靶材用太快這件事，做鍍膜的人都懂，尤其貴金屬類，真燒錢。我們?cè)缧┠曜鯩o和ITO的時(shí)候，靶材邊緣那一圈總是剩下一堆用不掉，心疼得很。說到底，還是磁場(chǎng)設(shè)計(jì)沒做好。

跑道形磁場(chǎng)，最早我還覺得是營銷概念，但用了幾年，不得不說，確實(shí)有點(diǎn)意思。它的核心，其實(shí)不是形狀，而是讓等離子體軌跡長一點(diǎn)、多一點(diǎn)覆蓋。這種磁場(chǎng)會(huì)讓濺射蝕刻的軌跡像一個(gè)“橢圓環(huán)”，繞著中心一圈一圈掃，材料消耗更均勻，不像傳統(tǒng)磁控那種中心一圈特別深，旁邊都白瞎。

不過你別指望換個(gè)磁鐵形狀就一勞永逸。我踩過坑。磁鐵強(qiáng)度沒調(diào)好，結(jié)果等離子體跑太慢，一邊蝕刻凹得深，一邊幾乎沒動(dòng)。得動(dòng)手調(diào)磁鐵間距，試著在保證等離子體密度的同時(shí)把跑道攤平點(diǎn)。那時(shí)候我們用高斯計(jì)一格一格掃磁場(chǎng)，數(shù)據(jù)做了一星期，最后才找到個(gè)能接受的非平衡布局。

非平衡磁場(chǎng)是另外一個(gè)故事。我第一次接觸它是在做TiN的時(shí)候。那種布局會(huì)把中間磁場(chǎng)拉強(qiáng)一點(diǎn)、邊緣弱一點(diǎn)，結(jié)果就是等離子體不會(huì)老老實(shí)實(shí)待在中間，反而“溢”出來一些，整個(gè)靶面都能打。用這種設(shè)計(jì)，我們把靶材利用率從原來的30%提到了50%以上，尤其在雙靶結(jié)構(gòu)里，效果更明顯。你從消耗輪廓一看就知道，原來邊上的“死角”都能打下來。

當(dāng)然，不是所有材料都適合這么干。像氧化物靶，脆，一旦蝕刻不均容易炸裂。我們?cè)囍梅瞧胶鈭?chǎng)打ZnO，結(jié)果中間一圈直接崩掉，生產(chǎn)線停兩天。后來我們調(diào)回了稍微“溫和”的磁場(chǎng)梯度，才穩(wěn)住。

還有個(gè)小技巧我挺推薦：多加幾個(gè)霍爾探頭，邊調(diào)邊看等離子體分布，別全靠目測(cè)。肉眼能騙你，但霍爾傳感器不會(huì)。我有次因?yàn)橥祽袥]裝探頭，結(jié)果調(diào)出來的磁場(chǎng)和模擬差了將近20%，浪費(fèi)了整整兩片大尺寸靶。

做這個(gè)方向別想著一次搞定，磁場(chǎng)設(shè)計(jì)得靠反復(fù)試。換材料要重調(diào)、換靶尺寸也得重來。我習(xí)慣記錄每次的磁場(chǎng)分布圖，還專門做了個(gè)小數(shù)據(jù)庫，下次換單晶靶的時(shí)候，就能調(diào)出相似參數(shù)來參考，省事很多。

不過講真，有時(shí)候你也得接受一個(gè)現(xiàn)實(shí)：再怎么調(diào)磁場(chǎng)，也不可能把靶材100%打干凈。邊緣效應(yīng)、冷區(qū)沉積、工藝窗口這些東西，都不是簡單靠磁場(chǎng)能解決的。但能多用20%、30%，那已經(jīng)是實(shí)實(shí)在在的錢了。

我一直覺得，磁控濺射不是個(gè)純技術(shù)活，它像是種“習(xí)慣工程”。每家工廠調(diào)出來的磁場(chǎng)都有點(diǎn)不一樣，但你只要愿意多試幾次、多挨幾次炸靶，就能找到那個(gè)讓你省錢又省心的平衡點(diǎn)。

你們調(diào)磁場(chǎng)的時(shí)候，都踩過哪些坑？

磁控濺射的靶材利用率優(yōu)化，真正有技術(shù)含量的地方，不在“跑道形”還是“非平衡”這幾個(gè)概念本身，而在磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)和等離子體行為的耦合機(jī)制上。我們要跳出“堆磁鐵、畫圖形”的層面，從材料、等離子體與磁場(chǎng)之間的真實(shí)互動(dòng)關(guān)系出發(fā)。我來分享一些更底層、但又有實(shí)際工程價(jià)值的內(nèi)容，基于我們實(shí)際做過的一些實(shí)驗(yàn)和改造。

多層磁場(chǎng)設(shè)計(jì)：不是“跑道形”就夠了，要讓磁通量層層遞進(jìn)

