磁控溅射的优势及原理特征

（一）磁控溅射的原理和特点

1.磁控溅射的原理

要清楚理解磁控溅射（Magnetron Sputtering）原理，得从溅射镀膜说起。溅射镀膜是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在衬底上的技术。阴极靶由镀膜材料制成，阳极即为衬底，给真空室通入0.1～10Pa的氩气或其他惰性气体，在阴极（靶）输入1～3kV直流负高压或13.56MHz的射频电压，产生辉光放电，使惰性气体电离，产生入射离子，入射离子与靶材表面原子发生弹性碰撞后，将其中一部分能量给了原子，该原子的动能超过它与其他原子形成的势垒（对金属约为5～10eV）时，原子就会从晶格点阵碰出，形成离位原子，又与其他附近原子发生反复碰撞-联级碰撞，当原子动能超过结合能（1～6eV）时，原子离开表面进入真空室沉积在设置的衬底上，形成薄膜。由于被溅射原子是与具有数十电子伏特能量的正离子交换动能后飞溅出来的，因而溅射出来的原子能量高，有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度，使制出的薄膜与基片具有强的附着力。但是，这一过程存在着不足之处：

1）在低电压和低气压下，产生的离子数目少，靶材溅射效率低，如改为高电压和高气压，尽管可以产生较多的离子，但飞向基片的电子携带的能量高，容易使基片发热甚至发生二次溅射，影响制膜质量。

2）在低气压下，离子是在远离阴极的地方产生的，因而它们的热壁损失较大；同时，又有很多初始电子可以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失，又不能被碰撞引起的次级发射电子抵消，离化效率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。

3）靶材原子在飞向衬底的过程中，与气体分子的碰撞概率大为增加，因而被散射到整个腔体，既会造成靶材浪费，又会在制备多层膜时造成各层的污染。

为了解决上述不足之处，人们在20世纪70年代开发出了直流磁控溅射技术，它有效地克服了阴极溅射速率低和电子使衬底温度升高的弱点。图8-3为磁控溅射。

磁控溅射的原理是：在二极溅射的基础上，在靶材后面放置永久磁铁，与靶阴极电场垂直的方向加一个横向磁场（它是平行于阴极表面的磁场），电子在电场E的作用下，与Ar原子发生碰撞，产生Ar离子和二次电子，离子飞向靶材，溅出靶原子，中性的靶原子沉积在衬底上形成薄膜。产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向的漂移（简称E×B漂移），其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，二次电子在加速飞向衬底的过程中受到磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，二次电子的运动轨迹会发生弯曲甚至产生螺旋运动。因此，它们的运动路径变得很长，增加了与工作气体分子碰撞的次数，从而增加了气体原子的离化效率，使等离子体密度增大，在该区域中电离出大量的Ar离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。经过多次碰撞而丧失能量的电子到达阳极时，已变成低能电子，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在衬底上。因传递给衬底的能量很小，致使衬底温升较低。

磁控溅射使溅射速率得到很大的提高，而且可以在较低的溅射电压和气压下工作，降低了薄膜污染的倾向；另一方面，它也提高了入射到衬底表面的原子能量，可以在很大程度上改善薄膜的质量。因此，磁控溅射法具有“高速”、“低温”的优点。电流密度提高到5～30mA／cm²，沉积速率可达到600nm／min。

磁控溅射原理有三个特征：

1）磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率，有效利用电子的能量。磁场与电场的交互作用使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。电子的归宿不仅仅是衬底，真空室内壁、靶源阳极也是电子的归宿，但一般衬底与真空室及阳极在同一电势上。

2）磁控溅射是入射离子和靶的碰撞过程，入射离子把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程，在这种级联过程中某些表面附近的靶原子，获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。电子由于受电场和磁场的作用，做螺旋运动，大大提高了电子的寿命，增加了电离产额，从而放电区的电离度提高，即离子和电子的密度增加，放电区的有效电阻变小，电压下降。另外，放电区集中在靶表面，放电区中的离子密度高，所以入射到靶表面的离子密度大大提高，因而溅射产额大大增加。产生原子的多少用溅射产额（S）表示。

