乱谈磁控溅射

其中，HIPIMS：高功率脉冲磁控溅射high power impulse magnetron sputtering，MFMS：中频磁控溅射middle frequency magnetron sputtering，CFUBMS：闭合场非平衡磁控溅射closed field unbalanced magnetron sputtering，UBMS：非平衡磁控溅射unbalanced magnetron sputtering，IBAMS：离子束辅助磁控溅射ion beam aiding magnetron sputtering，HCM：空心阴极磁控溅射hollow cathode sputtering，ICPMS：感应耦合等离子磁控溅射inductively coupled plasma magnetron sputtering。

（一）磁控溅射工艺原理

相对于其它的制备工艺（如CVD、PLD、Spray pyrolysis等），磁控溅射是目前制备薄膜最为常用的方法之一。概括起来磁控溅射主要具有如下优点[20]：

较低的制备温度（可室温沉积）； 较高的成膜质量，与衬底附着力好； 可控性好，具有较高的沉积速率；

可溅射沉积具有不同蒸汽压的合金与化合物； 成本较低，重复性好，可实现规模化大面积生产。

本贴对一般性溅射过程原理部分从略，其详细介绍可参考文献[147-150]，而主要结合制备AZO薄膜的情况，重点对磁控靶构造、磁路设计和部分表观工艺参数（external parameters）与微观/等离子体参数（plasma parameters）的关系做一简要评述。

按照构造的不同，磁控溅射靶可以分为圆柱靶和平面靶两类，制备AZO薄膜通常使用的是平面靶，所以以下重点讨论平面靶。磁控溅射技术的主要原理就是：同时应用一定强度的磁场（～50－200mT，能显著影响电子运动但不影响离子的运动）和电场（负偏压，约几百V），可以将等离子体（主要是电子）约束在靶面附近（形成非均匀等离子体），增加碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压（～0.1－10Pa）和电压下就能起弧/维持辉光放电，而且同时减少了电子对基片的轰击，利于实现低温沉积[149]；另一方面，这种非均匀等离子体也本质上决定了靶面的非均匀刻蚀以及沉积粒子流量（大致表现为薄膜沉积速率）和能量分布的空间非均匀性，但这可以通过优化磁控靶结构构造、磁场位形强度分布和移动基片等措施，在一定程度上予以改善弥补或尽量达到所需参数。 等离子体微观工艺参数 磁控溅射通常选择“异常辉光放电区”为工作区域，辉光放电典型的等离子体参数如图1(a)

[20]

所示。其中重要的等离子参数/微观工艺参数主要有: 离子流量/能量/角度分布(Ion flux/energy/angle distribution)、中性溅射原子流量/能量/角度分布(neutral sputtered atom flux/energy/angle distribution)、电子温度/密度（Electron temperature/density）、ji /jn比、以及电场电势分布（如图1(b)所示：鞘层压降Vdc、等离子体空间电位Vp、基片浮点电位Vfl等）等等。这些参数直接影响决定了沉积薄膜生长、结构性能。

比如典型地，对于反应溅射AZO薄膜，当阴极压降在300～500V，工作气压在10-1～10Pa时，背景气体Ar平均能量为～0.026eV,密度为1019-1020m-3，鞘层Ar+平均能量在～0.733Vdc[155]；氧气压在～10-2量级，密度为1018-1019m-3；电子温度2-5eV；溅射出的原子多数是呈中性的，能量在～1-10eV量级，在基片处的密度在1016-1017m-3量级。

准确的测量出各种等离子体微观工艺参数比较复杂和需要专门的检测仪器[152-153]（如Langmuir probes, optical emission spectroscopy, mass and energy spectroscopy）。简化处理，多数研究者表征粒子流量分布采用ji /jn比值这个参数（其中ji值可以用Langmuir探针测得的离子电流密度来推测到，jn值可以根据沉积速率、薄膜密度、原子量计算出来[185]）；离子能量分布一方面除了采用专用仪器直接测得，另一方面简单的根据Langmuir探针测得等离子体空间电位和基底浮点电位（或零点位或偏压），取其差值就是近似的平均离子能量[154]；而实验难以测量的中性溅射原子能量/流量分布主要可以通过Monte Carlo程序模拟计算得到[155]。

