突破瓶颈！揭秘铁磁靶溅射速率低、打火频利用率差的真相 (附优化思路)

是时候打破铁磁靶溅射的“魔咒”了？

信心满满地装上崭新的铁钴镍靶材，设定好看似完美的工艺参数，期待着均匀致密的薄膜，结果却大失所望？

沉积速率慢如蜗牛，辉光放电区域飘忽不定，甚至时不时来一次猛烈的打火，让整个真空室“花容失色”，更别提那坑坑洼洼、利用率极低的靶面了……

相信不少奋战在薄膜制备一线的同行们，或多或少都体验过这种挫败感。这不仅仅是浪费了宝贵的靶材和工时，更可能拖慢了整个研发进度，或者影响了最终产品的性能和良率。

您反复调整功率、气压、甚至更换气体种类，效果却总不尽如人意。难道，铁磁性材料天然就不适合磁控溅射这种高效的技术吗？面对这些令人头疼的现象，问题到底出在哪里？

深入“磁”场：揭开铁磁靶溅射困难的核心——磁屏蔽效应

要理解铁磁靶材为何如此“特殊”，我们得再次审视磁控溅射的基石。它的高效依赖于一个巧妙的机制：利用精心设计的磁场将电子束缚在靶材表面附近，像一个无形的“跑道”，迫使电子进行螺旋运动或振荡，极大地增加了它们与工作气体（通常是氩气）原子碰撞并将其电离的机会。更多的离子意味着更强的对靶材的轰击，从而实现高效率的原子溅射。

这个闭合的、平行于靶面的磁场是实现高密度等离子体和高溅射速率的关键。

当靶材本身就是铁 (Fe)、钴 (Co)、镍 (Ni) 或它们的高含量合金这类强铁磁性材料时，这个精心构建的磁场系统就遇到了前所未有的挑战。铁磁材料拥有远高于真空或非磁性材料的磁导率。这意味着它们对外部磁场线具有极强的“导通”能力。放置在磁控溅射阴极上的铁磁靶材，就像是在永磁体或电磁铁的磁路上插入了一块“磁短路块”。绝大部分设计用于延伸到靶材前方空间的磁感应线，会被“捕获”并优先从靶材内部通过，形成一个几乎闭合在靶材体内的磁回路。

只有极少部分的“泄漏”磁场能够到达靶材表面上方的等离子体区域。这种现象，就是我们反复提及的磁屏蔽效应或 磁分路效应。

磁屏蔽效应的连锁反应：一系列棘手问题的根源

1. 沉积速率断崖式下跌: 这是最直观也是最普遍的感受。由于靶面上方的磁场强度被削弱到可能只有正常设计值的百分之几甚至更低，电子无法被有效束缚。想象一下，“跑道”几乎消失了，电子无法高效地来回“奔跑”并撞击气体原子。结果是等离子体密度极低，尤其是本应最强的辉光放电区域变得微弱而弥散。轰击靶材的离子流密度自然大幅下降，单位时间内溅射出来的靶材原子数量随之锐减。相比于铜、铝、钛等非磁性靶材动辄数十甚至上百纳米每分钟的沉积速率，铁磁靶材的速率可能只有几个纳米每分钟，甚至更低，这在很多追求效率的应用中是难以接受的。

2. 等离子体放电不稳定与频繁打火: 微弱且分布极不均匀的磁场，让等离子体的稳定维持变得异常困难。放电可能变得“飘忽不定”，辉光区域狭小且不稳定。更糟糕的是，由于电场和磁场在局部区域可能出现异常，容易造成电荷积累，或者在靶面某些微小凸起、污染物或绝缘区域发生场致发射，进而引发剧烈的、破坏性的弧光放电（Arcing，即打火）。打火不仅瞬间中断了正常的溅射过程，还会向真空室中喷射出熔融的靶材微粒或靶面污染物，这些“大颗粒”会严重污染正在生长的薄膜，形成针孔、凸起等缺陷。频繁打火还会对电源系统造成冲击，甚至损坏靶材本身。

3. 靶面刻蚀极端不均与惊人的低利用率: 即使在如此微弱的磁场下，放电也并非完全消失，而是高度集中在磁场相对“最强”（尽管绝对值很低）的极狭窄区域。离子轰击就集中发生在这里，导致靶面被快速刻蚀出一条或几条非常深邃的“壕沟”，而“壕沟”之外广大的靶面区域几乎原封未动。这不仅造成了靶材材料的巨大浪费（实际利用率有时甚至低于20%！），而且当“壕沟”过深时，靶材很快就会因为局部蚀穿而报废，需要提前更换，进一步增加了生产成本。

4. 靶材过热风险增加: 溅射过程本身就是能量转换的过程。输入的电能一部分转化为离子的动能用于溅射，另一部分不可避免地转化为热量耗散在靶材和周围部件上。当溅射效率因磁屏蔽而极低时，意味着更大比例的输入能量没有有效地转化为原子溅射，而是直接或间接地（通过离子和电子轰击）加热了靶材。特别是在尝试通过提高功率来弥补低速率时，靶材更容易积聚过多热量。如果冷却系统不足以有效带走这些热量，就可能导致靶材温度过高，引发翘曲变形、内部应力增大甚至开裂，对于低熔点或热导率差的铁磁材料尤其危险。

什么因素加剧了铁磁靶的溅射难题？

• 材料本身的磁性: 饱和磁化强度和磁导率越高的材料（例如纯铁、坡莫合金），磁屏蔽效应越显著，溅射越困难。

• 靶材厚度: 靶材越厚，磁感应线在其内部通过的“磁路”就越长，越容易被完全“短路”在靶材内部，导致表面磁场更弱。因此，相对较薄的铁磁靶材溅射起来会稍微容易一些。

