亂談磁控濺射

磁控濺射技術(shù)是目前最重要的工業(yè)化大面積真空鍍膜技術(shù)之一。濺射技術(shù)的歷史發(fā)展如圖3-1所示，從中可以看出發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要來自：降低工藝成本、解決工藝難題和滿足進(jìn)一步提高薄膜性能的工藝參數(shù)優(yōu)化。前者關(guān)注于靶材利用率、沉積速率、薄膜均勻性以及濺射過程穩(wěn)定性等方面的問題；后者由于低能離子轟擊在薄膜沉積過程中的重要作用，主要要求增加濺射原子離化率和能獨(dú)立控制/調(diào)節(jié)微觀等離子體工藝參數(shù)等，以更好地滿足實(shí)際鍍膜工藝中的多種需求。其中，HIPIMS：高功率脈沖磁控濺射highpowerimpulsemagnetronsputtering，MFMS：中頻磁控濺射middlefrequencymagnetronsputtering，CFUBMS：閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射closedfieldunbalancedmagnetronsputtering，UBMS：非平衡磁控濺射unbalancedmagnetronsputtering，IBAMS：離子束輔助磁控濺射ionbeamaidingmagnetronsputtering，HCM：空心陰極磁控濺射hollowcathodesputtering，ICPMS：感應(yīng)耦合等離子磁控濺射inductivelycoupledplasmamagnetronsputtering。（一）磁控濺射工藝原理相對(duì)于其它的制備工藝（如CVD、PLD、Spraypyrolysis等），磁控濺射是目前制備薄膜最為常用的方法之一。概括起來磁控濺射主要具有如下優(yōu)點(diǎn)[20]：較低的制備溫度（可室溫沉積）；較高的成膜質(zhì)量，與襯底附著力好；可控性好，具有較高的沉積速率；可濺射沉積具有不同蒸汽壓的合金與化合物；成本較低，重復(fù)性好，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；竺娣e生產(chǎn)。本貼對(duì)一般性濺射過程原理部分從略，其詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[147-150]，而主要結(jié)合制備AZO薄膜的情況，重點(diǎn)對(duì)磁控靶構(gòu)造、磁路設(shè)計(jì)和部分表觀工藝參數(shù)（externalparameters）與微觀/等離子體參數(shù)（plasmaparameters）的關(guān)系做一簡(jiǎn)要評(píng)述。按照構(gòu)造的不同，磁控濺射靶可以分為圓柱靶和平面靶兩類，制備AZO薄膜通常使用的是平面靶，所以以下重點(diǎn)討論平面靶。磁控濺射技術(shù)的主要原理就是：同時(shí)應(yīng)用一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)（～50－200mT，能顯著影響電子運(yùn)動(dòng)但不影響離子的運(yùn)動(dòng)）和電場(chǎng)（負(fù)偏壓，約幾百V），可以將等離子體（主要是電子）約束在靶面附近（形成非均勻等離子體），增加碰撞幾率，提高了離化效率，因而能在較低的工作氣壓（～0.1－10Pa）和電壓下就能起弧/維持輝光放電，而且同時(shí)減少了電子對(duì)基片的轟擊，利于實(shí)現(xiàn)低溫沉積[149]；另一方面，這種非均勻等離子體也本質(zhì)上決定了靶面的非均勻刻蝕以及沉積粒子流量（大致表現(xiàn)為薄膜沉積速率）和能量分布的空間非均勻性，但這可以通過優(yōu)化磁控靶結(jié)構(gòu)構(gòu)造、磁場(chǎng)位形強(qiáng)度分布和移動(dòng)基片等措施，在一定程度上予以改善彌補(bǔ)或盡量達(dá)到所需參數(shù)。等離子體微觀工藝參數(shù)

