磁控溅射

磁控溅射原理

在被溅射的靶极(阴极)与阳极之间加一个正交磁场和电场，在高真空室中充入所需要的惰性气体(通常为Ar气)，**磁铁在靶材料表面形成250～350高斯的磁场，同高压电场组成正交电磁场。在电场的作用下，Ar气电离成正离子和电子，靶上加有一定的负高压，从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，Ar离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面，以很高的速度轰击靶面，使靶上被溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离靶面飞向基片淀积成膜。 磁控溅射一般分为二种：支流溅射和射频溅射，其中支流溅射设备原理简单，在溅射金属时，其速率也快。而射频溅射的使用范围更为广泛，除可溅射导电材料外，也可溅射非导电的材料，同时还司进行反应溅射制备氧化物、氮化物和碳化物等化合物材料。若射频的频率提高后就成为微波等离子体溅射，目前常用的有电子回旋共振(ECR)型微波等离子体溅射。
电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，*终沉积在基片上，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和有效利用电子的能量。
电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用（E X B shift）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。至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。
在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在此原理下工作。所不同的是电场方向，电压电流大小而已。

射频溅射  
用交流电源代替直流电源就构成了交流溅射系统，由于常用的交流电源的频率在射频段，如13.56MHz，所以称为射频溅射。

  在直流射频装置中如果使用绝缘材料靶时，轰击靶面得正离子会在靶面上累积，使其带正电，靶电位从而上升，使得电极间的电场逐渐变小，直至辉光放电熄灭和溅射停止。所以直流溅射装置不能用来溅射沉积绝缘介质薄膜。为了溅射沉积绝缘材料，人们将直流电源换成交流电源。由于交流电源的正负性发生周期交替，当溅射靶处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。由于在靶上会形成负偏压，所以射频溅射装置也可以溅射导体靶。

 在射频溅射装置中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。
射频溅射装置是利用高频电磁辐射来维持低气压（约2.5×10－2Pa）的 辉光放电 。阴极安置在紧贴介质靶材的后面，把高频电压加在靶子上，这样，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射介质材料（靶子）的目的。
 在射频溅射的一个周期内，由于每个电极将交替成为阴极和阳极，对于一个具有两个面积相等金属电极的溅射系统来说，于是受到了等量离子流和电子流轰击，亦即两个电极都有一半的时间受到相同能量的离子流的轰击，显然这种结构的射频溅射系统难以沉积成薄膜。因此，解决问题的方法是使两个电极面积大小不等，即非对称平板型结构。把射频电源接在小电极上，而将大电极和屏蔽罩等相连后接地作为另一电极���这样在小电极处产生的暗区电压降比大电极半暗区压降要大得多。由于暗区压降的大小决定轰击电极的离子能量，如果大电极面积达到足以使流向它的离子能量小于撮射阈能，则在大电极上就不会发生溅射。因而只要用小电极作为靶，而将基片或工件放置在大电极上，就可以进行射频溅射镀膜了。通常射频溅射使用的频率为10～30MHz，目前国际上通用的射频频率为13.56MHz。
 射频溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄膜，获得的薄膜致密、纯度高、与基片附着牢固、溅射速率大、工艺重复性好。常用来沉积各种 合金 膜、磁性膜、超声换能器的铌酸锂和钛酸钡压电薄膜以及其他功能薄膜。