磁控阴极的非平衡度（The unbalance level of a magnetron）

等离子体参数显著地影响着沉积薄膜的生长、显微组织结构及其性能，研究磁控阴极的等离子体特性是非常必要的。重要的等离子参数主要包括基片处饱和离子电流密度Ji、电子温度以及电场电势分布（如鞘层压降Vdc、等离子体空间电位Vp、基片悬浮电位Vfl）等。已有研究表明磁控阴极的等离子体特性与其磁场位形分布密切相关。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[151]。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，增加碰撞几率，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，基片区域所受离子轰击较小，通常Ji在～10-1 mA/cm2量级。另一方面，鉴于已有研究表明低能离子轰击对薄膜生长具有非常重要的作用[213]，因此，在某些情况下为了得到更佳质量的薄膜，需要进一步增强基片区域的离子轰击强度以及反应气体的离化率。为此在1986年Window等[151]提出了非平衡磁控溅射技术概念，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基片区域，从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片区域的等离子体密度和气体电离率，通常Ji可以达到～1-10 mA/cm2量级[1

52]

。此技术在制备硬质薄膜如TiN等领域得到广泛应用，但同时由于靶面磁力线约束电子

能力减弱，等离子体阻抗增加，起辉溅射电压上升；此外，相对地靶材刻蚀跑道变窄，靶材利用率较低。

磁场零点位置和磁场强度分布共同决定磁体系统的非平衡程度。衡量磁控阴极非平衡程度用系数K评价[152]；但为方便起见，如图3-2和表3-1所示：常简单地采用几何非平衡度系数KG来度量，即：KG =2 Z0/W，其中，Z0为磁场零点（null point）到磁铁上表面的距离，W为两外围磁铁之间距离。

研究[152,153]表明，KG或K与等离子体参数之间存在一定关系。主要结论有：1） 基片处饱和离子电流密度Ji随着KG减小（K增大）而增大（其中一定范围内随K是线性增加的），从～10-1 mA/cm2

量级增加到～1-10 mA/cm2 量级；2）

空间电位Vp、悬浮电位Vf也可能随之改变，相应的改变入射粒子能量。这样可以根据镀膜所需Ji等等离子体参数确定相应所需的KG或K系数，然后调整磁控阴极的磁路分布即可实现。但需要说明地是，KG的变化即磁场位形变化，同时也影响着磁控阴极伏安特性和靶材的刻蚀跑道范围。

磁控阴极非平衡度的改变主要可通过两种途径：1）改变磁控阴极磁路分布，如磁控阴极内外永磁铁磁场强度比值、形状、几何尺寸、排列位置等，或者用电磁线圈代替磁钢；2）外加电磁线圈，可以放置在磁控阴极的附近或基片处等[152]，通过改变电磁线圈电流/位置来控制。实际应用中常采用相关磁场软件模拟来迅捷确定设计所需某一特定非平衡度要求的磁控阴极磁路结构。 磁控溅射过程模拟

近年来一些工作者[161-164]对磁控溅射过程进行了模拟，试图一方面得到等离子体参数/微观工艺参数，如基片处离子流量/能量分布、以及通过实验方法难以测量的中性溅射原子的能量/流量/入射角度分布数据等，以期对溅射薄膜沉积生长得以更深刻的理解；或另一方面作为强有力的设计工具对磁控溅射系统进行优化设计，如改善大面积沉积薄膜均匀性、靶材利用率和控制基片处的等离子参数等。

磁控溅射过程主要分为磁控管磁场位型模拟、等离子体模拟、溅射模拟、粒子输运过程模拟四部分。其中磁场位型模拟主要采用有限元方法（FEM）[161]；等离子体模拟常采用Particle-in-cell/Monte Carlo collision (PIC/MCC)方法[162]；溅射可以采用MD或者Monte Carlo[163]方法；粒子输运过程模拟采用Monte Carlo[155]方法进行模拟。

磁控阴极的靶材利用率

磁控阴极前闭合磁场使得辉光强等离子体约束在闭合磁力线以下，这本征上决定了靶材表面的非均匀刻蚀，即较低的靶材利用率（典型地<30%），随之溅射出的沉积粒子流量和能量的空间不均匀分布，导致沉积薄膜厚度和性能的空间不均匀分布。当前提高磁控阴极靶材利用率的原理主要基于改变靶面闭合磁场位形，方法上大致分为静态方法和动态方法，如图3-3所示：

静态方法主要有优化磁控阴极的结构和“分流设计”(Shunted Design)技术[155]。前者主要包括：1）调整常规磁控阴极的各部分参数[153]； 2）采用新的磁控阴极结构。如S.Ejima等[156]提出了一种“磁拱顶”(Magnetic Dome)结构，它能在整个圆形靶面范围内实现靶材的均匀刻蚀，缺点是磁钢排布困难。后者分流设计是通过在靶材和磁极之间一定位置处放置尺寸一定的磁导率薄片，使得靶面附近的磁场分布更加均匀，以提高靶材利用率，延长靶的寿命，并使得溅射过程更加稳定。但这种设计会降低靶面的水平磁场强度，溅射速率会有所下降；同时，导磁片结构参数和安装位置的确定也有一定难度。