磁控濺射通常選擇“異常輝光放電區(qū)”為工作區(qū)域，輝光放電典型的等離子體參數(shù)如圖1(a)所示[20]。其中重要的等離子參數(shù)/微觀工藝參數(shù)主要有:離子流量/能量/角度分布(Ionflux/energy/angledistribution)、中性濺射原子流量/能量/角度分布(neutralsputteredatomflux/energy/angledistribution)、電子溫度/密度（Electrontemperature/density）、ji/jn比、以及電場(chǎng)電勢(shì)分布（如圖1(b)所示：鞘層壓降Vdc、等離子體空間電位Vp、基片浮點(diǎn)電位Vfl等）等等。這些參數(shù)直接影響決定了沉積薄膜生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)性能。比如典型地，對(duì)于反應(yīng)濺射AZO薄膜，當(dāng)陰極壓降在300～500V，工作氣壓在10-1～10Pa時(shí)，背景氣體Ar平均能量為～0.026eV,密度為1019-1020m-3，鞘層Ar+平均能量在～0.733Vdc[155]；氧氣壓在～10-2量級(jí)，密度為1018-1019m-3；電子溫度2-5eV；濺射出的原子多數(shù)是呈中性的，能量在～1-10eV量級(jí)，在基片處的密度在1016-1017m-3量級(jí)。準(zhǔn)確的測(cè)量出各種等離子體微觀工藝參數(shù)比較復(fù)雜和需要專門的檢測(cè)儀器[152-153]（如Langmuirprobes,opticalemissionspectroscopy,massandenergyspectroscopy）。簡(jiǎn)化處理，多數(shù)研究者表征粒子流量分布采用ji/jn比值這個(gè)參數(shù)（其中ji值可以用Langmuir探針測(cè)得的離子電流密度來推測(cè)到，jn值可以根據(jù)沉積速率、薄膜密度、原子量計(jì)算出來[185]）；離子能量分布一方面除了采用專用儀器直接測(cè)得，另一方面簡(jiǎn)單的根據(jù)Langmuir探針測(cè)得等離子體空間電位和基底浮點(diǎn)電位（或零點(diǎn)位或偏壓），取其差值就是近似的平均離子能量[154]；而實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的中性濺射原子能量/流量分布主要可以通過MonteCarlo程序模擬計(jì)算得到[155]。磁控陰極的非平衡度（Theunbalancelevelofamagnetron）

等離子體參數(shù)顯著地影響著沉積薄膜的生長(zhǎng)、顯微組織結(jié)構(gòu)及其性能，研究磁控陰極的等離子體特性是非常必要的。重要的等離子參數(shù)主要包括基片處飽和離子電流密度Ji、電子溫度以及電場(chǎng)電勢(shì)分布（如鞘層壓降Vdc、等離子體空間電位Vp、基片懸浮電位Vfl）等。已有研究表明磁控陰極的等離子體特性與其磁場(chǎng)位形分布密切相關(guān)。磁控陰極按照磁場(chǎng)位形分布不同，大致可分為平衡態(tài)和非平衡磁控陰極[151]。平衡態(tài)磁控陰極內(nèi)外磁鋼的磁通量大致相等，兩極磁力線閉合于靶面，很好地將電子/等離子體約束在靶面附近，增加碰撞幾率，提高了離化效率，因而在較低的工作氣壓和電壓下就能起輝并維持輝光放電，靶材利用率相對(duì)較高，但由于電子沿磁力線運(yùn)動(dòng)主要閉合于靶面，基片區(qū)域所受離子轟擊較小，通常Ji在～10-1mA/cm2量級(jí)。另一方面，鑒于已有研究表明低能離子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)具有非常重要的作用[213]，因此，在某些情況下為了得到更佳質(zhì)量的薄膜，需要進(jìn)一步增強(qiáng)基片區(qū)域的離子轟擊強(qiáng)度以及反應(yīng)氣體的離化率。為此在1986年Window等[151]提出了非平衡磁控濺射技術(shù)概念，即讓磁控陰極外磁極磁通大于內(nèi)磁極，兩極磁力線在靶面不完全閉合，部分磁力線可沿靶的邊緣延伸到基片區(qū)域，從而部分電子可以沿著磁力線擴(kuò)展到基片，增加基片區(qū)域的等離子體密度和氣體電離率，通常Ji可以達(dá)到～1-10mA/cm2量級(jí)[152]。此技術(shù)在制備硬質(zhì)薄膜如TiN等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)由于靶面磁力線約束電子能力減弱，等離子體阻抗增加，起輝濺射電壓上升；此外，相對(duì)地靶材刻蝕跑道變窄，靶材利用率較低。

磁場(chǎng)零點(diǎn)位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布共同決定磁體系統(tǒng)的非平衡程度。衡量磁控陰極非平衡程度用系數(shù)K評(píng)價(jià)[152]；但為方便起見，如圖3-2和表3-1所示：常簡(jiǎn)單地采用幾何非平衡度系數(shù)KG來度量，即：KG=2Z0/W，其中，Z0為磁場(chǎng)零點(diǎn)（nullpoint）到磁鐵上表面的距離，W為兩外圍磁鐵之間距離。研究[152,153]表明，KG或K與等離子體參數(shù)之間存在一定關(guān)系。主要結(jié)論有：1）