射频溅射

使用直流溅射方法可以很方便地溅射沉积各类金属薄膜，但这一方法的前提之一是靶材具有较好的导电性。由于一定的溅射速率就需要一定的工作电流，因此要用直流溅射方法溅射导电性较差的非金属靶材的话，就需要大幅度地提高直流溅射装置电源的电压。显然，对于导电性很差的非金属材料的溅射，我们需要一种新的溅射方法。
射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法。设想在图3.1中设备的两电极之间接上交流电源时的情况。当交流电源的频率低于50kHz时，气体放电的情况与直流时候的相比没有什么根本的改变，气体中的离子仍可及时到达阴极完成放电过程。**的差别只是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换。这种电位极性的不断交替导致阴极溅射交替式地在两个电极上发生。
当频率超过50kHz以后，放电过程开始出现以下两个变化。**，在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。第二，高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导电体。因此，采用高频电源将使溅射过程摆脱靶材导电性的限制。
一般来说，在溅射中使用的高频电源频率已属于射频范围，其频率区间为5~30MHz。国际上通常采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会（FCC）建议的13.56MHz。
使得射频方法可以被用来产生溅射效应的另一个原因是它可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。
要理解射频电场对于靶材的自偏压效应，我们来看看下图所示的射频溅射装置的示意图。在图中，射频电压通过一个电容C被耙合到了靶材上。由于在射频电场中电子的运动速度比离子的速度高得多，因而对于一个被电容隔离，既可以作为阴极，又可以作为阳极的射频电极来说，它在正半周期内作为正电极接受的电子电量将比在负半周期内作为负电极接受的离子电量多得多，或者说它吸引电子所需要的正电压比吸引离子所需要的负电压在**值上要低得多。这等于是在说，该电极的导电特性相当于一个二极管。   
下面我们分析一下这个电容耦合的电极在射频电场发生周期性变化时的充放电行为。在**个正半周中，电极为跟随电源的电位变化将接受大量的电子，并使其本身带负电。在紧接着的负半周中，它又将接受少量带正电荷但运动较慢的离子。由于该电极是经电容与电源隔离的，因而经过几个周期之后，该电极上将带有相当量的负电荷而呈现负电位。这时，电极的负电位相对电子产生排斥作用，因而在以后电位不断的周期变换过程中，电极所接受的正负电荷数目将趋于相等。
显然，上述电极自发产生负偏压的过程与所用的靶材是否是导体或绝缘体无关。但是对于靶材是金属的情况，电源须经电容C耦台至靶材，以隔绝电荷流通的路径并形成自偏压。
另外，由于射频电压周期性地改变每个电极的电位，因而每个电极都可能因自偏压效应而受到离子轰击。解决这一问题的办法在于加大非溅射极的极面面积，从而降低该极的自偏压鞘层电压。实际的做法常常是将样品台，真空室器壁与地电极并联在一起，形成一个面积很大的电极。在这种情况下，我们可以将两个电极及其中间的等离子体看做是两个电容的串联，其中靶电极与等离子体间的电容因靶面积小而较小，另一电极与等离子体间的电容因电极面积大而较大。这样一来，由于鞘层电压降V与电极面积A的四次方成反比，即
Vc/Vd=(Ad/Ac)^2  
其中，角标c和d分别表示电极是经过电容C或是直接耦合至射频电源。因此，面积较小的靶电极对等离子体拥有较高的负电位或自偏压，而地电极对等离子体的自偏压则很小，其*终效果即形成了一个处于较大的负电位的溅射极以及一个负电位较小的非溅射极。这时衬底及真空室壁受到的离子轰击和产生的溅射效应也将很小。
与直流溅射时的情况相比，射频溅射法由于可以将能量直接耦合给等离子体中的电子，因而其工作气压和对应的靶电压较低，其典型数值为1.0Pa和1000V，靶电流密度约为1.0mA/cm^2，薄膜的沉积速率约为0.5um/min。
与此相仿，在衬底或薄膜本身是绝缘体的情况下，采取对其施加一个射频电压的方法，也可以起到对其施加负偏压的作用。 
 反应溅射二氧化硅与导电膜连镀的气体隔离装置 一种反应溅射二氧化硅与导电膜连镀的气体隔离装置，它是由隔离室和抽气泵组成，隔离室的两侧有镀膜室气体入口，隔离室两侧的镀膜室气体入口上置有阀门，隔离室接抽气泵。由于“气阱”的作用，本实用新型巧妙地使不同镀膜室之间在线联镀时的“串气”现象得到了充分有效的YZ，特别是对于现中频反应溅射SiO2与直流溅射ITO工艺的在线联镀，既保证了SiO2镀膜室的氧需要量，提高沉积速率，又保证不影响ITO镀膜质量。
1 靶中毒
举例来说，在制备TiAlN薄膜时，通入的工作气体N2不但与沉积在工件上的膜层原子反应形成化合物膜，同时还会与靶材（Ti靶、Al靶或复合靶）反应在靶面上形成化合物，产生“靶中毒”现象。此时，入射离子不是在对金属靶材进行溅射，而是在溅射不断形成的表层化合物。因此，反应溅射过程中会出现两种不同的溅射模式，即溅射速率相对较高的金属模式和溅射速率相对很低的化合物模式。靶材形成化合物层造成溅射模式发生上述变化的现象，即称为靶材的中毒。在金属靶面形成的导电性较差的化合物不仅会造成溅射速率及薄膜沉积速率的降低，还会引起溅射工况的变化以及薄膜结构、成分的波动。因此，在上例中确定*优的N2分压值也就显得十分重要。 
2 阳极消失
从靶材溅射出来的物质将会在阳极表面沉积出相应的化合物，阻塞电荷传导的通路，造成电荷的不断积累，*后导致阳极作用的丧失。此时，放电体系的阻抗以及辉光等离子体的分布发生相应变化，放电现象变得很不稳定，溅射过程和所制备的薄膜性能发生波动。
3 靶面和电极间打火（弧光放电）
磁控溅射过程中弧光放电大致可分为三种类型： 
极间放电：
阳极框上绝缘涂层与靶面的弧光放电：
在阴极表面的“轨道放电”。
靶材和阳极表面导电性能的恶化使得靶面和阳极处产生电荷的积累，*后造成化合物层的放电击穿，在靶表面引起弧光放电。在靶材的溅射区和非溅射区之间的边界处，*容易发生打火击穿现象。打火会造成靶材表面的局部熔化和物质颗粒的喷溅。这不仅会缩短靶材的寿命，还会大大增加薄膜中缺陷的密度。
待续：
化合物溅射过程中频繁出现的弧光放电现象长期以来被人们认为是不可克服的问题。近几年开发出一系列实用的新供电模式，例如，A2K（Action Arc Killing）自动灭弧；非对称脉冲电源；中频交流磁控溅射电源等等。中频交流磁控溅射消除了“阳极消失”效应和“阴极中毒”问题，被认为大大提高了磁控溅射运行的稳定性。
磁控溅射膜常见故障的排除
    膜层灰暗及发黑
(1)真空度低于0.67Pa。应将真空度提高到0.13-0.4Pa。
  (2)氩气纯度低于99．9％。应换用纯度为99．99％的氩气。
  (3)充气系统漏气。应检查充气系统，排除漏气现象。
  (4)底漆未充分固化。应适当延长底漆的固化时间。
  (5)镀件放气量太大。应进行干燥和封孔处理
膜层表面光泽暗淡
(1)底漆固化**或变质。应适当延长底漆的固化时间或更换底漆。
  (2)溅射时间太长。应适当缩短。
  (3)溅射成膜速度太快。应适当降低溅射电流或电压

