磁控溅射常见问题及解决方案：靶中毒、放电不稳定、薄膜均匀性差

一、靶中毒

1.1 问题定义

靶中毒是指在反应磁控溅射过程中，由于反应气体的引入，靶材表面与反应气体发生化学反应，形成化合物覆盖层，导致溅射速率显著下降、甚至放电异常的现象。

1.2 中毒机理

靶中毒的本质是靶材表面活性位点被反应产物占据，阻碍了氩离子对靶材原子的有效溅射。具体机理可细分为：

化学吸附与反应： 反应气体分子（如氧气、氮气）在靶材表面发生吸附，并在氩离子轰击或靶材温度的作用下，与靶材原子发生化学反应，生成氧化物、氮化物等化合物。
化合物层累积： 生成的化合物层通常具有较低的溅射产额，且可能改变靶材表面电势，进一步降低溅射效率。随着反应溅射的进行，化合物层不断累积，最终导致靶中毒现象愈发严重。
二次电子发射系数变化： 靶材表面化合物层的形成，会改变靶材的二次电子发射系数，影响等离子体放电特性，可能导致放电模式转变或不稳定。

1.3 中毒表征与诊断

靶中毒的典型表征包括：

溅射速率显著下降： 在相同工艺参数下，薄膜沉积速率明显降低，生产效率降低。
工作电压升高或放电功率下降： 为了维持恒定电流或功率，需要提高溅射电压，或者在恒压模式下，放电功率会显著下降。
薄膜成分偏差： 靶中毒可能导致薄膜化学计量比偏离预期，影响薄膜性能。
靶材表面颜色变化： 金属靶材表面可能出现氧化或氮化颜色，如金属铝靶表面可能出现白色氧化铝层。

诊断靶中毒可以结合以下手段：

工艺参数监控： 实时监控溅射电压、电流、功率等参数，观察其变化趋势。
膜厚监控： 在线或离线测量薄膜厚度，评估溅射速率变化。
靶材表面分析： 采用XPS、AES等表面分析技术，分析靶材表面成分，确认化合物层的存在和成分。
残余气体分析 (RGA)： 分析真空腔体内的残余气体成分，判断是否存在异常反应气体泄漏或释放。

1.4 解决方案

解决靶中毒问题，应从抑制中毒发生和解除已中毒靶材两方面入手：

1.4.1 抑制中毒发生的策略：

精确控制反应气体流量： 采用闭环反馈控制系统，精确控制反应气体流量，避免反应气体过量引入。
- 反应气体比例控制： 根据工艺需求，优化反应气体与惰性气体比例，降低反应气体分压。
- 脉冲反应气体注入： 采用脉冲式反应气体注入方式，在保证反应效果的前提下，减少反应气体平均流量。

优化预溅射工艺： 在正式溅射前，进行充分的预溅射，去除靶材表面的氧化层、污染物，活化靶材表面。
- 延长预溅射时间： 根据靶材和真空条件，适当延长预溅射时间。
- 提高预溅射功率： 采用较高功率进行预溅射，提升清洗效率。
预溅射工艺示意图：氩离子轰击靶材表面
选择抗中毒能力强的靶材： 在满足性能要求的前提下，选择抗中毒能力较强的靶材，例如：
- 金属氧化物靶材： 直接使用金属氧化物靶材进行反应溅射，可降低靶中毒风险。
- 合金靶材： 采用合金靶材，调整靶材表面成分，提升抗中毒能力。
提高靶材温度： 通过加热靶材，降低反应气体在靶材表面的吸附系数，减少化合物生成。
- 控制靶材温度： 将靶材温度控制在适当范围，避免温度过高导致其他问题。
- 优化冷却系统： 改进靶材冷却系统，提升冷却效率，平衡靶材温度。
带加热功能的磁控溅射靶示意图