基片處飽和離子電流密度Ji隨著KG減?。↘增大）而增大（其中一定范圍內(nèi)隨K是線性增加的），從～10-1mA/cm2

量級(jí)增加到～1-10mA/cm2

量級(jí)；2）

空間電位Vp、懸浮電位Vf也可能隨之改變，相應(yīng)的改變?nèi)肷淞Ｗ幽芰?。這樣可以根據(jù)鍍膜所需Ji等等離子體參數(shù)確定相應(yīng)所需的KG或K系數(shù)，然后調(diào)整磁控陰極的磁路分布即可實(shí)現(xiàn)。但需要說明地是，KG的變化即磁場(chǎng)位形變化，同時(shí)也影響著磁控陰極伏安特性和靶材的刻蝕跑道范圍。磁控陰極非平衡度的改變主要可通過兩種途徑：1）改變磁控陰極磁路分布，如磁控陰極內(nèi)外永磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度比值、形狀、幾何尺寸、排列位置等，或者用電磁線圈代替磁鋼；2）外加電磁線圈，可以放置在磁控陰極的附近或基片處等[152]，通過改變電磁線圈電流/位置來控制。實(shí)際應(yīng)用中常采用相關(guān)磁場(chǎng)軟件模擬來迅捷確定設(shè)計(jì)所需某一特定非平衡度要求的磁控陰極磁路結(jié)構(gòu)。磁控濺射過程模擬近年來一些工作者[161-164]對(duì)磁控濺射過程進(jìn)行了模擬，試圖一方面得到等離子體參數(shù)/微觀工藝參數(shù)，如基片處離子流量/能量分布、以及通過實(shí)驗(yàn)方法難以測(cè)量的中性濺射原子的能量/流量/入射角度分布數(shù)據(jù)等，以期對(duì)濺射薄膜沉積生長(zhǎng)得以更深刻的理解；或另一方面作為強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具對(duì)磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如改善大面積沉積薄膜均勻性、靶材利用率和控制基片處的等離子參數(shù)等。磁控濺射過程主要分為磁控管磁場(chǎng)位型模擬、等離子體模擬、濺射模擬、粒子輸運(yùn)過程模擬四部分。其中磁場(chǎng)位型模擬主要采用有限元方法（FEM）[161]；等離子體模擬常采用Particle-in-cell/MonteCarlocollision(PIC/MCC)方法[162]；濺射可以采用MD或者M(jìn)onteCarlo[163]方法；粒子輸運(yùn)過程模擬采用MonteCarlo[155]方法進(jìn)行模擬。

磁控陰極的靶材利用率磁控陰極前閉合磁場(chǎng)使得輝光強(qiáng)等離子體約束在閉合磁力線以下，這本征上決定了靶材表面的非均勻刻蝕，即較低的靶材利用率（典型地<30%），隨之濺射出的沉積粒子流量和能量的空間不均勻分布，導(dǎo)致沉積薄膜厚度和性能的空間不均勻分布。當(dāng)前提高磁控陰極靶材利用率的原理主要基于改變靶面閉合磁場(chǎng)位形，方法上大致分為靜態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法，如圖3-3所示：

靜態(tài)方法主要有優(yōu)化磁控陰極的結(jié)構(gòu)和“分流設(shè)計(jì)”(ShuntedDesign)技術(shù)[155]。前者主要包括：1）調(diào)整常規(guī)磁控陰極的各部分參數(shù)[153]；2）采用新的磁控陰極結(jié)構(gòu)。如S.Ejima等[156]提出了一種“磁拱頂”(MagneticDome)結(jié)構(gòu)，它能在整個(gè)圓形靶面范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靶材的均勻刻蝕，缺點(diǎn)是磁鋼排布困難。后者分流設(shè)計(jì)是通過在靶材和磁極之間一定位置處放置尺寸一定的磁導(dǎo)率薄片，使得靶面附近的磁場(chǎng)分布更加均勻，以提高靶材利用率，延長(zhǎng)靶的壽命，并使得濺射過程更加穩(wěn)定。但這種設(shè)計(jì)會(huì)降低靶面的水平磁場(chǎng)強(qiáng)度，濺射速率會(huì)有所下降；同時(shí)，導(dǎo)磁片結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置的確定也有一定難度。

動(dòng)態(tài)方法主要是通過移動(dòng)磁軛和移動(dòng)磁鋼兩種方法，其中移動(dòng)模式又分為旋轉(zhuǎn)和往復(fù)移動(dòng)兩種方式。主要原理都是動(dòng)態(tài)地變換靶面閉合磁場(chǎng)分布，以改變靶面強(qiáng)局域等離子體的刻蝕區(qū)域，拓寬靶材刻蝕跑道，提高靶材利用率和薄膜均勻性，但是這種方法同時(shí)也增加了磁控陰極的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及制造難度。

