文章來源：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、類型和關鍵工藝參數。

磁控濺射（Magnetron Sputtering）是一種廣泛應用的物理氣相沉積（PVD）工藝，是制造半導體、磁盤驅動器和光學膜層的主要薄膜沉積方法。其核心特點在于利用磁場控制并增強濺射過程，具有沉積速率快、基片溫升低、膜層損傷小等顯著優勢。自20世紀60年代后期科研人員引入磁場以來，該技術歷經發展優化，現已成為電子、光學、機械加工等多個領域不可或缺的薄膜制備技術。

核心原理

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

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

磁場的關鍵作用在于約束電子： 在靶材后方設置永磁體（或電磁線圈）產生特定分布的磁場。由于離子質量遠大于電子，離子幾乎不受磁場直接影響。但磁場迫使電子圍繞磁力線做螺旋運動（或稱擺線運動、E×B漂移），極大地延長了電子在靶材表面附近等離子體區域內的運動路徑和停留時間。

這種約束效應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生并維持高密度的等離子體。結果是：產生更多高能量的Ar?離子轟擊靶材，大幅提高了濺射效率和沉積速率。同時，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。

磁控濺射技術的類型

磁控濺射技術根據磁場結構主要分為兩類：

1.平衡磁控濺射

靶材后方放置磁場強度相近的磁體（芯部與外環），在靶表面形成閉合的磁場線環。等離子體被強烈約束在靶面附近（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。其優點是鍍膜均勻性好，特別適合半導體、光學膜等要求高均勻性的應用。缺點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、結合力較弱。

2.非平衡磁控濺射

磁體配置使磁場不完全閉合。常見的是外環磁場強度高于芯部，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200-300mm）。顯著提高了基片附近的離子濃度（離子束流密度通常可達5mA/cm2以上）。非平衡濺射的優勢在于：

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；在鍍膜過程中，轟擊作用能剝離松散粒子、抑制柱狀生長，促進形成更致密、結合力更強、更均勻的膜層，甚至在較低溫度下也能獲得優良性能。

改善膜基結合力： 特別適用于耐磨、裝飾等需要強結合力的硬質薄膜。

根據電源類型主要分為：

1.直流磁控濺射（DC）

使用直流電源，成本較低，適用于導電性良好的靶材（金屬等）。但對于易氧化形成絕緣層的靶材（如鋁），表面電荷積累可能導致“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。適用于絕緣體或導電性差的靶材（如氧化物、陶瓷）。設備成本通常高于直流。

關鍵工藝參數

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。濺射產額（平均每個入射離子濺射出的靶原子數）隨離子能量變化呈現特定規律：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。

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

膜厚均勻性： 是磁控濺射的核心考量。主要受磁場均勻性和工作氣體（氬氣）分布均勻性影響：磁場強度大的區域膜厚大；氣壓大的區域膜厚大。實現電場、磁場、氣體分布的絕對均勻性在實際裝置中困難，因此優化磁場設計和氣體流場至關重要。

應用領域

磁控濺射因其設備相對簡單、鍍膜面積大、附著力強、可沉積材料廣泛（金屬、半導體、絕緣體、化合物等），尤其適合高熔點、低蒸汽壓材料，已成為應用最廣泛的薄膜沉積技術之一：

微電子領域： 作為一種非熱式鍍膜技術，用于CVD/MOCVD生長困難或不適用的材料。可沉積大面積均勻的薄膜，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散勢壘層的TiN、Ta?O?、TiO、Al?O?、ZrO?、AlN等介質薄膜。

光學領域： 用于制備增透膜、低輻射玻璃、透明導電玻璃（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，可實現可見光范圍內平均光透過率90%以上。透明導電玻璃廣泛應用于平板顯示、太陽能電池、屏蔽器件和傳感器。

機械加工與表面工程： 用于沉積表面功能膜、超硬膜、自潤滑膜等。這些薄膜能有效提高工件表面的硬度、復合韌性、耐磨性和抗高溫化學穩定性，顯著延長產品使用壽命。

前沿研究與新興領域： 在高溫超導薄膜、鐵電薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜等研究領域也發揮著重要作用。

磁控濺射技術通過巧妙地利用磁場約束等離子體，實現了高效率、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的不斷完善，以及對新材料新工藝的持續探索，磁控濺射必將在更多的高科技產業和基礎研究領域展現其強大的生命力和應用價值，成為現代工業與科研中“不可忽視的一環”。