文章來(lái)源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了磁控濺射的原理、類型和關(guān)鍵工藝參數(shù)。

磁控濺射（Magnetron Sputtering）是一種廣泛應(yīng)用的物理氣相沉積（PVD）工藝，是制造半導(dǎo)體、磁盤驅(qū)動(dòng)器和光學(xué)膜層的主要薄膜沉積方法。其核心特點(diǎn)在于利用磁場(chǎng)控制并增強(qiáng)濺射過(guò)程，具有沉積速率快、基片溫升低、膜層損傷小等顯著優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)60年代后期科研人員引入磁場(chǎng)以來(lái)，該技術(shù)歷經(jīng)發(fā)展優(yōu)化，現(xiàn)已成為電子、光學(xué)、機(jī)械加工等多個(gè)領(lǐng)域不可或缺的薄膜制備技術(shù)。

核心原理

磁控濺射的核心過(guò)程發(fā)生在真空室內(nèi)。靶材置于陰極，沉積基片置于陽(yáng)極附近。真空室充入適量惰性氣體（如氬氣）。在陰極和陽(yáng)極（通常為鍍膜室壁）之間施加直流電壓（或射頻電壓），引發(fā)輝光放電：氣體分子在高電壓下電離，形成帶正電的Ar?離子和電子。

Ar?離子在電場(chǎng)加速下轟擊靶材表面，通過(guò)動(dòng)量傳遞將靶材原子或分子“濺射”出來(lái)。這些被濺射出的粒子飛向基片并沉積形成薄膜。

磁場(chǎng)的關(guān)鍵作用在于約束電子： 在靶材后方設(shè)置永磁體（或電磁線圈）產(chǎn)生特定分布的磁場(chǎng)。由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，離子幾乎不受磁場(chǎng)直接影響。但磁場(chǎng)迫使電子圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)（或稱擺線運(yùn)動(dòng)、E×B漂移），極大地延長(zhǎng)了電子在靶材表面附近等離子體區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑和停留時(shí)間。

這種約束效應(yīng)顯著增加了電子與氬氣原子碰撞電離的幾率，從而在較低的氣體壓力下也能產(chǎn)生并維持高密度的等離子體。結(jié)果是：產(chǎn)生更多高能量的Ar?離子轟擊靶材，大幅提高了濺射效率和沉積速率。同時(shí)，二次電子能量在碰撞中逐漸耗盡，最終低能量沉積到基片上，使得基片溫升較低。

磁控濺射技術(shù)的類型

磁控濺射技術(shù)根據(jù)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要分為兩類：

1.平衡磁控濺射

靶材后方放置磁場(chǎng)強(qiáng)度相近的磁體（芯部與外環(huán)），在靶表面形成閉合的磁場(chǎng)線環(huán)。等離子體被強(qiáng)烈約束在靶面附近（約60mm范圍），濃度隨距離靶面增加而迅速下降。這要求工件放置在距靶面50-100mm范圍內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是鍍膜均勻性好，特別適合半導(dǎo)體、光學(xué)膜等要求高均勻性的應(yīng)用。缺點(diǎn)是處理大工件或高裝爐量受限，且濺射粒子能量較低，沉積膜層可能較疏松、結(jié)合力較弱。

2.非平衡磁控濺射

磁體配置使磁場(chǎng)不完全閉合。常見的是外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于芯部，部分磁力線從靶材邊緣延伸到基片方向。這使得部分二次電子能沿磁力線逃逸靶面區(qū)域，并在路徑上與中性粒子碰撞電離，將等離子體引向基片表面（可達(dá)200-300mm）。顯著提高了基片附近的離子濃度（離子束流密度通?？蛇_(dá)5mA/cm2以上）。非平衡濺射的優(yōu)勢(shì)在于：

離子輔助沉積： 基片沉浸在等離子體中，高能離子轟擊基片表面，在鍍膜前可清洗氧化層、活化工件表面；在鍍膜過(guò)程中，轟擊作用能剝離松散粒子、抑制柱狀生長(zhǎng)，促進(jìn)形成更致密、結(jié)合力更強(qiáng)、更均勻的膜層，甚至在較低溫度下也能獲得優(yōu)良性能。

