磁控溅射（Magnetron Sputtering）是物理气相沉积（PVD）的核心技术之一，通过磁场约束等离子体以提高溅射效率和薄膜质量。其技术内涵涵盖等离子体物理、薄膜生长动力学及工艺工程优化。以下从原理、工艺、应用及前沿技术展开系统性阐述。
一、磁控溅射的物理机制
1. 溅射过程的基本原理
磁控溅射的核心原理是通过高能离子（如Ar⁺）轰击靶材表面，使靶材原子被击出并沉积到基底形成薄膜。溅射产额（单位离子轰击下溅射出的原子数）受入射离子能量、角度及靶材性质共同影响。例如，Ar⁺轰击铝靶时，在500 eV能量下的溅射产额约为1.2。磁场的引入是关键创新：环形磁场（强度约100–500高斯）迫使电子沿螺旋轨迹运动，显著延长其路径长度，从而增加与工作气体（如Ar）的碰撞概率，将等离子体密度提升至 1011–1012 cm−3，较传统直流溅射提高1–2个数量级。
2. 与传统溅射技术的差异
与传统直流溅射相比，磁控溅射的优势体现在多个维度：
等离子体密度：磁控溅射的等离子体密度可达 1011–1012 cm−3，而直流溅射仅为 109–1010 cm−3。
基底温度：磁控溅射可在室温至300°C下进行，远低于直流溅射所需的200–500°C，这对热敏感基底（如聚合物）至关重要。
沉积速率：磁控溅射的沉积速率通常为10–100 nm/min，显著高于直流溅射的1–10 nm/min。
薄膜均匀性：磁控溅射的膜厚均匀性可达±5%，而直流溅射仅为±15%。
二、磁控溅射的工艺参数与优化策略
1. 关键工艺参数
溅射功率：功率密度（通常1–10 W/cm²）直接决定离子能量与溅射产额。提高功率可提升沉积速率，但需避免靶材过热导致的熔融或裂纹。
工作气压：气压范围通常为0.1–10 Pa。低压（<1 Pa）有利于提高薄膜致密度，但会降低沉积速率；高压（>5 Pa）可能引入孔隙或柱状结构。
靶材-基底距离：典型距离为50–150 mm。距离过短易导致局部过热和厚度不均，过长则降低沉积效率。
基底偏压：施加-50至-200 V的负偏压可诱导离子轰击生长中的薄膜，减少孔隙率并提高附着力，但过度轰击可能引发晶格损伤。
磁场配置：非平衡磁场设计（如旋转靶）可改善靶材腐蚀均匀性，将靶材利用率从传统平面靶的20–30%提升至70%以上。
2. 薄膜性能调控方法
结晶性控制：通过基底加热（200–400°C）促进晶粒生长。例如，铝薄膜在加热后可形成（111）择优取向，提高导电性。
应力调控：结合低气压（<1 Pa）与离子轰击，可实现薄膜从压应力（-2 GPa）到拉应力（+1 GPa）的精确调控，这对 MEMS 器件抗翘曲至关重要。
化学成分控制：在反应磁控溅射中，通过通入N₂或O₂等反应气体，可制备AlN、TiO₂等化合物薄膜，化学计量比偏差需控制在<1%。
三、磁控溅射的核心优势与局限性
1. 核心优势
高沉积速率与低温工艺兼容：采用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）时，峰值功率密度可超过1 kW/cm²，沉积速率达300 nm/min，同时保持基底温度低于300°C，适用于柔性电子（如PET基底上的ITO电极）。
大面积均匀性：通过多靶共溅射与基片旋转技术，可实现30 cm晶圆级薄膜沉积，厚度偏差<3%。
材料广泛性：可沉积金属（如Al、Cu）、合金（如TiAlN）、陶瓷（如Al₂O₃）及复合材料（如Ag纳米线/聚合物）。
2. 局限性
靶材中毒问题：在反应溅射中，靶材表面可能生成化合物（如AlN），导致沉积速率骤降，需通过等离子体发射光谱（OES）实时监控并调节反应气体流量。
