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本文詳細探討了磁控濺射過程中靶中毒這一關鍵問題。深入分析了靶中毒的現象、機理及對濺射過程和薄膜質量的嚴重影響。通過對反應氣體、濺射功率、靶材與基底材料等多種因素的綜合研究，揭示了靶中毒的成因。
靶面金屬化合物的形成
由金屬靶面通過反應濺射工藝形成化合物的過程中，化合物是在哪里形成的呢？由于活性反應氣體粒子與靶面原子相碰撞產生化學反應生成化合物原子，通常是放熱反應，反應生成熱必須有傳導出去的途徑，否則，該化學反應無法繼續進行。在真空條件下氣體之間不可能進行熱傳導，所以，化學反應必須在一個固體表面進行。反應濺射生成物在靶表面、基片表面、和其他結構表面進行。在基片表面生成化合物是我們的目的，在其他結構表面生成化合物是資源的浪費，在靶表面生成化合物一開始是提供化合物原子的源泉，到后來成為不斷提供更多化合物原子的障礙。
靶中毒的影響因素
影響靶中毒的因素主要是反應氣體和濺射氣體的比例，反應氣體過量就會導致靶中毒。反應濺射工藝進行過程中靶表面濺射溝道區域內出現被反應生成物覆蓋或反應生成物被剝離而重新暴露金屬表面此消彼長的過程。如果化合物的生成速率大于化合物被剝離的速率，化合物覆蓋面積增加。在一定功率的情況下，參與化合物生成的反應氣體量增加，化合物生成率增加。如果反應氣體量增加過度，化合物覆蓋面積增加，如果不能及時調整反應氣體流量，化合物覆蓋面積增加的速率得不到抑制，濺射溝道將進一步被化合物覆蓋，當濺射靶被化合物全部覆蓋的時候，靶完全中毒。
靶中毒現象
(1)正離子堆積：靶中毒時，靶面形成一層絕緣膜，正離子到達陰極靶面時由于絕緣層的阻擋，不能直接進入陰極靶面，而是堆積在靶面上，容易產生冷場致弧光放電---打弧，使陰極濺射無法進行下去。（2）陽極消失：靶中毒時，接地的真空室壁上也沉積了絕緣膜，到達陽極的電子無法進入陽極，形成陽極消失現象。
靶中毒的物理解釋
（1）一般情況下，金屬化合物的二次電子發射系數比金屬的高，靶中毒后，靶材表面都是金屬化合物，在受到離子轟擊之后，釋放的二次電子數量增加，提高了空間的導通能力，降低了等離子體阻抗，導致濺射電壓降低。從而降低了濺射速率。一般情況下磁控濺射的濺射電壓在400V-600V之間，當發生靶中毒時，濺射電壓會顯著降低。（2）金屬靶材與化合物靶材本來濺射速率就不一樣，一般情況下金屬的濺射系數要比化合物的濺射系數高，所以靶中毒后濺射速率低。（3）反應濺射氣體的濺射效率本來就比惰性氣體的濺射效率低，所以反應氣體比例增加后，綜合濺射速率降低。
靶中毒成因分析
（一）反應氣體因素
1. 反應氣體過量
在反應濺射過程中，如制備氧化物或氮化物薄膜時，需要引入適量的反應氣體（如氧氣、氮氣等）與靶材發生反應。然而，如果反應氣體的流量控制不當，過量的反應氣體進入濺射腔室，會與靶材表面充分反應，形成大量的化合物。這些化合物覆蓋在靶材表面，阻礙了靶材原子的濺射，從而引發靶中毒。例如，在制備氧化鈦薄膜時，當氧氣流量過大，鈦靶表面會迅速形成一層致密的二氧化鈦層，導致濺射速率急劇下降。
2. 反應氣體不純
反應氣體中可能含有雜質氣體，如水分、氧氣、碳氫化合物等。這些雜質氣體會與靶材發生副反應，生成其他化合物，導致靶中毒。例如，氮氣中含有的少量氧氣雜質在濺射過程中可能會與金屬靶材反應生成氧化物，影響薄膜的質量和濺射過程的穩定性。
（二）濺射功率因素
1. 濺射功率過高
當濺射功率過高時，會導致靶材表面溫度升高。高溫下，靶材與反應氣體的反應速率加快，容易形成化合物層，從而增加靶中毒的可能性。此外，高功率濺射還可能使靶材表面的原子濺射速率過快，使得反應氣體有更多的機會與暴露的新鮮靶材表面反應，加速靶中毒過程。
2. 濺射功率不穩定
濺射功率的波動會影響濺射過程的穩定性。如果功率突然升高或降低，會改變靶材表面的局部溫度和電場分布，導致反應氣體與靶材的反應速率不均勻，容易在靶材表面形成不均勻的化合物層，引發靶中毒。而且，功率不穩定還會影響薄膜的質量均勻性，使其性能出現波動。
（三）靶材與基底材料因素
1. 靶材純度
靶材的純度對靶中毒現象有重要影響。低純度的靶材中含有雜質元素，這些雜質在濺射過程中可能與反應氣體發生反應，生成化合物，導致靶中毒。例如，銅靶中含有少量的鐵雜質，在氧氣氣氛下濺射時，鐵雜質可能會與氧氣反應生成鐵的氧化物，覆蓋在靶材表面，影響銅原子的濺射。
2. 靶材與基底的化學反應
在某些情況下，靶材濺射出來的原子與基底材料可能發生化學反應。如果這種反應產物在靶材表面沉積并積累，也會導致靶中毒。例如，在硅基底上濺射鋁靶時，鋁原子與硅基底可能發生反應生成硅鋁合金，部分硅鋁合金可能會反濺到靶材表面，引起靶中毒，同時影響薄膜的質量和成分。