图8-3 磁控溅射

3）入射正离子轰击靶材表面后产生原子和电子，原子沉积在衬底上形成薄膜，电子用来维持辉光放电。

2.磁控溅射的特点

磁控溅射技术成膜速率高，衬底温度低，膜的黏附性好，可实现大面积镀膜，有如下特点：

1）利用外加磁场捕捉电子，延长和束缚电子的运动路径，搞高离化率，增加镀膜速率。

2）溅射粒子（主要是原子，还有少量离子等）的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能高得多（3000K温度蒸发时平均动能仅0.26eV）。

3）入射离子能量增大（在几千电子伏范围内），溅射率（溅射出来的粒子数与入射离子数之比）增大；入射离子能量再增大，溅射率达到极值；入射离子能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。

4）入射离子质量增大，溅射率增大。

5）入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增大（倾斜入射比垂直入射时溅射率大）。

6）单晶靶由于焦距碰撞（级联过程中传递的动量愈来愈接近原子列方向），在密排方向上发生优先溅射。

7）不同靶材的溅射率不相同。

8）永久磁铁用圆筒结构和平面结构，这两种结构中，磁场方向都基本平行于阴极表面，并将电子运动有效地限制在阴极附近。

9）磁控溅射的制备条件：

加速电压300～800V

磁场50～300Gs

气压1～10mTorr

电流密度4～60mA／cm

功率密度1～40W／cm

不同的材料最大沉积速率范围100～1000nm／min

（二）磁控溅射的分类

磁控溅射分为直流磁控溅射和射频磁控溅射。

1.直流磁控溅射

直流磁控溅射要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极，从而使该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料。因为轰击绝缘靶材时表面的离子电荷无法中和，这将导致靶面电位升高，外加电压几乎都加在靶上，两极间的离子加速与电离的机会将变小，甚至不能电离，导致不能连续放电甚至放电停止，溅射停止。

2.射频磁控溅射

射频磁控溅射相对于直流磁控溅射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的，因此理论上利用射频磁控溅射可以溅射沉积任何材料。但是，它对磁性材料有一定要求，由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率，因此磁性材料的靶材需要特别加工成薄片，尽量减少对磁场的影响。射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在50～30MHz。

（三）特殊溅射沉积技术

特殊溅射沉积技术是以直流溅射和射频溅射为基础，为达到某些特殊目的而产生的溅射技术。

1.反应溅射

用磁控靶源溅射金属和合金很容易，点火和溅射很方便，这是因为靶（阴极）、等离子体和被溅射零件／真空腔体可形成回路，但若溅射绝缘体（如陶瓷），回路就断了。于是人们采用高频电源，回路中加入很强的电容，这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。但高频磁控溅射电源昂贵，溅射速率很小，同时接地技术很复杂，因而难以大规模采用。为解决此问题，发明了磁控反应溅射，就是用金属靶，加入氩气和反应气体（如氮气或氧气），当金属靶材原子被溅射撞向零件时，由于能量转化，与反应气体化合生成氮化物或氧化物。

根据膜的导电性的高低，可定性地将反应溅射过程分为两种模式——金属模式和化合物模式，介乎两者之间的是过渡区。一般认为膜的方块电阻在1000之下是金属模式，大于1000为化合物模式。

反应溅射靶可分为两类，一类是纯金属、合金或混合物，通入的气体是反应气体，或氩气加上一部分反应气体；另一类是化合物，在纯氩气气氛中溅射产生分解，使膜内缺少一种或多种靶成分。在溅射时需要补充反应气体，以补偿损失的成分。常用的反应气体有氧、氮、氧＋氮（空气）、乙炔、甲烷等。

（1）反应过程 反应发生在衬底或靶的表面上，活性气体形成活性基团，溅射原子与活性基团碰撞形成化合物沉积在衬底上。当通入的反应气体压强很低或靶的溅射产额很高时，一是化合物的合成发生在衬底上，化合物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达衬底的相对速度；二是靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度。当气体压强升高或溅射产额降低时，化合反应达到某个阈值，靶上的化学合成速度大于逸出速度，化合物的合成发生在靶面上。(www.xing528.com)

（2）反应溅射参数与生成物性能的关系 在纯氩气状态下溅射沉积纯铝膜时，当氮气被引入真空室后，靶面发生变化，随氮气的量不断上升，填充因子下降，膜内AlN含量上升，膜的介质性提高，方块电阻增加。当氮气达到某一值时，沉积膜就是纯的AlN；在电流不变的条件下，电压下降，沉积速率降低。当反应气体量增加时，靶面上会形成一层化合物，薄膜成分变化的同时，沉积速率下降；当反应气体量减少时，放电曲线及沉积速率都出现滞后现象。