比如如下圖移動(dòng)磁鋼的：磁控陰極的磁路模擬

如前所說，理想設(shè)計(jì)流程大致可由上圖確定，首先確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，計(jì)算磁控管磁路分布；然后模擬等離子體分布，進(jìn)而對(duì)整個(gè)濺射和沉積輸運(yùn)過程進(jìn)行模擬；最后根據(jù)模擬結(jié)果（靶面刻蝕輪廓、膜厚均勻性和磁控管的阻抗特性等反饋信息）來分析該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。若模擬結(jié)果合理，則作為最終設(shè)計(jì)；反之，修改相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并重復(fù)以上過程。其中首要地就是磁控陰極磁路分布的設(shè)計(jì)模擬。鑒于目前準(zhǔn)確模擬磁控輝光等離子體比較困難，因此很多是采用直接通過FEM磁路模擬結(jié)果再加上實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來定性判斷設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

磁控陰極的特性很大程度上取決于陰極磁路分布。雖然原理上可以通過特斯拉計(jì)測(cè)量磁控靶面的磁場(chǎng)分布，但事實(shí)上由于存在較大測(cè)量誤差以及很大的工作量（理想的需要借助三維特斯拉計(jì)），因此主要采用磁控陰極電磁場(chǎng)模擬結(jié)果來分析設(shè)計(jì)。電磁場(chǎng)由一組麥克斯韋方程組描述，電磁場(chǎng)的分析/求解也就是尋求麥克斯韋方程組的解。電磁場(chǎng)模擬主要采取兩種方法：有限差分法和有限元法。其中有限元法更為常用，有限元(FEM)的基本原理：把求解的區(qū)域劃分成若干小區(qū)域，這些小區(qū)域稱為“單元”或“有限元”，從而采用線形/非線形方法求解每個(gè)小區(qū)域，然后把各個(gè)小區(qū)域的結(jié)果總和便得到整個(gè)區(qū)域的解。目前有很多可以對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析的軟件，但多數(shù)是比較容易進(jìn)行2DFEM模擬，實(shí)際要得到準(zhǔn)確的信息，理想的需要3DFEM模擬，這個(gè)就通常需要就現(xiàn)有的軟件進(jìn)行二次開發(fā)。比如2DFEM模擬示意圖

3DFEM模擬示意圖

磁場(chǎng)模擬過程中，材料特性取值的選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要影響。此外其實(shí)從技術(shù)難度上來說，模擬出常見磁控陰極的磁場(chǎng)分布是比較簡(jiǎn)單的，沒什么值得保密的。關(guān)鍵是知道什么樣的磁路分布好，在什么樣的工藝條件下需要什么樣的磁路分布，具體工藝的考量，這點(diǎn)在要想得到好用合適的磁控陰極的設(shè)計(jì)制造都需要考慮的。這方面需要很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，還需要后續(xù)的其他模擬，此外，對(duì)工藝方面的深入理解，也是需要的（個(gè)人觀點(diǎn)）?，F(xiàn)在國外有的公司能做到根據(jù)軟件模擬，不需要每次都實(shí)際實(shí)踐，很快捷的直接得出想要得到的特定陰極設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如英國GENCOA，可以做到根據(jù)磁場(chǎng)模擬，不經(jīng)等離子體實(shí)際測(cè)試，直接計(jì)算就可以得到不同狀態(tài)下的信息，比如濺射靶材刻蝕跑道形貌。個(gè)人猜想在模擬軟件的編寫過程中，應(yīng)當(dāng)是以之前大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做一定修正反饋為前提的：

從上面的帖子內(nèi)容也可以一定看出，磁控陰極遠(yuǎn)不是我們以前想象的那么簡(jiǎn)單，就是幾塊磁鋼加靶體，能點(diǎn)燃輝光，大致濺射跑道比較寬就完了，其中的細(xì)節(jié)和需要考慮因素很多，才能做出一個(gè)好的合適的磁控陰極，這也是一個(gè)好的磁控陰極價(jià)值所在，也是很多廠家并不怕他人仿造的原因，因?yàn)楹芏鄸|西沒有完全理解，是很難仿造成功，換一個(gè)工藝條件，用途，另一個(gè)尺寸，就會(huì)相應(yīng)的改變一些，而磁路設(shè)計(jì)等差之毫厘，實(shí)際結(jié)果就謬以千里了。但是，好像國內(nèi)大家都對(duì)磁控陰極不是太重視；下周將繼續(xù)就鍍膜工藝方面對(duì)磁控陰極設(shè)計(jì)方面的需要大致說說自己的淺顯理解，權(quán)當(dāng)拋磚引玉，也望XDJM們就自己的實(shí)際感受，談些這方面的經(jīng)驗(yàn)和心得，否則自己一個(gè)人胡言亂語也不好玩了