动态方法主要是通过移动磁轭和移动磁钢两种方法，其中移动模式又分为旋转和往复移动两种方式。主要原理都是动态地变换靶面闭合磁场分布，以改变靶面强局域等离子体的刻蚀区域，拓宽靶材刻蚀跑道，提高靶材利用率和薄膜均匀性，但是这种方法同时也增加了磁控阴极的结构复杂性以及制造难度。 比如如下图移动磁钢的：

磁控阴极的磁路模拟

如前所说，理想设计流程大致可由上图确定，首先确定设计结构，计算磁控管磁路分布；然后模拟等离子体分布，进而对整个溅射和沉积输运过程进行模拟；最后根据模拟结果（靶面刻蚀轮廓、膜厚均匀性和磁控管的阻抗特性等反馈信息）来分析该设计结构的合理性。若模拟结果合理，则作为最终设计；反之，修改相应的结构参数并重复以上过程。其中首要地就是磁控阴极磁路分布的设计模拟。鉴于目前准确模拟磁控辉光等离子体比较困难，因此很多是采用直接通过FEM磁路模拟结果再加上实际经验来定性判断设计结构的合理性。

磁控阴极的特性很大程度上取决于阴极磁路分布。虽然原理上可以通过特斯拉计测量磁控靶面的磁场分布，但事实上由于存在较大测量误差以及很大的工作量（理想的需要借助三维特斯拉计），因此主要采用磁控阴极电磁场模拟结果来分析设计。电磁场由一组麦克斯韦方程组描述，电磁场的分析/求解也就是寻求麦克斯韦方程组的解。电磁场模拟主要采取两种方法：有限差分法和有限元法。其中有限元法更为常用，有限元(FEM)的基本原理：把求解的区域划分成若干小区域，这些小区域称为“单元”或“有限元”，从而采用线形/非线形方法求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和便得到整个区域的解。目前有很多可以对电磁场进行有限元分析的软件，但多数是比较容易进行2D FEM 模拟，实际要得到准确的信息，理想的需要3D FEM模拟，这个就通常需要就现有的软件进行二次开发。

比如2D FEM模拟示意图

3D FEM模拟示意图

磁场模拟过程中，材料特性取值的选择对模拟结果的准确性具有重要影响。此外其实从技术难度上来说，模拟出常见磁控阴极的磁场分布是比较简单的，没什么值得保密的。关键是知道什么样的磁路分布好，在什么样的工艺条件下需要什么样的磁路分布，具体工艺的考量，这点在要想得到好用合适的磁控阴极的设计制造都需要考虑的。这方面需要很多实践经验外，还需要后续的其他模拟，此外，对工艺方面的深入理解，也是需要的（个人观点）。现在国外有的公司能做到根据软件模拟，不需要每次都实际实践，很快捷的直接得出想要得到的特定阴极设计目标。

比如英国GENCOA，可以做到根据磁场模拟，不经等离子体实际测试，直接计算就可以得到不同状态下的信息，比如溅射靶材刻蚀跑道形貌。个人猜想在模拟软件的编写过程中，应当是以之前大量实践经验做一定修正反馈为前提的：

从上面的帖子内容也可以一定看出，磁控阴极远不是我们以前想象的那么简单，就是几块磁钢加靶体，能点燃辉光，大致溅射跑道比较宽就完了，其中的细节和需要考虑因素很多，才能做出一个好的合适的磁控阴极，这也是一个好的磁控阴极价值所在，也是很多厂家并不怕他人仿造的原因，因为很多东西没有完全理解，是很难仿造成功，换一个工艺条件，用途，另一个尺寸，就会相应的改变一些，而磁路设计等差之毫厘，实际结果就谬以千里了。但是，好像国内大家都对磁控阴极不是太重视；下周将继续就镀膜工艺方面对磁控阴极设计方面的需要大致说说自己的浅显理解，权当抛砖引玉，也望XDJM们就自己的实际感受，谈些这方面的经验和心得，否则自己一个人胡言乱语也不好玩了 呵呵。

关于绝缘薄膜的溅射沉积与磁控阴极的设计。

绝缘薄膜的沉积，以前通常是采用RF射频溅射沉积，但是存在一个RF电源昂贵、最大功率、沉积速率、辐射等方面的缺点。所以，人们想到了用反应溅射的方法，采用单质导电靶材加反应气体溅射得到绝缘化合物薄膜，比如氧化物sio2、TiO2、Al2O3等薄膜.。主要目的是，提高沉积速率和可以采用便宜的DC电源。但是在实际应用中，面临着很多棘手的问题，如： 阳极消失问题。 靶中毒问题。