• 磁控溅射阴极的磁场强度与设计: 使用磁场更强的永磁体（如高牌号钕铁硼 NdFeB）或者经过特殊优化的磁路设计，可以在一定程度上抵抗磁屏蔽效应，让更多磁力线“穿透”到靶材表面。但对于强铁磁性材料，单纯增强磁场的效果往往有限，且成本更高。

为何简单的参数调整往往治标不治本？

面对低速率，最直接的想法往往是“加大功率”。然而，在磁屏蔽效应主导的情况下，单纯提高功率往往事倍功半，甚至适得其反。因为输入的能量大部分无法有效地约束等离子体和提高离子密度，反而可能加剧靶材过热和打火的风险。同样，调整工作气压虽然会改变等离子体特性，但如果核心的磁场约束问题没有解决，气压的优化窗口会非常狭窄，很难找到一个既能稳定放电又能获得可接受速率的理想条件。这就像试图让一辆引擎有问题的汽车跑得更快，光踩油门是不够的，甚至可能导致引擎过热或熄火。

溅射过程的挣扎如何影响最终的薄膜？

溅射过程的不稳定和低效，最终会体现在沉积的薄膜质量上：

• 均匀性差: 靶面刻蚀的不均匀，直接导致溅射出的原子流在空间分布上也不均匀，最终沉积在基片上的薄膜厚度和成分（对于合金靶材）难以保证大面积的均匀性。

• 缺陷增多: 频繁打火产生的微粒会嵌入薄膜，形成各种宏观和微观缺陷，影响薄膜的光学、电学、机械性能以及抗腐蚀性。

• 应力问题: 不稳定的放电和可能的温度波动，都可能影响薄膜的内应力状态。

• 重复性差: 由于放电过程对初始状态、靶面形貌等因素高度敏感，每次溅射过程可能难以精确重复，给研发和生产带来一致性难题。

路在何方？应对铁磁靶溅射挑战的策略思考

认识到问题的根源在于磁场与铁磁靶材的相互作用，为我们指明了解决问题的方向。虽然彻底消除磁屏蔽效应非常困难，但通过更深入的理解和更精巧的技术手段，可以在很大程度上缓解这些问题，提升溅射的可行性和效率：

优化磁控溅射源的设计:

• 超强磁场: 采用尽可能高能量积的永磁材料，并优化磁极排布和磁轭设计，最大限度地增强穿透靶材的磁场强度。

• 特殊磁场构型: 例如，采用某些特殊设计的非平衡磁控溅射场，或者利用旋转磁场/动态磁场技术，尝试改善等离子体的均匀性和约束效率。

• 改变磁场作用方式: 考虑将磁场施加在靶材侧面而非背面的设计（虽然不常见且有局限）。

改进靶材结构与选择:

• 使用更薄的靶材: 在满足工艺需求和寿命的前提下，尽量选用较薄的靶材，以减弱磁分路效应。

• 特殊靶材结构: 例如，将铁磁材料制作成镶嵌式或层状结构，中间夹杂非磁性材料层来“打断”磁路；或者使用具有特殊设计的、能够引导磁力线的非磁性背板。

• 材料选择: 在满足性能要求的前提下，如果可能，选用饱和磁化强度相对较低的铁磁合金。

精细化工艺参数控制:

• 电源模式的选择:

  • 脉冲直流: 通过在直流电源上叠加脉冲关断时间，可以有效抑制打火的发生和发展，改善放电稳定性，是溅射铁磁靶材时常用的选择。

  • 中频交流: 对于某些反应溅射过程（如制备磁性氧化物或氮化物），中频电源有助于解决“阳极消失”问题并抑制打火。

  • 射频 (RF): RF电源对靶材导电性不敏感，可以溅射任何材料，包括绝缘体和磁性材料。虽然可以避免磁屏蔽对直流放电的直接影响，但RF溅射通常速率较低，且系统复杂、成本高。

• 工作气压与气体: 在保证稳定放电的前提下，仔细优化工作气压，寻找最佳平衡点。有时尝试混合气体（如Ar+O2, Ar+N2进行反应溅射，或Ar+Kr/Xe等改变溅射产额和等离子体特性）可能会带来改善，但这需要大量的实验探索。

• 功率密度控制: 避免盲目追求高功率，应在保证放电稳定的前提下，逐步优化功率密度。

考虑替代或辅助技术:

• 离子束溅射: 这种技术将等离子体产生区和靶材溅射区分开，离子束独立产生并引向靶材，完全不受靶材磁性的影响。虽然设备成本高、速率可能不如高功率磁控溅射，但在需要高质量、精确控制薄膜的场合（尤其是磁性薄膜）是一种有效的替代方案。

• 辅助手段: 例如，在磁控溅射系统增加辅助阳极或引入辅助射频源来增强等离子体密度和稳定性。

理解是优化之路的第一步，挑战亦是机遇

磁控溅射铁磁靶材无疑是薄膜制备领域一块难啃的“硬骨头”。其固有的磁屏蔽效应像一道无形的屏障，给高效、稳定的溅射过程设置了重重障碍。然而，挑战往往伴随着机遇。深入理解其背后的物理机制，认识到低速率、不稳定性、低利用率等现象并非偶然，而是材料本征属性与溅射原理相互作用的必然结果，这正是我们寻找突破口、制定有效策略的基础。