详解磁控溅射技术

一、磁控溅射的工作原理：

磁控溅射是一种常用的物理气相沉积（PVD）的方法，具有沉积温度低、沉积速度快、所沉积的薄膜均匀性好，成分接近靶材成分等众多优点。

磁控溅射的工作原理是：在高真空的条件下充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁） 之间施加几百K 直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使氩气发生电离（在高压作用下Ar 原子电离成为Ar+离子和电子），入射离子（Ar+）在电场的作用下轰击靶材，使得靶材表面的中性原子或分子获得足够动能脱离靶材表面，沉积在基片表面形成薄膜。而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，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar+ 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下Z终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，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。

二、磁控溅射优点：

（1）沉积速率快，沉积效率高，适合工业生产大规模应用；在沉积大部分的金属薄膜，尤其是沉积高熔点的金属和氧化物薄膜时，如溅射钨、铝薄膜和反应溅射TiO2、ZrO2薄膜，具有很高的沉积率。

（2）基片温度低，适合塑料等不耐高温的基材镀膜；

（3）制备的薄膜纯度高、致密性好、薄膜均匀性好、膜基结合力强。溅射薄膜与基板有着极好的附着力，机械强度也得到了改善；溅射的薄膜聚集密度普遍提高了，从显微照片看，溅射的薄膜表面微观形貌比较精致细密，而且非常均匀。

（4）可制备金属、合金、半导体、铁磁材料、绝缘体（氧化物、陶瓷）等薄膜；

（5））溅射的薄膜均具有优异的性能。如溅射的金属膜通常能获得良好的光学性能、电学性能及某些特殊性能；

（6）环保无污染。传统的湿法电镀会产生废液、废渣、废气，对环境造成严重的污染。不产生环境污染、生产效率高的磁控溅射镀膜法则可较好解决这一难题。

三、磁控溅射技术的分类：

（一）磁控溅射按照电源的不同，可以分为直流磁控溅射（DC）和射频磁控溅射（RF）。

　　顾名思义，直流磁控溅射运用的是直流电源，射频磁控溅射运用的是交流电源（射频属于交流范畴，频率是13.56MHz。我们平常的生活中用电频率为50Hz）。

　　两种方式的用途不太一样，直流磁控溅射一般用于导电型（如金属）靶材的溅射，射频一般用于非导电型（如陶瓷化合物）靶材的溅射。

　　两种方式的不同应用

　　直流磁控溅射只能用于导电的靶材（靶材表面在空气中或者溅射过程中不会形成绝缘层的靶材），并不局限于金属。譬如，对于铝靶，它的表面易形成不导电的氧化膜层，造成靶表面电荷积累（靶中毒），严重时直流溅射无法进行。这时候，就需要射频电源，简单的说，用射频电源的时候，有一小部分时间是在冲抵靶上积累的电荷，不会发生靶中毒。

　　射频磁控溅射一般都是针对绝缘体的靶材或者导电性相对较差的靶材，利用同一周期内电子比正离子速度快进而沉积到靶材上的电子数目比正离子数目多从而建立起自偏压对离子进行加速实现靶的溅射。

　　两种方式的特点：

　　1、直流溅射：对于导电性不是很好的金属靶，很难建立较高的自偏压，正离子无法获得足够的能量去轰击靶材

　　2、射频的设备贵，直流的便宜。

（二）磁控溅射按照磁场结构，可以分为平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。

平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+ 离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。

但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60 mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。

非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300 mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量。

非平衡磁控溅射系统有两种结构，一种是其芯部磁场强度比外环高，磁力线没有闭合，被引向真空室壁，基体表面的等离子体密度低，因此该方式很少被采用。另一种是外环磁场强度高于芯部磁场强度，磁力线没有完全形成闭合回路，部分外环的磁力线延伸到基体表面，使得部分二次电子能够沿着磁力线逃逸出靶材表面区域，同时再与中性粒子发生碰撞电离，等离子体不再被完全限制在靶材表面区域，而是能够到达基体表面，进一步增加镀膜区域的离子浓度，使衬底离子束流密度提高，通常可达5 mA/cm2 以上。这样溅射源同时又是轰击基体表面的离子源，基体离子束流密度与靶材电流密度成正比，靶材电流密度提高，沉积速率提高，同时基体离子束流密度提高，对沉积膜层表面起到一定的轰击作用。

非平衡磁控溅射离子轰击在镀膜前可以起到清洗工件的氧化层和其他杂质，活化工件表面的作用，同时在工件表面上形成伪扩散层，有助于提高膜层与工件表面之间的结合力。在镀膜过程中，载能的带电粒子轰击作用可达到膜层的改性目的。比如，离子轰击倾向于从膜层上剥离结合较松散的和凸出部位的粒子，切断膜层结晶态或凝聚态的优势生长，从而生更致密，结合力更强，更均匀的膜层，并可以较低的温度下镀出性能优良的镀层。该技术被广泛应用于制备各种硬质薄膜。

（三）反应磁控溅射：以金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极，在溅射过程中或在基片表面沉积成膜过程中与气体粒子反应生成化合物薄膜，这就是反应磁控溅射。反应磁控溅射广泛应用于化合物薄膜的大批量生产，这是因为：

（1）反应磁控溅射所用的靶材料 ( 单元素靶或多元素靶 ) 和反应气体 ( 氧、氮、碳氢化合物等 ) 纯度很高，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。

（2）通过调节反应磁控溅射中的工艺参数 , 可以制备化学配比或非化学配比的化合物薄膜，通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性。

（3）反应磁控溅射沉积过程中基板升温较小，而且制膜过程中通常也不要求对基板进行高温加热，因此对基板材料的限制较少。

（4） 反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜，并能实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。

四、磁控溅射的应用：

磁控溅射技术是一种非常有效的沉积镀膜方法，非常广泛的用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。可被用于制备金属、半导体、铁磁材料、绝缘体（氧化物、陶瓷）等多材料，尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜；在溅射的放电气中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；且设备简单、镀膜面积大和附着力强。

磁控溅射目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术,溅射技术上的不断发展和对新功能薄膜的探索研究,使磁控溅射应用延伸到许多生产和科研领域。

（1）在微电子领域作为一种非热式镀膜技术,主要应用在化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长困难及不适用的材料薄膜沉积,而且可以获得大面积非常均匀的薄膜。包括欧姆接触的Al、Cu、Au、W、Ti等金属电极薄膜及可用于栅绝缘层或扩散势垒层的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介质薄膜沉积。

（2）磁控溅射技术在光学薄膜(如增透膜)、低辐射玻璃和透明导电玻璃等方面也得到应用。在透明导电玻璃在玻璃基片或柔性衬底上,溅射制备SiO2薄膜和掺杂ZnO或InSn氧化物(ITO)薄膜，使可见光范围内平均光透过率在90%以上。透明导电玻璃广泛应用于平板显示器件、太阳能电池、微波与射频屏蔽装置与器件、传感器等。

（3）在现代机械加工工业中,利用磁控溅射技术制作表面功能膜、超硬膜，自润滑薄膜，能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能，从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。

磁控溅射除上述已被大量应用的领域,还在高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳能电池、记忆合金薄膜研究方面发挥重要作用。

五、磁控溅射的实用案例：

图1 磁控溅射制备的MoS2薄膜，相比于CVD法，成功在低温下制备了垂直片层的MoS2薄膜

图2 磁控溅射法制备SiC多层薄膜用于锂电池正极，可得到有均匀调制周期和调制比的多层薄膜