，抑制打弧 (arcing)
高功率脉冲 (HiPIMS)	频率 50–5000 Hz，占空比 1%–3%，峰值功率密度大于 0.5 kW/cm²	溅射原子高度离化，用于致密涂层

反应溅射 (reactive sputtering) 在氩气中加入O₂ 或 N₂，在基片 (substrate) 上生成氧化物或氮化物。反应气体增加到一定程度时，靶面被化合物覆盖，即靶中毒 (target poisoning)，溅射产额 (sputter yield) 下降，沉积速率骤降；减少反应气体时，靶面又不会在同一流量下恢复，形成迟滞(hysteresis) 回线，因此工艺通常要稳定在金属模式与中毒模式之间的过渡区。跑道附近被绝缘反应物覆盖的区域会不断积累电荷，最终击穿形成电弧(arc)；采用非对称双极脉冲，在短暂的反向期间让电子流把这些电荷中和掉，就能有效抑制打弧(arcing)。‍

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