PVD技术-磁控溅射

磁控溅射是一种涉及气态等离子体的沉积技术，该等离子体产生并限制在包含待沉积材料的目标空间。靶材表面被等离子体中的高能离子侵蚀，释放的原子穿过真空环境沉积在基板上形成薄膜。

在典型的溅射沉积工艺中，首先将腔室抽真空至高真空以最小化所有背景气体和潜在污染物。达到基础压力后，包含等离子体气体流入腔室，并使用压力控制系统调节腔室压力 - 通常在0.1至5Pa范围内。

为了启动等离子体的产生，在阴极和阳极之间施加高电压。溅射气体中存在的电子被加速离开阴极，导致与附近的溅射气体原子发生碰撞。这些碰撞会引起静电排斥，从溅射气体原子中分散出电子，从而导致电离。正溅射气体原子向带负电的阴极加速，与靶材表面的高能碰撞。这些碰撞中的每一次都可能导致目标表面的原子以足够的动能喷射到真空环境中，到达基板表面。为了促进尽可能多的高能碰撞——从而提高沉积速率——溅射气体通常选择为高分子量气体，例如氩气或氙气。如果需要反应溅射工艺，也可以在薄膜生长过程中将氧气或氮气等气体引入腔室。

图一：磁控溅射原理

磁控溅射源通过非常强的磁体将等离子体中的电子限制在靶材表面附近，从而限制电子不仅会导致更高密度的等离子体和增加的沉积速率，而且还可以防止这些电子直接影响基板或生长薄膜而造成的损坏。

磁控溅射不需要对源材料进行熔化和蒸发，与其他 PVD ​​技术相比具有许多优势：首先，几乎所有材料都可以通过磁控溅射沉积，无论其熔化温度多少，也可以根据基材和涂层的要求对源进行缩放和定位在腔室中的任何位置；还可以沉积合金和化合物薄膜同时保持与源材料相似的成分。

直流溅射：

直流溅射是一种物理气相沉积技术，是沉积金属或透明导电氧化物 (TCO) 等导电材料的有效且经济的选择。在半导体、光学和工业镀膜行业具有广泛的应用。脉冲直流溅射对金属和介电涂层的溅射特别有效。直流溅射是一种应用金属涂层的经济有效的方法，金属靶涂层是导电体。

图二：直流溅射

射频溅射：

绝缘材料的溅射沉积不能用直流电源完成。氧化物、氮化物和陶瓷等材料具有非常大的直流阻抗，并且需要极高的电压来点燃和维持等离子体。但这些材料的阻抗会随着施加功率的频率而变化。使用以射频 (RF) 传输的功率（通常为 13.56 MHz）和自动阻抗匹配网络，电路的总阻抗可调节至 50 Ω，适用于非导电体的溅射。常见半导体制程的介电材料沉积都采用射频溅射，如氧化铝、氧化硅和氧化钽等。

图三：RF溅射弧光                                     图四：非导电靶材

与直流溅射一样，射频溅射通过真空室中的惰性气体运行高能波，该惰性气体被电离。靶材或阴极受到这些高能离子的轰击，这些高能离子溅射出原子，形成覆盖待涂基材的精细喷雾。射频磁控溅射使用负阴极后面的磁铁将电子捕获在带负电的靶材上，这样它们就不会自由地轰击基板，从而实现更快的沉积速率。

使用射频溅射改变电势，可以在每次溅射前清除靶材表面的电荷积聚。且在正循环中RF 溅射可以在整个腔室中以较低的压力 (1-15毫乇) 维持等离子体。使更少的电离气体碰撞等于更多有效的近似直线的沉积。

因为射频放电的交流性质，电子受磁场的限制较少，因此使用射频溅射，跑道的宽度和深度要小得多。等离子扩散得更多，产生更大、更宽和更浅的赛道。这样可以更好、更均匀、更有效地利用靶材，而不会产生“跑道”现象的深度蚀刻。

图五：溅射中的“跑道”现象

反应溅射：

磁控溅射也可以使用非惰性气体，例如氧气或氮气来代替惰性气体（氩气），或者用惰性气体（氩气）完成此点火后，电离的非惰性气体可以与目标材料蒸气云发生化学反应，并产生一种分子化合物，然后成为沉积膜。用氧气反应溅射的硅靶可以产生氧化硅膜，或者用氮气可以产生氮化硅膜。在这个过程中反应气体在室内的分布很重要。惰性气体原子可以重复使用，是电离、中和再次电离的过程。反应气体被化学反应后消耗形成所需的产物化合物。为了产生一致性好反应的膜层，需要将气体均匀地注入阴极周围。