局部打火arcing问题。 沉积速率稳定控制问题。

薄膜组分化学计量比控制问题。 长期工艺薄膜质量重复性问题。 等等。

首先，看阳极消失问题；所谓阳极消失，就是通常我们在溅射过程中，把真空腔体接地做为阳极，磁控靶是阴极，当沉积一段时间后，腔体内表面覆盖上一层绝缘的薄膜后，阳极不导电了，整个电路回路中断了，因此溅射过程不能持续，产生断辉。解决方法，这个现在我们都比较熟悉了，以前有采用隐藏阳极，现在多数自90年代中期德国公司推出中频技术后，采用中频技术可以很好的解决这个问题。如下图示意所示，大家都很熟悉，不再啰嗦。这个主要是电源角度来解决的。

靶中毒问题。当反应气体过量，靶表面，化合物形成的速度高于被溅射的速度时，单质靶面逐渐就会被一层化和物所覆盖，产生所谓靶中毒现象，后果就是辉光不稳定，靶面打火arcing、严重时辉光熄灭，此外，沉积速率也变为非常低，甚至降一个数量级。解决方法，是除了采用脉冲电源有一定的作用外，关键的就是控制反应气体的进量了。对不同的化合物薄膜不一样，这个涉及到气体反馈控制方面才能精确的控制，待后再予以阐述。

打火arcing问题。这里的打火arcing是主要指在使用了中频电源，以及排除靶中毒引起的之外，很多时候仍然发现阴极靶面仍然时常有少量的打火arcing现象。这个产生的原因是：中频电源技术只是解决了阳极消失和磁控靶面刻蚀跑到区电荷释放的问题，而我们知道通常靶面大部分地方是没有被刻蚀的，而这部分同样随着溅射过程的进行，未刻蚀区表面覆盖一层绝缘薄膜，而在上面同样会形成电荷累计，当到一定程度后就会释放，而这个释放

过程表现出来就是arcing打火。这个后果是什么呢，就是沉积所得的薄膜在微观电镜下发觉表面有大颗粒，有点类似电弧离子镀产生的大颗粒一样，示意图可以见下面所示。另一方面，也会造成电源数值的波动，引起工艺的波动，这在需要较高薄膜质量时是要考虑的问题。而这个是大家通常忽略的。

那么它的解决方法呢。这方面就需要从磁控阴极设计的方面考虑了，单纯是采用中频电源技术是不能完全解决的。比如拓宽靶面的刻蚀跑道，采用全靶面刻蚀，如下图所示。或者关注阳极方面的设计，在此不再阐述。

采用全靶面刻蚀，磁控靶面图片：

辉光照片：

靶材刻蚀照片：

以下是引用jack_wl1123在2007-12-15 21:13:00的发言：

兄弟看到你的贴子的确很好，那小弟有个问题请教一下，在溅镀过程中时间过久的话会有一些膜屑脱落，那个人想法用什么办法可以将靶材边框和阴极绝缘掉，中间可以使用什么材料。 谢谢！！

请问你说的边框是指什么？压条边框吗，就我看到的通常是和靶材一样都是处于负电位，有屏蔽罩的情况下通常不会产生边框溅射。请问你所使用的阳极部分是怎么设计的？ 溅镀过程中时间过久的话

会有一些膜屑脱落，可能需要定时清理和采用立式的构造 或许能减少这个影响。

以下是引用r1533在2007-12-17 9:35:00的发言：

仁兄幸苦了，呵呵，我们讨论一下你前面说的话题（平衡溅射和非平衡溅射），用简单的话描述一下就是逃逸出磁场束缚区的二次电子（带能量的）数量的多少，来区分平衡和非平衡的。如果我们采用同样一个磁控靶（不论是平衡还是非平衡的），改变靶面和基片的距离，是否可以得到平衡溅射和非平衡溅射，这是我个人的观点，如有不对的地方还请仁兄指正。

的确，非平衡的效果或初衷是增强基片处的离子轰击强渡。基片靠近磁控阴极靶面也相对的轰击密度增强，但是，很多情况需要考虑薄膜的膜厚均匀性等方面，太近后通常均匀性会显著变差，鱼和熊掌不可兼得，如何确定是个多因素平衡的结果。此外，只是靠调整靶基距，这样所达到增强基片轰击的倍数也是有限的。而调节磁场通常可以在一到两个数量级的变化。关注一个参数，这个是容易的，关键在于知道做什么膜系的时候需要知道什么样的非平衡度比较适合，此外就是如何多方面的性能参数近可能的兼顾，比如通常调非平衡后，磁控阴极的伏安特性、溅射靶材利用率、基片薄膜均匀性等等方面都有所变化或逊色，假如不采取其他措施的话，实际设计时应该需要全面考虑的，当然通常很多用户似乎也没有这个意识，不关心或重视细节这些方面，所有经常性的产生换一台设备就觉得工艺可能大相径庭，很大部分原因就是在此。愚解。