呵呵。關(guān)于絕緣薄膜的濺射沉積與磁控陰極的設(shè)計(jì)。絕緣薄膜的沉積，以前通常是采用RF射頻濺射沉積，但是存在一個(gè)RF電源昂貴、最大功率、沉積速率、輻射等方面的缺點(diǎn)。所以，人們想到了用反應(yīng)濺射的方法，采用單質(zhì)導(dǎo)電靶材加反應(yīng)氣體濺射得到絕緣化合物薄膜，比如氧化物sio2、TiO2、Al2O3等薄膜.。主要目的是，提高沉積速率和可以采用便宜的DC電源。但是在實(shí)際應(yīng)用中，面臨著很多棘手的問題，如：陽極消失問題。靶中毒問題。局部打火arcing問題。沉積速率穩(wěn)定控制問題。薄膜組分化學(xué)計(jì)量比控制問題。長(zhǎng)期工藝薄膜質(zhì)量重復(fù)性問題。等等。首先，看陽極消失問題；所謂陽極消失，就是通常我們?cè)跒R射過程中，把真空腔體接地做為陽極，磁控靶是陰極，當(dāng)沉積一段時(shí)間后，腔體內(nèi)表面覆蓋上一層絕緣的薄膜后，陽極不導(dǎo)電了，整個(gè)電路回路中斷了，因此濺射過程不能持續(xù)，產(chǎn)生斷輝。解決方法，這個(gè)現(xiàn)在我們都比較熟悉了，以前有采用隱藏陽極，現(xiàn)在多數(shù)自90年代中期德國公司推出中頻技術(shù)后，采用中頻技術(shù)可以很好的解決這個(gè)問題。如下圖示意所示，大家都很熟悉，不再啰嗦。這個(gè)主要是電源角度來解決的。

靶中毒問題。當(dāng)反應(yīng)氣體過量，靶表面，化合物形成的速度高于被濺射的速度時(shí)，單質(zhì)靶面逐漸就會(huì)被一層化和物所覆蓋，產(chǎn)生所謂靶中毒現(xiàn)象，后果就是輝光不穩(wěn)定，靶面打火arcing、嚴(yán)重時(shí)輝光熄滅，此外，沉積速率也變?yōu)榉浅５?，甚至降一個(gè)數(shù)量級(jí)。解決方法，是除了采用脈沖電源有一定的作用外，關(guān)鍵的就是控制反應(yīng)氣體的進(jìn)量了。對(duì)不同的化合物薄膜不一樣，這個(gè)涉及到氣體反饋控制方面才能精確的控制，待后再予以闡述。打火arcing問題。這里的打火arcing是主要指在使用了中頻電源，以及排除靶中毒引起的之外，很多時(shí)候仍然發(fā)現(xiàn)陰極靶面仍然時(shí)常有少量的打火arcing現(xiàn)象。這個(gè)產(chǎn)生的原因是：中頻電源技術(shù)只是解決了陽極消失和磁控靶面刻蝕跑到區(qū)電荷釋放的問題，而我們知道通常靶面大部分地方是沒有被刻蝕的，而這部分同樣隨著濺射過程的進(jìn)行，未刻蝕區(qū)表面覆蓋一層絕緣薄膜，而在上面同樣會(huì)形成電荷累計(jì)，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭群缶蜁?huì)釋放，而這個(gè)釋放過程表現(xiàn)出來就是arcing打火。這個(gè)后果是什么呢，就是沉積所得的薄膜在微觀電鏡下發(fā)覺表面有大顆粒，有點(diǎn)類似電弧離子鍍產(chǎn)生的大顆粒一樣，示意圖可以見下面所示。另一方面，也會(huì)造成電源數(shù)值的波動(dòng)，引起工藝的波動(dòng)，這在需要較高薄膜質(zhì)量時(shí)是要考慮的問題。而這個(gè)是大家通常忽略的。

那么它的解決方法呢。這方面就需要從磁控陰極設(shè)計(jì)的方面考慮了，單純是采用中頻電源技術(shù)是不能完全解決的。比如拓寬靶面的刻蝕跑道，采用全靶面刻蝕，如下圖所示?；蛘哧P(guān)注陽極方面的設(shè)計(jì)，在此不再闡述。

采用全靶面刻蝕，磁控靶面圖片：輝光照片：靶材刻蝕照片：

以下是引用jack_wl1123在2007-12-1521:13:00的發(fā)言：