1.4.2 解除已中毒靶材的方法：

延长预溅射时间： 对于轻度中毒靶材，延长预溅射时间，利用氩离子溅射去除表面化合物层。
提高预溅射功率： 采用更高功率进行预溅射，加速化合物层去除。
化学清洗： 对于中毒严重的靶材，可能需要采用化学清洗方法，去除靶材表面的化合物层。
- 选择合适的清洗剂： 根据靶材和化合物成分，选择合适的化学清洗剂。
- 控制清洗条件： 严格控制清洗温度、时间和浓度，避免对靶材造成损伤。
化学清洗靶材示意图

离子束刻蚀： 采用离子束刻蚀技术，精确去除靶材表面化合物层。
- 选择合适的离子源： 根据靶材材质和刻蚀需求，选择合适的离子源和刻蚀参数。
- 控制刻蚀深度： 精确控制刻蚀深度，避免过度刻蚀损伤靶材。
离子束刻蚀靶材示意图

二、放电不稳定

2.1 问题定义

磁控溅射放电不稳定是指在溅射过程中，等离子体放电出现异常波动或模式转变，导致溅射过程无法稳定进行，薄膜质量下降的现象。

2.2 不稳定类型与成因

放电不稳定主要包括以下类型：

辉光放电模式转变： 正常辉光放电突然转变为弧光放电，表现为放电电压骤降、电流急剧增大、出现明亮弧光和噪声。
- 成因： 靶表面污染、局部过热、真空度恶化、电源匹配不良等因素都可能引发模式转变。弧光放电能量高度集中，容易损伤靶材和基片，并产生大量溅射粒子，影响薄膜质量。
辉光放电与弧光放电对比示意图

电弧放电： 在溅射过程中，频繁出现短暂的电弧放电，表现为电压电流的脉冲式波动，产生尖峰噪声。
- 成因： 靶表面微粒或凸起、真空腔体内壁污染、靶材绝缘层击穿、电源输出纹波过大等都可能导致电弧放电。电弧放电会产生溅射粒子喷射，污染薄膜，并可能导致薄膜缺陷。
电弧放电过程示意图

放电参数波动： 放电电压或电流出现周期性或非周期性波动，导致溅射速率和等离子体状态不稳定。
- 成因： 磁场不稳、气体流量波动、电源控制不稳定、系统震动等都可能引起放电参数波动。参数波动会直接影响薄膜厚度均匀性、成分均匀性和结构均匀性。
放电参数波动曲线图

2.3 解决方案

解决放电不稳定问题，需要从消除不稳定诱因和优化放电控制两方面入手：

2.3.1 消除不稳定诱因的策略：

清洁真空腔体和电极： 定期清洁真空腔体内部和电极表面，去除沉积物、污染物，减少表面放电和二次电子发射不均匀性。
- 制定清洁周期： 根据使用频率和镀膜材料，制定合理的清洁周期。
- 选择合适的清洁方法： 采用物理擦拭、化学清洗或等离子体清洗等方法进行清洁。
真空腔体清洁维护示意图

优化靶材表面状态： 定期检查和维护靶材表面，避免表面粗糙、微粒附着或局部损伤。
- 抛光靶材表面： 对于表面粗糙或腐蚀的靶材，进行抛光处理，恢复表面平整度。
- 更换受损靶材： 对于损伤严重或寿命到期的靶材，及时更换新的靶材。
靶材表面维护检查示意图

改善真空条件： 提高真空度，降低本底气体杂质，减少气体放电和污染。
- 检漏： 定期进行真空检漏，排除漏气点，确保真空系统密封性。
- 优化抽气系统： 检查和维护真空泵组，确保抽气效率。
- 降低工作气体杂质： 使用高纯度工作气体，并对气体管路进行清洗和干燥。
真空系统维护保养示意图

优化磁场设计： 设计更合理的磁场结构，增强等离子体约束，提高放电稳定性。
- 平衡磁场与非平衡磁场： 根据工艺需求，选择合适的磁场类型。
- 磁场强度优化： 调整磁场强度和分布，提升等离子体密度和均匀性。
不同磁场结构的磁控溅射头示意图

2.3.2 优化放电控制的策略：

选择合适的溅射电源： 采用具有良好稳定性和抗干扰能力的溅射电源，例如：
- 恒流/恒压电源： 选择恒流或恒压模式，稳定放电参数。
- 脉冲电源： 采用脉冲溅射电源，利用脉冲调制技术抑制电弧，提高放电稳定性。
  - 调整脉冲参数： 优化脉冲频率、占空比等参数，提升放电性能。
  脉冲溅射电源工作原理示意图