很多人以為“跑道形”就是一組封閉磁力線，實(shí)際上這只是最外層磁路。我做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在單靶結(jié)構(gòu)中加了一組輔助磁鐵，構(gòu)成“內(nèi)層增強(qiáng)磁通區(qū)”，形成一個(gè)磁場(chǎng)梯度井。這個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)在靶表面誘導(dǎo)出多個(gè)等離子體密度峰值，避免材料局部快速消耗。

舉個(gè)例子，我們?cè)赥a靶材中用這種方式，把中心的主等離子體“壓一壓”，同時(shí)提升邊緣磁通，讓整個(gè)靶的蝕刻輪廓從原來的碗形變成淺盤形。用SEM看，蝕刻痕明顯變緩，材料利用率從38%提到了62%。關(guān)鍵在于梯度變化形成了“等離子體拖尾”，把原本被邊緣磁場(chǎng)屏蔽的區(qū)域打通了。

磁滯行為的動(dòng)態(tài)控制：不是越強(qiáng)越好，得“動(dòng)”

大部分系統(tǒng)都是靜態(tài)磁場(chǎng)。其實(shí)很多靶材損耗的真正“浪費(fèi)”，是發(fā)生在長時(shí)間沉積后磁通飽和區(qū)域——這些地方等離子體反復(fù)攻擊，靶材過蝕或燒穿。

我們實(shí)驗(yàn)室玩過一次動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)系統(tǒng)——用步進(jìn)電機(jī)周期性移動(dòng)內(nèi)磁鐵結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)類似“螺旋波”的磁通分布移動(dòng)。這不是簡單的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而是讓磁通隨時(shí)間在靶面“游走”。結(jié)果，原本在90小時(shí)后中心就蝕穿的靶材，用這種方案熬了接近160小時(shí)，而且消耗輪廓更均勻。

這類系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但已經(jīng)有公司把它做進(jìn)商品化設(shè)備，比如日本某家設(shè)備商在他們的AlN沉積腔體中，加入了時(shí)序控制磁場(chǎng)模組。

等離子體自偏移效應(yīng)：磁場(chǎng)不動(dòng)，等離子體自己會(huì)跑

等離子體其實(shí)是活的。尤其在高功率長時(shí)間沉積時(shí)，帶電粒子流會(huì)產(chǎn)生反向磁化，形成一個(gè)弱負(fù)場(chǎng)，反向推動(dòng)本身軌跡偏移。這在傳統(tǒng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)里幾乎沒考慮。

我們測(cè)試過，在Cr靶材高頻連續(xù)工況下，等離子體實(shí)際運(yùn)行路徑比原始磁通軌跡偏離了6~8mm。也就是說，你設(shè)計(jì)得再均勻的磁場(chǎng)，在實(shí)際工作狀態(tài)下也會(huì)“失真”。解決辦法是通過磁場(chǎng)仿真+實(shí)時(shí)等離子體成像，把動(dòng)態(tài)狀態(tài)也建模進(jìn)來，重新設(shè)計(jì)磁場(chǎng)布局的冗余區(qū)域。

這套方案我們?cè)谧龃竺娣e玻璃鍍Mo時(shí)跑過，等離子體密度標(biāo)準(zhǔn)差從原來的0.43降低到0.21，靶材消耗均勻度也隨之提升，報(bào)廢率降了一半。

附帶一個(gè)冷門思路：耦合負(fù)極輔助電極場(chǎng)

這可能是業(yè)內(nèi)都不太提的東西。在傳統(tǒng)磁控結(jié)構(gòu)里，如果你在靠近靶材邊緣布一圈低壓負(fù)極電極，并通過隔離結(jié)構(gòu)控制其與主靶電位差，可以人為在邊緣區(qū)域制造出附加電場(chǎng)，拉動(dòng)低密度等離子體往邊緣遷移。這種做法在做Al?O?和Si?N?陶瓷靶時(shí)效果奇好——這些材料打著費(fèi)勁，打不勻，靠這個(gè)輔助場(chǎng)，邊緣能“點(diǎn)著”。

我們現(xiàn)在在開發(fā)一種“可變形”電極結(jié)構(gòu)，用液態(tài)金屬做可調(diào)形狀電極，靶材邊緣的電場(chǎng)可以像水波一樣動(dòng)態(tài)調(diào)形。說不定哪天這會(huì)成為新標(biāo)準(zhǔn)。

你要是真想把靶材利用率優(yōu)化做到極致，其實(shí)就得忘掉“換磁鐵”這種粗活，而是從場(chǎng)-流-靶相互作用的耦合機(jī)制入手。這不是設(shè)計(jì)一個(gè)圖形，而是調(diào)一個(gè)系統(tǒng)，甚至是調(diào)一個(gè)“行為”。