改善膜基結(jié)合力： 特別適用于耐磨、裝飾等需要強(qiáng)結(jié)合力的硬質(zhì)薄膜。

根據(jù)電源類型主要分為：

1.直流磁控濺射（DC）

使用直流電源，成本較低，適用于導(dǎo)電性良好的靶材（金屬等）。但對(duì)于易氧化形成絕緣層的靶材（如鋁），表面電荷積累可能導(dǎo)致“靶中毒”，影響濺射。

2.射頻磁控濺射（RF，13.56MHz）

使用交流射頻電源，通過(guò)周期性抵消靶面電荷積累，有效避免靶中毒。適用于絕緣體或?qū)щ娦圆畹陌胁模ㄈ缪趸?、陶瓷）。設(shè)備成本通常高于直流。

關(guān)鍵工藝參數(shù)

濺射閾值： 濺射靶材原子所需入射離子的最小能量，主要取決于靶材本身。濺射產(chǎn)額（平均每個(gè)入射離子濺射出的靶原子數(shù)）隨離子能量變化呈現(xiàn)特定規(guī)律：150eV前與能量平方成正比；150eV-1keV間與能量成正比；1keV-10keV變化不大；>10keV則下降。

濺射產(chǎn)額： 受靶材原子序數(shù)（周期性變化）、入射離子種類（隨原子序數(shù)周期性增加）、離子入射角度（70°-80°時(shí)最大）和靶材溫度（特定溫度范圍外會(huì)急劇增加）影響顯著。

膜厚均勻性： 是磁控濺射的核心考量。主要受磁場(chǎng)均勻性和工作氣體（氬氣）分布均勻性影響：磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域膜厚大；氣壓大的區(qū)域膜厚大。實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、氣體分布的絕對(duì)均勻性在實(shí)際裝置中困難，因此優(yōu)化磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和氣體流場(chǎng)至關(guān)重要。

應(yīng)用領(lǐng)域

磁控濺射因其設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、鍍膜面積大、附著力強(qiáng)、可沉積材料廣泛（金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物等），尤其適合高熔點(diǎn)、低蒸汽壓材料，已成為應(yīng)用最廣泛的薄膜沉積技術(shù)之一：

微電子領(lǐng)域： 作為一種非熱式鍍膜技術(shù)，用于CVD/MOCVD生長(zhǎng)困難或不適用的材料?？沙练e大面積均勻的薄膜，包括用于歐姆接觸的Al、Cu、Au、W、Ti等金屬電極薄膜，以及用于柵絕緣層或擴(kuò)散勢(shì)壘層的TiN、Ta?O?、TiO、Al?O?、ZrO?、AlN等介質(zhì)薄膜。

光學(xué)領(lǐng)域： 用于制備增透膜、低輻射玻璃、透明導(dǎo)電玻璃（如ITO薄膜）等。在玻璃或柔性襯底上濺射SiO?膜和摻雜ZnO或ITO膜，可實(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)平均光透過(guò)率90%以上。透明導(dǎo)電玻璃廣泛應(yīng)用于平板顯示、太陽(yáng)能電池、屏蔽器件和傳感器。

機(jī)械加工與表面工程： 用于沉積表面功能膜、超硬膜、自潤(rùn)滑膜等。這些薄膜能有效提高工件表面的硬度、復(fù)合韌性、耐磨性和抗高溫化學(xué)穩(wěn)定性，顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

前沿研究與新興領(lǐng)域： 在高溫超導(dǎo)薄膜、鐵電薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發(fā)光材料、太陽(yáng)能電池、記憶合金薄膜等研究領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。

磁控濺射技術(shù)通過(guò)巧妙地利用磁場(chǎng)約束等離子體，實(shí)現(xiàn)了高效率、低損傷的薄膜沉積。隨著平衡與非平衡濺射、直流與射頻濺射等技術(shù)的不斷完善，以及對(duì)新材料新工藝的持續(xù)探索，磁控濺射必將在更多的高科技產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域展現(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用價(jià)值，成為現(xiàn)代工業(yè)與科研中“不可忽視的一環(huán)”。