（四）真空度因素
1. 真空度低
較低的真空度意味著腔室內存在較多的殘余氣體分子。這些殘余氣體分子在濺射過程中會與靶材和反應氣體發生碰撞，干擾正常的濺射反應，促進靶材表面化合物的形成，增加靶中毒的風險。例如，當真空度不足時，空氣中的氧氣和水分等雜質氣體會與靶材反應，導致靶中毒現象加劇。
2. 真空系統漏氣
如果真空系統存在漏氣問題，外界空氣會不斷進入腔室，破壞真空環境。大量的氧氣進入會迅速與靶材反應，使靶中毒在短時間內發生，嚴重影響濺射工藝的進行。而且，漏氣還可能導致薄膜中摻入大量的雜質氣體，降低薄膜的質量和性能。
預防靶中毒的措施
（一）優化反應氣體流量控制
1. 精確流量監測與調節
安裝高精度的氣體流量控制器，實時監測和調節反應氣體的流量。通過實驗或模擬確定最佳的反應氣體流量范圍，在濺射過程中嚴格控制流量在該范圍內波動。例如，對于制備特定厚度和質量的氧化硅薄膜，可以通過多次實驗確定氧氣與氬氣的最佳流量比例，并在實際生產中采用自動流量控制系統進行精確控制。
2. 氣體流量動態調整
根據濺射過程中的實時監測數據，如濺射速率、薄膜質量等，動態調整反應氣體的流量。例如，當發現濺射速率下降或薄膜成分偏離預期時，適當降低或增加反應氣體流量，以維持濺射過程的穩定性和薄膜質量。可以采用先進的反饋控制系統，將濺射過程中的相關參數與氣體流量控制器相連，實現自動動態調整。
（二）控制濺射功率
1. 選擇合適的濺射功率
在濺射工藝設計階段，通過實驗或理論計算確定合適的濺射功率。考慮靶材的性質、薄膜的要求以及設備的性能等因素，選擇既能保證足夠的濺射速率又能避免靶材過熱和靶中毒的功率值。例如，對于不同種類的金屬靶材，其最佳濺射功率可能會有所不同，需要通過實驗進行優化。
2. 穩定濺射功率輸出
采用高質量的電源設備，并配備功率穩定器，確保濺射功率輸出的穩定性。定期對電源設備進行維護和校準，檢查功率輸出的波動情況。同時，在濺射過程中，監測功率變化，及時發現并解決可能出現的功率不穩定問題，如電源線路接觸不良、電源模塊故障等。
（三）提高靶材質量和基底處理
1. 選用高純度靶材
購買高純度的靶材，減少雜質元素的含量。在靶材采購過程中，嚴格要求供應商提供靶材的純度檢測報告，并對靶材進行抽檢。對于一些對純度要求極高的應用領域，如半導體制造，可以采用特殊的提純工藝制備靶材，以確保靶材的質量。
2. 基底表面清潔與預處理
在濺射前，對基底材料進行嚴格的表面清潔處理，去除表面的油污、氧化物等雜質。可以采用化學清洗、超聲波清洗等方法。同時，根據基底材料和薄膜的要求，進行適當的預處理，如表面活化、離子轟擊等，提高基底與薄膜的結合力，減少基底與靶材原子的化學反應。例如，在硅基底上制備薄膜前，可以先對硅片進行氫氟酸清洗，去除表面的自然氧化層，然后進行離子束轟擊，增加表面的活性位點。
（四）確保良好的真空環境
1. 提高真空系統性能
選用高性能的真空泵，如分子泵、渦輪泵等，提高真空系統的抽氣速率和極限真空度。定期對真空泵進行維護和保養，更換泵油、清洗泵體等，確保其正常運行。同時，優化真空腔室的設計，減少腔室內的氣體吸附和泄漏點，提高真空系統的整體性能。
2. 嚴格真空檢漏
在每次濺射實驗或生產前，對真空系統進行嚴格的檢漏。可以采用氦質譜檢漏儀等高精度的檢漏設備，檢測系統中可能存在的微小泄漏點。對于發現的泄漏點，及時進行修復，確保真空系統的密封性。此外，在日常運行中，定期進行真空度監測，及時發現真空度下降的情況并排查原因。
靶中毒后的處理方法
（一）原位清洗
1. 離子轟擊清洗
在濺射腔室內施加一定的電場，使惰性氣體（如氬氣）離子化，形成高能離子束轟擊靶材表面。離子轟擊可以去除靶材表面的化合物層，使其恢復到原始狀態。通過調整離子轟擊的參數，如離子能量、轟擊時間等，可以控制清洗效果。但需要注意的是，離子轟擊過程中可能會對靶材表面造成一定的損傷，因此需要合理選擇參數。
2. 射頻清洗
利用射頻電源在靶材和腔室壁之間產生射頻電場，使腔室內的氣體分子電離形成等離子體。等離子體中的活性粒子與靶材表面的化合物發生化學反應，將其分解并去除。射頻清洗可以在較低的溫度下進行，對靶材的損傷較小，但清洗效率相對較低，需要較長的清洗時間。
（二）更換靶材
如果靶中毒較為嚴重，原位清洗無法有效恢復靶材的性能，則需要考慮更換靶材。在更換靶材時，要嚴格按照操作規程進行，確保新靶材的安裝正確、牢固，并對濺射系統進行重新調試和優化，以保證后續濺射過程的順利進行。
（三）工藝參數調整
在靶中毒后，即使經過清洗或更換靶材，也可能需要對濺射工藝參數進行適當調整。例如，降低反應氣體流量、調整濺射功率等，以避免靶中毒再次發生。同時，需要對薄膜質量進行密切監測，根據監測結果進一步優化工藝參數，確保制備出符合要求的薄膜。