（3）反应溅射易出现的问题

1）靶的污染。靶表面形成了非导电的化合物或者导电很差的化合物之后，除了放电电压及沉积速率变化之外，还会因为靶面状况的动态变化引起膜成分及结构的变化。

2）阳极消失。当阳极上化合物沉积到一定厚度时就中断了电荷传导的通路，造成电荷不断积累，最终阳极失去作用，辉光放电不稳定，沉积的膜层性能不一致。因此，经常清理阳极是必要的。

3）极间打火。随着阴、阳极覆盖化合物，其导电性能变差或丧失，使电子累积，若要维持辉光放电，必须提高外加电压，结果造成阴极表面化合物的击穿，形成弧光放电，严重时影响溅射过程的稳定性，并造成膜的缺陷。

磁控反应溅射绝缘体看似容易，而实际操作困难。主要问题是反应发生在阳极、真空腔体表面以及靶源表面，从而引起灭火、靶源和工件表面起弧等。德国莱宝发明的孪生靶源技术，很好地解决了这个问题，其原理是一对靶源互相为阴、阳极，从而消除阳极表面氧化或氮化。

（4）中频溅射及脉冲溅射 在靶上加一个交变电压，当工作在负电压阶段时，靶被溅射；工作在正电压阶段时，中和靶面积累的正电荷，这就是交流溅射技术。电压波形是非对称的矩形波的溅射方法称为脉冲溅射；电压波形是对称的方波或正弦波的溅射方法称为交流溅射。在一个给定电场强度下，频率越高，溅射产额越低，频率为60kHz、80kHz、500kHz和13.5MHz时，溅射产额分别为直流溅射时的100％、85％、70％和55％，通常取10～80kHz，因此也称交流溅射为中频溅射。中频溅射常用于孪生靶（也叫对靶）。使近乎完全相同的两个靶相对而立，各自与电源的两个极相连，并与真空室处于悬浮状态。在溅射过程中，两个靶周期性地交替作为阴极和阳极，处于低电位的靶吸引正离子产生溅射，处于高电位的另一个靶吸引电子，中和靶面积累的正离子，抑制了溅射时的打火现象，同时消除了“阳极消失”现象。中频孪生靶溅射技术有以下特点：

1）有高的沉积速率。靶功率密度是直流三倍的情况下，可以得到直流溅射十倍的沉积速率。

2）膜内缺陷低。由于消除了打火现象，膜内缺陷比直流溅射时低几个数量级。

3）膜内应力低。由于中频溅射时到达衬底的原子能量高于直流溅射，因此沉积时衬底温升高，形成的膜较致密，与衬底结合力强。

4）连接简单。中频溅射时电源与靶的连接比射频（13.56MHz）溅射容易，后者需要复杂的阻抗匹配。

脉冲磁控溅射是采用脉冲电源或者直流电源与脉冲生成装置配合，输出脉冲电流驱动磁控溅射沉积，一般使用矩形波电压，既容易获得，又有利于研究溅射放电等离子体的变化过程。

（四）磁控阴极（靶源）

磁控阴极按照磁场位形分布不同，大致可分为平衡态和非平衡磁控阴极。

1）平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶面，很好地将电子／等离子体约束在靶面附近，增加碰撞概率，提高了离化效率，因而在较低的工作气压和电压下就能起辉，并维持辉光放电，靶材利用率相对较高，但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面，衬底区域所受离子轰击较小。平衡式靶源镀膜均匀，多用于半导体光学膜。

2）非平衡磁控阴极，即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极，两极磁力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到衬底区域，因而部分电子可以沿着磁力线扩展到衬底，增加衬底区域的等离子体密度和气体电离率。非平衡式靶源镀膜膜层和衬底结合力强，多用于磨损装饰膜。

不管平衡非平衡，若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于30％，为增大靶材利用率，可采用旋转磁场，但旋转磁场需要旋转机构，同时溅射速率要减小。旋转磁场多用于大型或贵重靶，如半导体膜溅射，对于小型设备和一般工业设备，多用磁场静止靶源。

