一、平面直流磁控溅射与 OOPIC 模拟简介

         平面直流磁控溅射技术是一种广泛应用于镀膜和微电子行业的技术。其基本原理是利用磁场将高能电子约束在阴极附近，这些被约束的电子通过电离中性气体，在阴极靶表面附近形成高密度的等离子体。由这些电子电离所产生的离子以比较高的能量向阴极加速，离子对靶材的轰击不仅可以溅射出用于镀膜的靶材材料，而且还可以产生二次电子以维持放电。

   OOPIC 软件在平面直流磁控溅射技术中发挥着重要作用。通过该软件进行二维自洽粒子模拟，可以重点研究磁场、阴极电势和气压等工作参数对磁控放电特性的影响。这种模拟方法具有重要意义，它可以帮助我们更深入地理解磁控溅射的微观过程，为优化镀膜工艺提供理论依据。

在一定的工作参数范围内，模拟发现随着磁场的增强，鞘层厚度变窄，鞘层电势降减小，阴极离子密度增大但分布变窄；随着阴极电势的增加，鞘层厚度稍微变窄，鞘层电势降增大，阴极离子密度增大且分布变宽；随着气压的升高，鞘层厚度基本不变，鞘层电势降会增大，阴极离子密度先增大后减小，分布略微变宽。这些模拟结果为实际生产中的工艺调整提供了重要参考。

二、模拟结果之磁场影响

（一）鞘层与离子密度变化

随着磁场增强，鞘层厚度变窄，电势降减小，阴极离子密度增大但分布变窄。这一现象在实际应用中具有重要意义。鞘层厚度变窄意味着电子在更靠近阴极的区域被加速，从而提高了离子的产生效率。电势降减小则降低了电子的能量损失，使得更多的电子能够参与电离过程，进一步增加了阴极离子密度。然而，离子分布变窄可能会导致镀膜的不均匀性，需要在实际生产中加以控制。

（二）实际应用中的磁场影响

如磁控溅射靶磁场的模拟优化设计中，磁场对成膜厚度等有影响，同时也存在磁镜理论问题影响镀膜均匀性。在实际的磁控溅射装置中，磁场的不均匀性会导致成膜厚度的不均匀。磁场强的地方，束缚的电子多，激发的离子就多，被溅射出的靶材就多，膜就厚；反之，膜就薄。但这种对应关系并不是严格的，因为在实际操作中，靶面上的每个点都对应基材上的一个面，从靶面上的一个点上被溅射出的原子（或分子），不是被对应的镀到基材上的某一个点上，而是以一定的几率被镀到基材上的一个小面内的任意一点儿上。

此外，磁镜理论也会影响镀膜的均匀性。在实际情况下，靶的长度方向也存在磁场，存在磁镜，这就使得电子沿着靶的长度方向运动不再顺畅。在某些位置，由于磁镜的阻挡电子会比较多，相反一些位置会由于磁镜的阻挡电子比较少。这样就导致一些位置膜较厚一些位置膜较薄，形成膜厚不均匀。

为了解决磁场不均匀性对镀膜均匀性的影响，可以采用一些优化设计方法。例如，通过加装导磁片来调整靶面水平磁感应强度的大小和分布，提高其均匀性。同时，还可以通过优化磁场结构，使等离子体存在于更大的靶面范围，实现靶面的均匀溅射。

在工业电源方面，稳定的电源供应对于磁控溅射过程至关重要。高质量的工业电源能够提供稳定的电压和电流，确保磁场的稳定性，从而提高镀膜的质量和均匀性。此外，工业电源的效率也会影响生产成本，高效的电源能够降低能源消耗，提高生产效益。

三、模拟结果之阴极电势影响

（一）鞘层与离子密度变化

随着阴极电势增加，鞘层厚度稍微变窄，电势降增大，阴极离子密度增大且分布变宽。这意味着在一定范围内提高阴极电势，可以使更多的离子聚集在阴极附近，并且离子的分布范围也会扩大。这种变化对于磁控溅射过程有着重要的影响。鞘层厚度的变窄可能会使电子在更靠近阴极的区域被加速，从而提高离子的产生效率。电势降的增大则可能会增加电子的能量，使其更易于电离气体分子，进一步增加阴极离子密度。

（二）对辉光放电特性的影响

在磁控溅射中辉光放电的 PIC/MCC 模拟研究中，阴极电压对放电电流等有影响，影响辉光放电特性。研究表明，随着阴极电势的增加，放电电流也会相应增大。这是因为阴极电势的升高会使电子获得更高的能量，从而更容易电离气体分子，产生更多的离子和电子。这些带电粒子的增加会导致放电电流的增大。

此外，阴极电势的变化还会影响辉光放电的颜色和强度。一般来说，随着阴极电势的升高，辉光放电的颜色会从浅蓝色逐渐变为紫色或白色，强度也会增强。这是因为高能量的电子和离子在碰撞过程中会释放出更多的能量，激发气体分子发出不同颜色的光。

在实际应用中，我们可以通过调整阴极电势来控制磁控溅射过程中的辉光放电特性，从而实现对镀膜质量的优化。例如，在某些情况下，我们可以适当提高阴极电势，以增加离子密度和放电电流，提高镀膜的沉积速率。然而，过高的阴极电势也可能会导致放电不稳定、靶材过热等问题，因此需要根据具体情况进行合理调整。