优化电源匹配： 确保电源与溅射系统良好匹配，避免阻抗失配导致放电不稳定。
- 阻抗匹配网络： 使用阻抗匹配网络，实现电源与等离子体之间的阻抗匹配。
- 调整匹配参数： 根据工艺条件，调整匹配网络参数，获得最佳匹配状态。

实时监控与反馈控制： 建立放电参数实时监控系统，并引入反馈控制，及时调整工艺参数，抑制放电不稳定。
- 电压电流监控： 实时监测溅射电压和电流，检测放电异常。
- 自动功率调节： 根据放电状态，自动调节溅射功率，维持放电稳定。
实时监控与反馈控制系统示意图

使用抑制电弧技术： 采用主动或被动电弧抑制技术，减少电弧放电的发生和影响。
- 快速电弧检测与抑制电路： 在电源中集成快速电弧检测和抑制电路，及时切断电弧。
- 偏置脉冲技术： 在基片或靶材上施加偏置脉冲，抑制电弧产生。

三、薄膜均匀性差

3.1 问题定义

薄膜均匀性差是指在一定面积的基片上，沉积薄膜的厚度、成分、结构或性能等参数分布不均匀，偏离目标值。

薄膜均匀性示意图：膜厚分布不均

3.2 影响因素分析

薄膜均匀性受多种因素综合影响，主要包括：

靶材因素：
- 靶材腐蚀形貌不均匀： 靶材腐蚀坑的形状和深度不均匀，导致溅射粒子通量分布不均。
  
  靶材腐蚀形貌不均匀示意图
- 靶材利用率低： 靶材有效溅射区域有限，导致薄膜沉积区域受限，边缘膜厚降低。
- 靶材成分不均匀： 合金靶材成分偏析或分布不均，导致溅射粒子成分偏差，影响薄膜成分均匀性。
工艺参数因素：
- 工作气体压力不均： 真空腔体内工作气体压力分布不均匀，影响等离子体分布和溅射粒子扩散。
  
  工作气体压力分布不均示意图
- 溅射功率密度分布不均： 靶材表面溅射功率密度分布不均，导致溅射速率区域性差异。
- 衬底温度不均匀： 基片表面温度分布不均匀，影响薄膜生长动力学，导致膜厚和结构不均匀。
- 溅射角度分布不均： 溅射粒子入射到基片表面的角度分布不均匀，影响膜层致密度和结构均匀性。
设备结构因素：
- 靶-基片相对位置不合理： 靶材与基片相对位置和距离不合理，导致溅射粒子通量分布不均。
  
  不同靶基相对位置的溅射沉积示意图
- 磁场分布不均匀： 磁场分布不均匀，导致等离子体密度分布不均，影响溅射速率均匀性。
- 真空腔体结构不对称： 真空腔体结构不对称，导致气体流场和等离子体分布不均匀。
- 挡板或掩膜设计不合理： 挡板或掩膜设计不合理，无法有效修正膜厚分布。
溅射模式因素：
- 溅射模式选择不当： 不同溅射模式（直流、射频、脉冲）具有不同的沉积特性，选择不当可能导致均匀性问题。
- 多靶协同控制不佳： 多靶共溅射时，各靶功率控制不当，导致成分和厚度均匀性下降。

