为什么在溅射中使用磁铁？提高沉积速率和保护敏感基板

简而言之，磁铁用于溅射中以产生电子的磁性陷阱。 这个陷阱将等离子体限制在靶材正上方，迫使电子沿着更长、更螺旋的路径运动。这些被捕获的电子与中性气体原子发生碰撞的频率大大增加，从而极大地提高了电离速率，并产生密集的正离子云，轰击靶材，从而使溅射过程的效率显著提高。

磁铁的核心功能是将标准溅射转变为高效的过程。通过捕获电子，它们产生了一个密集、局部的等离子体，从而在较低压力下提高了沉积速率，并保护基板免受有害的高能电子轰击。

磁铁解决的基本问题

要了解为什么磁铁如此重要，首先需要认识到缺乏磁铁的基本溅射系统的局限性。

在简单的溅射装置中，等离子体中产生的自由电子很容易逃逸并传输到腔室壁或基板上。

电子的快速损失意味着你需要相对较高的气体压力，以确保发生足够的碰撞来维持等离子体，这效率低下，并可能导致沉积薄膜中出现杂质。

逃逸出等离子体的高能电子可能会轰击薄膜生长的基板。

这种轰击可能会引起显著且不必要的加热，从而可能损坏塑料或精密的电子元件等敏感基板。

在溅射靶材后方添加强永磁体或电磁铁——这种配置被称为磁控管——从根本上改变了该过程的物理特性。

磁铁的排列是为了产生一个磁场，其磁力线与靶材表面平行。

这个磁场与加速离子的电场相交，形成一个强大的约束区域。

电子是轻量级的带电粒子，因此受磁场的影响很大。它们不再沿直线运动，而是被迫沿着磁场线形成紧密的螺旋路径。

这有效地捕获了电子，防止它们逃逸到靶材正上方的区域。

由于电子被捕获，它们在等离子体中的路径长度增加了几个数量级。这极大地增加了它们与中性气体原子（通常是氩气）碰撞并使其电离的概率。

结果是在所需位置——即靶材正上方——形成了密集、强烈且自持的等离子体。

这种磁增强等离子体提供了几个关键优势，使磁控溅射成为行业标准。

更致密的等离子体意味着有更高浓度的正离子可以轰击靶材。每秒撞击靶材的离子越多，被溅射出的原子就越多，从而实现显著更快的薄膜生长和更高的制造产量。

由于电子陷阱在引起电离方面非常有效，因此可以在更低的气体压力下维持稳定的等离子体。

在较低压力下操作是非常理想的，因为它能带来更清洁的沉积环境，从而形成纯度更高、密度更好、由掺入的气体原子引起的缺陷更少的薄膜。

磁场有效地充当了屏蔽层，使绝大多数高能电子被限制在靶材附近，远离基板。

防止电子轰击对于在不引起热损伤的情况下将高质量薄膜沉积到对温度敏感的材料上至关重要。

尽管磁控管配置功能强大，但它也有其特定的特性和局限性。

离子轰击在整个靶材表面上不是均匀的。它在磁陷阱最强的地方最为剧烈，导致出现一个明显的侵蚀凹槽，通常被称为“跑道”。

这意味着靶材的利用率不是100%，因为靶材的中心和外边缘的侵蚀速度要慢得多。

对于导电靶材，简单的直流（DC）电源就足够了。

然而，对于绝缘或介电靶材，电荷可能会积聚在表面并“毒化”该过程。这要求使用更复杂的射频（RF）电源来交替中和电荷积聚。

磁铁的使用是现代高性能溅射系统的决定性特征。了解它们的影响有助于优化任何沉积过程。

最终，添加磁铁将溅射从基本的物理现象转变为精确、高效且高度可控的制造过程。

益处	磁铁如何提供帮助
更高的沉积速率	被捕获的电子产生致密的等离子体，增加离子轰击和靶材原子的溅射。
更低的工作压力	高效的电离使得能够在较低压力下维持稳定的等离子体，从而形成更纯净、更高质量的薄膜。
减少基板加热	磁场将高能电子限制在远离基板的位置，防止热损伤。