常见的磁控溅射靶材从几何形状上看有平面和圆形两种。

1）平面磁控溅射。平衡平面溅射是最常用的平面靶磁控溅射，磁力线有闭合回路且与阴极平行，即在阴极表面构成一个正交的电磁场环形区域。等离子体被束缚在靶表面距离靶面大约60cm的区域，通常在基片上加负偏压来改善膜与衬底的结合能力。非平衡平面磁控溅射为了将等离子区域扩展，利用磁体摆放方式的调整，可以方便地获得不同的非平衡磁控源。

2）圆形磁控溅射靶。圆形磁控溅射靶的直径范围为50～250mm，靶结构材料选取适合高真空的优质不锈钢和铜合金材料，磁场源采用稳定性最高的稀土钐钴永磁材料，磁场采用模块化排布并进行优化设计，有效地提高靶材利用率和设备稳定性。直径50～150mm的圆形磁控溅射靶主要应用于大专院校与科研院所的研究性磁控溅射镀膜设备；直径150mm以上的靶为生产型磁控溅射镀膜设备采用。图8-4为圆形磁控溅射靶。

冷却水循环量为1L／min，能有效地保证设备的冷却效果，根据不同设备可以配置不同角度的安装头，采用ϕ20mm不锈钢导管、复合法兰进行安装，适用于高真空、高纯度镀膜。冷却是一切源（磁控，多弧，离子）所必需的，因为能量很大一部分转为热量，若无冷却或冷却不足，这种热量将使靶源温度达一千度以上从而熔化整个靶源。

其他特殊性能可根据客户需要进行设计。

（五）磁控溅射靶材的利用率

磁控溅射靶材的利用率，是磁控溅射源工程设计和生产工艺成本核算的一个参数。对于静态直冷矩形平面靶，即靶材与磁体之间无相对运动，且靶材直接与冷却水接触的靶，靶材利用率（最大值）多在20％～30％。为了提高靶材利用率，研究出了不同形式的动态靶，其中以旋转磁场圆柱靶最著名，且在工业上被广泛应用，据称这种靶材的利用率最高可超过70％，但缺少足够数据或理论证明。如何提高利用率是真空磁控溅射镀膜行业的重点研究课题。图8-5为磁控溅射。

（六）溅射产额S

溅射产额是指单位离子入射到表面后产生的原子数，单位为原子数／离子，也叫溅射率或溅射系数。它决定阴极被剥离的速度，并在很大程度上决定薄膜的沉积速率。溅射产额与入射离子及粒子能量有关。

图8-4 圆形磁控溅射靶

图8-5 磁控溅射

1.溅射产额与入射离子

溅射产额与入射离子的种类、能量、入射角度及被溅材料的种类有关。

（1）溅射产额与入射离子的关系

1）与入射离子种类的关系。对于同一种被溅材料，当轰击离子的质量增加时，溅射产额随之增加，而且最大溅射产额出现在元素周期表惰性气体上。

2）与入射离子能量的关系。在入射离子能量很低的一个范围内，没有或者几乎没有溅射发生，随着离子能量的增加，溅射产额也增加，当能量继续增加超过某一个值时，溅射产额不但不增加反而还要下降。S=0时的最高能量称为溅射的阈值能量，一般为10～30eV。

3）与入射离子入射角的关系。当入射角从0°（离子垂直入射到靶面）逐渐增加时，最初的溅射产额也随之增加，当达到某一值（Al为75°）时，溅射产额达到最大，角度再增加溅射产额反而下降，至90°时，溅射产额下降到零。

（2）与被溅材料的关系 随着原子序数的增加，溅射产额值是周期性变化的，材料的电子结构中d壳层电子越多，该材料的溅射产额值就越大。

2.溅射产额与粒子能量

粒子能量大，溅射产额就高。影响溅射粒子能量的因素有三点。

1）入射离子的能量对溅射粒子的影响。增大入射离子的能量会使溅射粒子的能量相应增加。在低压强状态下，增加溅射功率是提高入射离子能量的有效途径。但是，如果压强太高，溅射原子在离开靶表面向衬底运动的过程中，就会与室内的气体分子发生碰撞，降低溅射原子的能量。

2）入射离子质量对溅射粒子的影响。质量大的正离子产生的溅射原子具有大的平均能量。

3）正离子入射角对溅射粒子能量的影响。入射角为60°轰击靶表面，溅射粒子能量会提高。

磁控溅射的缺点是不能制备绝缘体膜，而且磁控电极中采用的不均匀磁场会使靶材产生显著的不均匀刻蚀，导致靶材利用率低，一般仅为20％～30％。