磁控溅射中为什么需要磁场？提高沉积速率和薄膜质量

从根本上讲，磁控溅射中的磁场用于将电子限制在被溅射材料（靶材）表面附近。这种限制极大地提高了这些电子电离溅射气体（如氩气）的概率，从而产生更有效地轰击靶材的致密等离子体。结果是沉积过程更快、效率更高、温度更低。

溅射的基本挑战是产生足够的离子来有效侵蚀靶材。磁场通过充当“电子陷阱”来解决这个问题，将等离子体的能量集中在最需要的地方——直接在靶材上——从而将溅射从一个缓慢、高压的过程转变为一个快速而精确的过程。

核心问题：基本溅射的低效率

要理解磁场的作用，我们必须首先看看没有磁场（称为二极溅射）的溅射的局限性。

溅射的工作原理是产生等离子体，这是一种过热的电离气体。来自这种等离子体的带正电的离子，通常是氩离子（Ar+），被电场加速并猛烈撞击带负电的靶材。

这种高能轰击会物理性地将靶材原子撞击下来。这些被激发的原子然后穿过真空室，沉积在您的基板上形成薄膜。

当离子撞击靶材时，它不仅会使靶材原子脱落，还会击出次级电子。在基本溅射中，这些轻质、高能的电子会立即被正极（通常是腔室壁）吸引并损失掉。

它们的路径太短且太直接，无法发挥作用。它们没有足够的时间或足够长的路径来与中性氩原子碰撞并使其电离，使得维持等离子体的过程效率非常低。

为了弥补这种低效率，二极溅射需要相对较高的气压。腔室中更多的气体原子意味着电子-原子碰撞的几率略有增加。

然而，高压是不可取的。它会导致被溅射的原子在向基板传播时发生散射，从而降低沉积速率，并可能影响最终薄膜的质量和密度。

磁控溅射引入了一个战略性的磁场，通常由放置在靶材后方的永磁体产生，它从根本上改变了电子的行为。

磁场线从靶材中出现，在靶材表面前方盘旋，然后重新进入靶材。由于一种称为洛伦兹力的原理，电子被迫以紧密的螺旋路径跟随这些磁场线。

它们有效地被困在靶材表面附近的一个“磁隧道”或“赛道”区域，无法直接逃逸到腔室壁。

被困的电子不再像在直线上那样只传播几厘米，而是通过螺旋运动，其路径长度延长到几米。尽管电子在物理上保持靠近靶材，但其总行程距离增加了几个数量级。

这种路径长度的大幅增加，极大地提高了单个电子在损失能量之前与数百甚至数千个中性氩原子碰撞并使其电离的概率。

这极大地增强了电离过程。单个次级电子现在可以产生级联的新离子，使得等离子体能够在低得多的压力下自持存在。

结果是在靶材正上方的“赛道”区域形成了非常致密、高强度的等离子体。这确保了在轰击和溅射靶材所需的位置有大量的离子可用。

这个巧妙的解决方案与基本溅射相比，提供了几个关键的、现实世界的优势。

随着更多的离子云轰击靶材，材料被喷射出来的速率要高得多。磁控溅射的沉积速率可以是简单二极溅射的 10 到 100 倍。

由于电离效率非常高，该过程可以在低得多的气压下运行（通常为 1-10 mTorr）。这为被溅射的原子创造了一个“平均自由程”，使它们能够与更少的碰撞直接传输到基板，从而获得更高质量、更致密的薄膜。

通过将电子限制在靶材处，磁控管可以防止电子轰击和加热基板。这对于将薄膜沉积到对热敏感的材料（如聚合物、塑料或精密的电子元件）上是一个至关重要的优势。

尽管磁控技术功能强大，但它也有一系列需要考虑的因素。

等离子体被限制在磁“赛道”中，这意味着侵蚀只发生在这个特定区域。这会导致靶材材料中形成一个深槽，使中心和外边缘未被使用。这降低了靶材的有效利用率，通常仅为 30-40%。

与简单的二极管设置相比，在靶材后集成磁体组件并确保适当冷却，为溅射系统增加了一层机械复杂性和成本。

磁场的形状可以进行调整。平衡场将等离子体非常紧密地限制在靶材上，使沉积速率最大化。非平衡场允许部分等离子体向基板扩散，这可以被有意地用于通过轻离子轰击使生长中的薄膜致密化。

是否使用磁控管的决定取决于您对速度、质量和基板兼容性的特定应用需求。

最终，磁场将溅射从一种缓慢的、蛮力的方法转变为现代薄膜技术的精确且高效的基石。