膜层色泽不均
(1)底漆喷涂得不均匀。应改进底漆的施涂方法。
  (2)膜层太薄。应适当提高溅射速度或延长溅射时间。
  (3)夹具设计不合理。应改进夹具设计。
  (4)镀件的几何形状太复杂。应适当提高镀件的旋转速度
膜层发皱、龟裂
(1)底漆喷涂得太厚。应控制在7—lOtan厚度范围内。
  (2)涂料的粘度太高。应适当降低。
  (3)蒸发速度太快。应适当减慢。
  (4)膜层太厚。应适当缩短溅射时间。
  (5)镀件温度太高。应适当缩短对镀件的加温时间
膜层表面有水迹、指纹及灰粒
(1)镀件清洗后未充分干燥。应加强镀前处理。
  (2)镀件表面溅上水珠或唾液。应加强文明生产，操作者应带口罩。
  (3)涂底漆后手接触过镀件，表面留下指纹。应严禁用手接触镀件表面。
  (4)涂料中有颗粒物。应过滤涂料或更换涂料。
  (5)静电除尘失效或喷涂和固化环境中有颗粒灰尘。应更换除尘器，并保持工作环境的清洁
膜层附着力**
(1)镀件除油脱脂不彻底。应加强镀前处理。
  (2)真空室内不清洁。应清洗真空室。值得注意的是，在装靶和拆靶的过程中，严禁用手
或不干净的物体与磁控源接触，以保证磁控源具有较高的清洁度，这是提高膜层结合力的重
要措施之一。
  (3)夹具不清洁。应清洗夹具。
  (4)底涂料选用不当。应更换涂料。
  (5)溅射工艺条件控制不当。应改进溅射工艺条件
圆柱形平面式磁控溅射靶的特点与设计原理
摘要：介绍了一种根据矩形平面靶的结构原理设计圆柱形、平面式磁控溅射靶的方法．并对如何发挥圆柱形、平面式磁控溅射靶的优点进行了分析．
关键词：磁控溅射；靶；真空镀膜
1 磁控溅射技术

