磁控溅射-双磁控和中频磁控溅射

高沉积速率和靶材利用率对于工业过程非常重要。尽管磁控管阴极的沉积速率相对较高，但不如蒸发过程的沉积速率高（在先前的博客中已解决）。双磁控管/脉冲磁控管配置既可实现高沉积速率，又可提高材料利用率[1,2,3]。双磁控溅射使用中频（〜40 kHz – 300 kHz）脉冲电源和两个磁控阴极。双磁控管配置如图2所示，典型的电源脉冲如图3所示。该电源在周期的前半部分向一个磁控管阴极提供正脉冲，同时对另一个阴极进行负偏压，然后向另一个磁控管阴极提供正脉冲，同时对另一个阴极负向偏压。以这种方式，一个阴极充当阳极，而另一个阴极充当溅射阴极。溅射仅在负偏压期间发生。这个过程非常适合于反应溅射[4,5,6]。

脉冲磁控溅射克服了磁控溅射的两个缺点：

• 阳极由于绝缘层的沉积而丢失（或隐藏）
• 反应溅射过程中的充电和电弧形成

由于脉冲电源和脉冲极性的反转，实际上消除了反应沉积期间靶材的充电。图4显示了双磁控溅射期间等离子体的切换[2]。

最初开发了双磁控管技术来沉积绝缘材料，例如氧化物，氮化物和透明导电氧化物[4]。具有相同靶材的平面磁控管通常彼此相邻放置，但在共溅射配置中，与不同靶材可以相距更远[5]。通过由负偏压的靶材（阴极）发射的二次电子被吸引到带正电的靶材（阳极）并基本上中和已沉积绝缘体的带正电的表面，可以减少电弧。表1比较了通过常规直流磁控溅射和中频溅射[1,2]沉积的四种材料的沉积速率和光学性能。在所有情况下，我们都可以看到沉积速率最多可以增加5倍。

受益于中频双磁控溅射的其他薄膜材料是SiO2，Al2O3，MgO，CrN，ITO。

让我们更详细地看一下反应溅射，它是双磁控管工艺的优势之一。反应溅射背后的基本机理很复杂，仍在研究中[7,8]，但是双磁控溅射使工艺更容易控制[6,9]。另外，闭环控制器可用于使过程自动化[6]。目标氧化或中毒是降低沉积速率，引起电弧并降低密度的主要问题。反应溅射的技巧是保持靶表面清洁并防止“阳极消失”，这直接与控制反应气体的分压有关。对于传统的磁控管，这是通过绘制反应气体分压和反应气体流量的磁滞回线来实现的，如图5所示[10]。光学性能取决于沉积速率和反应性气体分压，如图6 [10,11]所示。最初，与金属靶材的表面反应会消耗大量的反应气体。反应饱和后，目标表面将被氧化且不会消耗额外的反应性气体，因此，O₂即使在流量较低时，分压也会增加。发生这种情况时，沉积速率会大大降低。一旦目标完全中毒，O _2的分压将随流量线性增加。在这种情况下，流量控制和沉积过程应在负斜率区域内。

双磁控溅射的磁滞曲线看起来几乎相同，但是大多数中频系统使用某种形式的闭环或等离子体发射监测器控制，以将反应气体的分压和流量保持在最佳值[1,6,9]。几家公司销售闭环控制器。腔室配置的一个示例在图7 [6]中显示。系统使用目标电压的设定点和非常快的流量控制值来跟上目标表面发生的化学反应的步伐。简而言之，控制器将沉积过程中的目标电压与设定值进行比较，并相应地调整反应性气体流量。

使用双磁控管和中频电源进行共溅射的优点是可以精确控制每个组件的数量[5]。显然，此过程需要两个磁控管，但是使用中频电源可以可靠地调节提供给每个目标的功率，并独立调节每个目标的功率。这导致对相对组成的更多控制。图8 [5]显示了使用中频电源的共溅射装置。该配置用于使用Ti和Al靶以及O ₂反应性气体来自定义TiAlO _x的折射率。图9示出了如何通过调节O ₂分压来控制折射率。

双磁控溅射也可用于沉积光学多层涂层[9]，TCO’s [4,12]和摩擦涂层[13]。使用双磁控管沉积如图10所示的SiO ₂ / Al ₂ O ₃减反射涂层，然后在每个靶材上依次移动基板。发现ITO膜的电阻率和光学透射率取决于脉冲长度和等离子体密度以及常规参数，例如O ₂分压和到达靶材的功率[12]。使用两个In _0.9 Sn _0.1的工艺的ITO电阻率，脉冲长度和O ₂流量之间的关系目标如图11所示[12]。在这里，我们看到获得了非常可观的5mΩ.cm附近的值，并且对脉冲长度的依赖性很大。

因为使用了两个靶，所以纳米层压板和纳米复合材料也可以使用双磁控管沉积[3,13]。图12显示了使用RF电源沉积的Al ₂ O ₃ -ZrO ₂纳米复合材料的高分辨率明场TEM [3]。引入ZrO2纳米团簇以提高Al ₂ O ₃的耐腐蚀性。TiN / TaN _x（请参阅本月专栏）多层具有摩擦学应用。使用Ti和Ta靶在Ar + N2混合物中沉积多层膜[13]。电源的周期性自然会形成每种成分的纳米层。控制这些薄膜中的应力以减少剥落和附着力损失非常重要。多层结构中的应力可以通过层压板的厚度和氮气分压（也影响沉积速率）来控制。图13显示了应力对层厚度和总压力（Ar + N ₂，Ar压力保持恒定）的依赖性。调整这些参数可以使应力从压缩变化到拉伸变化。

双磁控管和中频溅射的示例列表可以填充几个Blog。使用RF以及中频电源来沉积薄膜。当阴极并排放置时，阴极磁性的相互作用也可能成为一个问题[1]。每种情况都不同，必须根据所需的基材几何形状，成分和性能调整阴极配置。

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参考：

1. U Heister et al., 41st Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1998) 187.
2. T Winkler, 45th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2002) 315.
3. D H Trinh et al., J. Vac. Sci. Technol. A 24(2) (2006) 309.
4. W –M Gnehr et al., 48th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2005) 312.
5. D J Christie et al., 46th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (2003) 393.
6. L Lou et al, Advanced Energy Industries, Inc. Whitepaper.
7. R DeGryse et al., VT&C February 2008, 48.
8. W D Sproul, 36th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1993) 504.
9. J Strumpfel et al., 40th Annual Technical Conference Proceedings of the Society of Vacuum Coaters (1997) 179.
10. W D Sproul et al., J. Vac. Sci. Technol. A 13(3) (1995) 1198.
11. W D Sproul and B E Sylvia, VT&C, 2(8) (2001) 32.
12. A I Rogozin et al., J. Vac. Sci. Technol. A 22(2) (2004) 349
13. M Nordin et al., J. Vac. Sci. Technol. A 18(6) (2000) 2884.