3.3 解决方案

提升薄膜均匀性，需要综合考虑靶材、工艺、设备和溅射模式等因素，采取多方面优化措施：

3.3.1 靶材优化策略：

优化靶材腐蚀形貌： 通过磁场优化、靶材偏置等方法，改善靶材腐蚀均匀性，延长靶材寿命。
- 磁场平衡优化： 设计更平衡的磁场结构，使等离子体放电区域更均匀。
- 靶材偏置电压调整： 施加合适的靶材偏置电压，调整离子轰击角度和能量分布。
优化靶材腐蚀形貌示意图
提高靶材利用率： 采用旋转靶、空心阴极靶等高利用率靶材，扩大有效溅射区域，提升均匀性。
- 旋转靶设计： 采用旋转靶结构，使靶材表面均匀腐蚀，提高利用率和均匀性。
- 空心阴极靶设计： 采用空心阴极靶结构，扩大等离子体放电区域，提升靶材利用率和均匀性。
旋转靶和空心阴极靶示意图
控制靶材成分均匀性： 对于合金靶材，采用粉末冶金、热等静压等工艺，提高靶材成分均匀性。
- 优化合金配比： 精确控制合金成分配比，保证成分均匀性。
- 成分均匀性检测： 采用成分分析手段，检测靶材成分均匀性，确保质量。
合金靶材制备工艺流程图

3.3.2 工艺参数优化策略：

优化工作气体压力： 选择合适的工作气体压力，平衡溅射速率和均匀性。
- 压力梯度控制： 尝试采用压力梯度控制，改善气体压力分布均匀性。
不同工作气体压力下膜厚均匀性曲线图
调整溅射功率密度： 优化溅射功率和靶材面积，控制溅射功率密度在合适范围，避免局部过热或放电不均。
- 功率密度匹配： 根据靶材特性和工艺需求，选择合适的功率密度。
- 功率缓 ramp-up/down： 采用功率缓 ramp-up/down 控制，避免功率突变导致放电不稳或均匀性下降。
控制衬底温度均匀性： 优化衬底加热或冷却系统，提高基片表面温度均匀性。
- 多区加热控制： 采用多区加热系统，独立控制基片不同区域温度。
- 衬底旋转加热： 采用衬底旋转加热，提高温度均匀性。
衬底加热/冷却系统示意图
优化溅射角度分布： 调整靶材与基片相对位置和角度，优化溅射粒子入射角度分布。
- 离轴溅射： 采用离轴溅射方式，降低高角度入射粒子比例，改善膜层致密度和均匀性。
- 倾斜靶溅射： 采用倾斜靶溅射方式，调整溅射粒子通量方向，改善均匀性。
不同溅射角度的膜层生长示意图

3.3.3 设备结构优化策略：

优化靶-基片相对位置： 调整靶材与基片距离和相对位置，获得最佳均匀性区域。
- 靶基距离实验优化： 通过实验确定最佳靶基距离范围。
- 多角度溅射源： 采用多角度溅射源，从不同角度沉积薄膜，提高均匀性。
靶基距离对膜厚均匀性的影响示意图
优化磁场分布： 设计更均匀的磁场结构，提高等离子体密度和溅射速率均匀性。
- 磁场仿真优化： 利用磁场仿真软件，优化磁场结构设计。
- 磁场强度微调： 通过调整磁体位置和强度，微调磁场分布，改善均匀性。
均匀磁场与非均匀磁场对比示意图
优化真空腔体结构： 采用对称式真空腔体结构，改善气体流场和等离子体分布均匀性。
- 气体入口位置优化： 合理设计气体入口位置，使气体均匀分布到整个腔体。
- 抽气口位置优化： 合理设计抽气口位置，保证腔体内部压强均匀。
对称式真空腔体结构示意图
挡板与掩膜技术： 在靶材与基片之间设置挡板或掩膜，修正膜厚分布，提高均匀性。
- 静态挡板： 采用固定式挡板，遮挡高沉积速率区域，降低边缘膜厚。
- 旋转掩膜： 采用旋转式掩膜，动态修正膜厚分布，实现高均匀性沉积。
挡板和掩膜在溅射沉积中的应用示意图

3.3.4 溅射模式优化策略：

选择合适的溅射模式： 根据材料特性和工艺需求，选择合适的溅射模式，例如：
- 射频溅射 (RF Sputtering)： 适用于绝缘材料和金属材料，均匀性较好，但沉积速率相对较低。
- 脉冲溅射 (Pulsed DC Sputtering)： 适用于反应溅射，可抑制靶中毒，提高薄膜质量和均匀性。
- 高功率脉冲磁控溅射 (HiPIMS)： 可获得高致密度、高均匀性薄膜，但设备和工艺成本较高。