  磁控溅射技术是70年代发展起来的一种新型溅射技术，目前已在科研和生产中实际应用．磁控溅射镀膜主要用于电子工业、磁性材料及记录介质、光学及光导通讯等，具有高速、低温、低损伤等优点．高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低，损伤小．

2 磁控溅射镀膜原理与磁控溅射靶

2.1 磁控溅射镀膜原理
  磁控溅射镀膜原理是将磁控溅射靶放在真空室内，在阳极(真空室)和阴极靶(被沉积的材料)之间加上足够的直流电压，形成一定强度的静电场E．然后再在真空室内充入氩气，在静电场E的作用下，氩气电离并产生高能的氩离子A+r和二次电子e1．高能的A+r在电场E的作用下加速飞向溅射靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材表面发生溅射．在溅射粒子中，中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜
  由于磁场B的作用，一方面在阴极靶的周围，形成一个高密度的辉光等离子区，在该区域电离出大量的A+r来轰击靶的表面，溅射出大量的金属粒子向工件表面沉积；另一方面，二次电子e1在加速飞向靶表面的同时，受到磁场B的洛伦兹力作用，以摆线和螺旋线的复合形式在靶表面作圆周运动．随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低，传给基片的能量很小，故基片的温升较低．当溅射量达到一定程度后，靶表面的材料也就被消耗掉，形成拓宽的腐蚀环形凹状区［1］．
2.2 磁控溅射靶在镀膜过程中的重要作用
  磁控溅射靶是真空磁控溅射镀膜的核心部件，它的重要作用主要表现在以下两个方面(1)对于大面积表面的镀膜，磁控溅射靶影响着膜层的均匀性与重复性；(2)当膜层材料为贵重金属时，靶的结构决定着靶材(形成薄膜的材料)，即该贵重金属的利用率．

3 常用的磁控溅射靶及其优缺点

3.1 矩形平面靶
  矩形平面靶的结构简图如图2所示［1］，磁场方向与靶面阴极平行，形成环形磁场，该磁场与电场E正交．当真空室内充入氩气后，便被电离放电，放电产生的 A+r离子轰击阴极(靶)的表面．二次电子e1受磁场B的洛仑兹力作用，沿垂直于磁力线方向运动(如图3所示)．这些电子运动路径长，增加了气体分子磁撞的机会，使气体的电离几率增加，进而增大了溅射速率．  
 
