反應磁控濺射的工作原理和遲滯現象的解決方法
現代表面工程的發展越來越多地需要用到各種化合物薄膜，反應磁控濺射技術是沉積化合物薄膜的主要方式之一。沉積多元成分的化合物薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材濺射沉積，也可以在濺射純金屬或合金靶材時，通入一定的反應氣體，如氧氣、氮氣，反應沉積化合物薄膜，后者被稱這反應濺射。通常純金屬靶和反應氣體較容易獲得很高的純度，因而反應濺射被廣泛的應用沉積化合物薄膜。
但是在沉積介電材料或絕緣材料化合物薄膜的反應磁控濺射時，容易出現遲滯現象，如圖3所示。在反應磁控濺射的過程中，濺射沉積室中的反應氣體流量較低時（A－B），大部分的反應氣體被濺射金屬所獲，此時沉積速率較高，且幾乎保持不變，此時沉積膜基本上屬金屬態，因此這種濺射狀態稱為金屬模式。但是當反應氣體的流量的值增加到臨界值B 時，金屬靶與反應氣體作用，在靶表面生層化合物層。由于化合物的二次電子發射系數一般高于金屬，濺射產額降低，此時反應氣體的流量稍微增加（B－C），沉積室的壓力就是突然上升，濺射速率會發生大幅度的下降，這種過程稱為過渡模式。通常高速率反應濺射過程工作在過渡模式。此后反應氣體流量再進一步增加，氣體流量與沉積室壓力呈線性比例，沉積速率的變化不大，沉積膜呈現為化合物膜，此時的濺射狀態稱為反應模式。在濺射處于反應模式時，逐漸減小反應氣體流量（D－E），濺射速率不會由C 立刻回升到B，而呈現緩慢回升的狀態，直到減小到某個數值E，才會出現突然上升到金屬模式濺射狀態時的數值，這是因為反應氣體保持高的分壓，直到靶材表面的化合物被濺射去除，金屬重新曝露出來，反應氣體的消耗增加，沉積室壓力又降低，這樣就形成了閉合的遲滯回線。類似于上述濺射速率與反應氣體流量之間的遲滯回線的還有靶電壓與反應氣體流量之間的遲滯回線，兩條遲滯回線的趨勢完全相同。
圖3 反應磁控濺射的遲滯現象示意圖
反應濺射中的遲滯效應是不希望有的。遲滯現象使某些化學劑量比的化合物不能通過反應濺射獲得，并且反應氣體與靶材作用生成的化合物覆蓋在靶材表面，積累大量的正電荷無法中和，在靶材表面建立越來越高的正電位，陰極位降區的電位隨之降低，最終陰極位降區電位降減小到零，放電熄滅，濺射停止，這種現象稱為“靶中毒”。同時，在陰極附近的屏蔽陽極上也可能覆蓋化合物層，導致陽極消失現象。當靶材表面化合物層電位足夠高時，進而發生擊穿，巨大的電流流過擊穿點，形成弧光放電，導致局部靶面瞬間被加熱到很高的溫度，發生噴射，出現“打弧”現象。靶中毒和打弧導致了濺射沉積的不穩定，縮短了靶材的使用壽命，并且低能量的“液滴”沉積到薄膜表面，導致沉積薄膜結構缺陷和組分變異。
早期的反應磁控濺射大多是由質量流量計來控制通入沉積室的反應氣體的流量，從而控制沉積室反應氣體的分壓。近年來，許多研究人員做了大量研究與嘗試工作解決這一問題。Maniv等用阻止反應氣體到達靶面的方式，在基體與靶材之間，放置阻隔柵格板，Ar 從阻隔板處引入，反應氣體從靠近基體處引入，這種布局可以減弱反應氣體與靶面的反應，獲得較高較穩定的濺射速率。這種結構的主要缺點是要經常清洗阻隔板，降低了濺射粒子到達基體的機會，同時減弱了等離子體對薄膜的轟擊作用。通過脈沖方式進氣，在靶材表面未生成大量化合物層時切斷反應氣體，使在關閉反應氣體時間內，能濺射去除靶材表面的化合物層，保證濺射處在過渡模式。但這種方式試驗工作量大，且需要連續監控調節，不易控制化合物薄膜的化學組分。此外還有通過提高系統抽氣速率，全靶刻蝕技術，采用化合物陶瓷靶，安裝滅弧裝置等方式。
為了獲得穩定的控制方法，讓濺射處在過渡模式下，還有通過等離子體發射光譜監控法和靶電壓監控法來控制反應濺射過程。最為有效解決直流反應濺射靶中毒和打弧問題的方式是改變濺射電源，即采用射頻，中頻或脈沖電源。射頻濺射在濺射靶與基體之形成高頻(13.56 MHz)放電，等離子體中的正離子和電子交替轟擊靶而產生濺射，解決了濺射絕緣靶材弧光放電的問題，但是相對于射頻濺射速率較低，電源結構復雜，價格較昂貴。中頻和脈沖電源容易獲得，成為目前廣泛應用的磁控濺射技術之一。
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