在工业电源方面，稳定的阴极电势对于磁控溅射过程至关重要。高质量的工业电源能够提供稳定的电压输出，确保阴极电势的稳定性，从而提高镀膜的质量和均匀性。此外，工业电源的响应速度也会影响阴极电势的调整效果。快速响应的电源能够及时根据工艺要求调整阴极电势，提高生产效率。

四、模拟结果之气压影响

（一）鞘层与离子密度变化

随着气压升高，鞘层厚度基本不变，电势降增大，阴极离子密度先增大后减小，分布略微变宽。这一现象可以从以下几个方面来理解。当气压升高时，气体分子的密度增加，更多的气体分子参与到电离过程中，使得阴极离子密度在一定范围内增大。然而，随着气压的进一步升高，气体分子之间的碰撞频率也增加，导致离子在运动过程中受到更多的阻碍，从而使得阴极离子密度开始减小。

鞘层厚度基本不变可能是由于气压的变化对鞘层区域的电场和磁场影响相对较小。而电势降增大则可能是由于气体分子密度增加，电子在与气体分子碰撞过程中损失的能量增多，导致电势降增大。离子分布略微变宽可能是由于气压升高使得离子在运动过程中的扩散程度增加。

（二）气体不均匀性影响成膜

在影响磁控溅射均匀性的因素中，送气和抽气不均匀导致气体不均匀，影响膜厚分布。一般来说，气体不均匀可以由两种情况产生，一种是送气不均匀，另一种就是抽气不均匀。

例如，在二进制送气方式下，影响膜厚不均匀的主要是磁场；而在铜管送气的情况下，膜厚的分布，在磁场影响的基础上，叠加了一个斜率。这个斜率，正好和铜管送气产生的压强梯度相符。压强大的地方，膜较厚，相反较薄。膜层厚度的变化斜率可能和小孔的密度、大小和送气压力有关，基本关系大概是和小孔密度、大小成正比，和送气压力成反比。

在均匀送气不同抽气情况下，如正常抽气情况指的是真空室内的孪生靶两端对称抽气，可认为是均匀抽气；而一端抽气属于不均匀抽气，会导致膜厚分布发生变化。

在工业电源方面，稳定的气压控制需要可靠的工业电源来支持抽气和送气系统的运行。例如，精确控制送气系统的压力和流量，需要稳定的电源为气体控制设备提供动力。同时，抽气系统也需要稳定的电源来确保真空度的稳定，从而保证磁控溅射过程中的气压稳定，提高镀膜的质量和均匀性。

五、磁控溅射的实际应用与发展

（一）在半导体行业的应用

在半导体行业中，磁控溅射技术广泛应用于金属互连层的沉积。例如，清洁半导体晶圆后，在溅射室内进行真空抽气和氩气引入，设定合适的气体压力和磁场强度，通过磁控溅射铝靶沉积铝薄膜。在此过程中，实时监测电压和溅射速率，确保电压稳定在特定范围内。完成沉积后进行退火处理，可提升薄膜性能。通过实时监测和反馈控制系统，确保溅射电压的稳定性，从而提升工艺一致性和产品可靠性。

（二）在光伏产业的应用

磁控溅射技术在光伏产业中主要用于太阳能电池背电极的制备。清洁太阳能电池片后，在溅射室内进行真空抽气和氩气引入，设定适当的气体压力和磁场强度，启动磁控溅射装置进行铝背电极的沉积。实时监测电压和溅射速率，确保电压稳定在一定范围内。完成沉积后进行热处理，可提升薄膜附着力和导电性能。通过实验数据分析和优化，确定最佳电压范围，有助于提升太阳能电池的转换效率和稳定性。

（三）在薄膜电阻器制造中的应用

在薄膜电阻器的制造过程中，磁控溅射铝靶用于沉积电阻膜和导电膜。清洁基片后，在溅射室内进行真空抽气和氩气引入，设定合适的气体压力。通过磁控溅射技术，可以得到具有特定性能的薄膜电阻器。例如，采用含氧气氛直流磁控溅射薄膜铂电阻制备方法，可得到纯度高、结构致密均匀、附着强度高、热敏电阻性能优异的高性能铂薄膜电阻。

（四）发展前景

随着科技的不断进步，磁控溅射技术的发展前景广阔。一方面，不断优化的磁控溅射设备和工艺将进一步提高薄膜的质量和性能。例如，布勒莱宝光学的 HELIOS 磁控溅射镀膜设备能够满足半导体光学的挑战，为高光谱成像、环境光传感器等应用生产各种复杂的滤光片，实现最高的重复性和均匀性。另一方面，磁控溅射技术与其他技术的结合将拓展其应用领域。例如，日久光电的磁控溅镀技术可以匹配光伏电池等应用领域，虽然目前还没有具体落地项目，但随着技术的发展，未来有望拓宽产品赛道。此外，随着对环保和可持续发展的要求越来越高，磁控溅射技术作为一种环保无污染的镀膜技术，将在更多领域得到应用。

在工业电源方面，随着磁控溅射技术的不断发展，对工业电源的要求也将越来越高。稳定、高效的工业电源将为磁控溅射过程提供可靠的动力支持，确保磁场、阴极电势和气压等参数的稳定性，从而提高镀膜的质量和均匀性。同时，工业电源的智能化和节能化也将成为未来的发展趋势，以满足不断提高的生产效率和降低成本的需求。