 
矩形平面靶的特点是结构简单，通用性强，膜层均匀性与重复性好．但缺点是靶材的利用率低，一般约为20%［2］左右．当辉光区，即磁力线分布区域的靶材消耗到一定程度时，将形成条形凹坑，靶材体变薄，凹坑深度达到一定程度时，靶材就不能继续使用．
3.2 同轴圆柱形磁控溅射靶
  同轴圆柱形磁控溅射靶如图4所示［2］，磁力线平行于靶表面，并与电场E正交．磁力线与靶表面封闭的空间就是约束电子运动的等离子区域．该区域为一环形空间，由图可以看出，同轴圆柱形磁控溅射靶有多个环形空间．
  同轴圆柱形磁控测射靶的优点是结构紧凑，靶材利用率较平面矩形靶高．但缺点是在溅射时，整个靶表面上为多个辉光环，不能形成连续的条形辉光，故在镀制大面积的膜层时，膜层表面的均匀性差，很难满足要求．

4 圆柱形、平面式磁控溅射靶的设计思路

4.1 原理
  把矩形平面磁控靶的结构原理应用到圆柱形磁控溅射靶中，设计的磁控溅射靶称为圆柱形、平面式磁控溅射靶．它兼有平面矩形靶和同轴圆柱靶两者的优点．即镀膜的均匀性好，和靶材利用率较高．
  将两个矩形平面靶绕X轴(见图2)卷曲成半圆形，并将其合扰，如图5所示，即初步完成了平面矩形靶向圆柱形、平面式磁控溅射靶的演变．X轴变成了轴心线，磁力线在圆柱体的表面上形成了4条封闭的空间，即约束二次电子e1运动的等离子区域．
4.2 要解决的技术问题
  在把矩形平面靶演变成圆柱形、平面式靶的过程中，矩形平面靶中沿X轴方向布置的磁铁变成了圆柱形、平面式靶中沿轴线方向分布的磁铁．而平面矩形靶中垂直于X 轴的端头磁铁A端从理论上讲，应变成圆环形磁铁A环，而且其充磁方向应该是圆环内表面和外表面，即内外表面应分别为S极和N极，如图6所示．然而，这种充磁方法几乎是办不到的．因此，设计圆柱形、平面式磁控溅射靶，解决两端的磁场问题是成功的关键．
 采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，即用轴向充磁的环形磁铁(两端面分别为S极和N极)，在端面加一导磁材料制做的环形“极靴”，根据磁力线沿表面分布这一特点可知：这时磁力线是沿“极靴” 的外圆表面发射的，即“极靴”代替了磁铁的一个磁极．而“极靴”的外圆表面发射的磁力线，正好与所希望的理想环形磁铁的磁力线方向相同．由此可知，用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与极靴的原理，可解决圆柱形、平面式磁控溅射靶端部磁场与中间段磁场的连接问题．
 
5 圆柱形、平面式磁控溅射靶与矩形靶工作状况对比

  平面矩形靶在靶面上形成一条封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑(如图8所示)．
  圆柱形、平面式磁控溅射靶在靶面上形成两组(四条)对称的封闭的环形辉光带，随着靶材的消耗，将在靶材表面上形成与辉光区对应的环状腐蚀凹坑(如图9所示)．

6 圆柱形、平面式磁控溅射靶的优势

  与其它形式的磁控溅射靶相比，圆柱形、平面式磁控溅射靶在保留了矩形平面靶镀膜均匀性好的优点的同时，可通过以下两条途径*大限度地提高靶材的利用率， (1)当靶材表面的2组(四条)环状凹坑达到一定深度时，可将靶芯(磁体部分)相对靶管旋转45°，这样就可以对靶管上另外没有腐蚀过的区域进行利用； (2)当圆柱形、平面式磁控溅射靶的靶芯设计成转靶芯时，(溅射时靶芯在旋转)，可将靶材表面一层一层均匀地溅射掉，而不会产生凹坑，此时，靶材将得到*有效的利用，靶材的利用率可达50%～60%．当靶材为贵重金属材料时，这无疑是具有重大意义的［2］．

7 结论

  通过采用同轴圆柱形磁控溅射靶中磁铁与靴的原理来解决端部磁场问题，可以将矩形平面靶演变成圆柱形、平面式磁控溅射靶．该靶在保留矩形平面靶镀膜均匀性好的情况下，可*大限度地提高靶材的利用率．从而提高经济效益