了解溅射沉积技术

溅射沉积简介

定义和优势

溅射镀膜是一种复杂的技术，需要在真空室中用高能粒子轰击目标表面。这种轰击会导致原子和其他粒子从目标表面喷射出来，然后沉积到基底上形成薄膜。这一过程依赖于高能粒子向靶原子的动量传递，导致靶原子位移，然后沉积在基底上。

溅射镀膜的主要优势之一是能够实现大面积快速沉积。这种能力对于需要大面积覆盖的应用来说至关重要，例如光学镀膜或半导体设备的制造。此外，通过溅射法生产的薄膜与基材的结合力极佳，可确保耐用性和使用寿命。

另一个显著优势是实现了高溅射密度，从而减少了沉积薄膜中的针孔。针孔会影响薄膜的完整性和性能，因此减少针孔是影响最终产品质量的关键因素。溅射工艺的可控性和可重复性也值得一提，它允许在多次运行中进行精确调整并获得一致的结果。

溅射技术用途广泛，几乎可以在任何材料上沉积薄膜，包括金属、合金甚至复杂的化合物。这种灵活性开辟了广泛的应用领域，从电子产品中功能涂层的制作到航空航天工程中保护层的开发，不一而足。溅射任何材料的能力确保了该技术能够满足特定要求，使其成为各行各业的有力工具。

溅射机制

级联碰撞和溅射

入射离子撞击目标表面时，会将部分能量转移到表面晶格原子上，从而引发一系列复杂的原子运动。这种能量转移会使原子偏离其晶格位置，其中一些原子会获得足够的能量来克服表面势垒并直接溅射。然而，其他原子仍受限于晶格内，导致它们在原地振动并提高目标材料的局部温度。

相当数量的原子在获得足够的能量后会发生反冲。这些反冲原子与邻近原子发生碰撞，使其发生位移，并引发高阶反冲的连锁反应。这一系列级联碰撞被称为级联碰撞.在此过程中，如果级联的能量达到表面并超过表面结合能，原子就会从材料中喷射出来，这种现象被称为级联溅射.

这一过程可以形象地理解为线性级联碰撞，即进入的离子（紫色圆圈）引发一系列反冲（红色、蓝色、绿色和黄色圆圈），最终导致原子从靶材中喷射出来。如果靶很薄，这些射出的原子会从背面逃逸，这一过程被称为 "透射溅射"。

从本质上讲，级联碰撞和溅射是驱动原子位移和喷射的基本机制，而原子位移和喷射是溅射沉积技术中形成薄膜所必需的。

溅射技术类型

二极管溅射

二极管溅射是溅射技术的基础和最基本的形式。这种方法涉及一个简单的装置，包括低压真空室中的阴极和阳极。目标材料（通常是导电薄膜）作为阴极，而阳极则容纳待镀膜的基底。当真空室内的电场增强到临界阈值时，异常辉光放电就会启动，在两个电极之间形成等离子体环境。

在这种等离子状态下，自由电子被加速冲向阳极，与中性气体原子（如氩气）发生碰撞。这些碰撞使气体原子电离，转化为带正电荷的离子。这些离子在电场的影响下加速冲向阴极，轰击目标材料。这种轰击导致目标原子喷射出来，这一过程被称为溅射。这些射出的原子随后穿过等离子体，凝结在基底上，形成一层薄膜。

二极管溅射工艺的特点是简单，而且很早就被采用，但也并非没有挑战。一个显著的限制是沉积速率相对较低，这可能导致涂层时间延长和目标材料的潜在过热。这个问题会损害靶材的原子完整性，因此需要磁控溅射等先进技术来解决这些低效问题。尽管二极管溅射存在局限性，但它仍然是了解更复杂溅射技术的重要基础。

三极管溅射

二极管溅射虽然简单，但存在放电不稳定和沉积率低的问题。为了解决这些局限性，三极管溅射法在二极管溅射装置中引入了热阴极，将其转变为三极管配置。这种改进大大加强了对溅射过程的控制。

在三极管溅射法中，可以通过调节电子发射电流和加速电压来精细调节等离子体密度。这种微调能力可以更精确地控制腔体内的电离过程。此外，还可以通过改变靶电压来调节离子轰击靶材料的能量。这种策略性控制解决了靶电压、靶电流和气体压力之间的固有矛盾，而这正是二极管溅射中常见的难题。

在三极管溅射中引入热阴极不仅能提高沉积速率，还能提高沉积薄膜的整体质量。这种方法尤其适用于需要高质量、均匀、可控性和可重复性更好的薄膜的应用。

磁控溅射

磁控溅射通常被称为高速低温溅射，是一种复杂的等离子涂层技术。这种方法利用了磁约束等离子体与带负电的目标材料之间的相互作用。当来自等离子体的带正电荷的高能离子与目标材料碰撞时，它们会通过一个称为 "溅射 "的过程喷射出原子。这些喷射出的原子随后穿过等离子体，沉积到基底上，形成薄膜。

该过程在一个封闭的磁场中进行，磁场的作用是捕获电子并提高溅射效率。通过在较低的压力下工作，磁控溅射将薄膜中的气体含量降至最低，并减少了溅射原子的能量损失。因此，磁控溅射技术能产生高质量的薄膜，并具有出色的可扩展性，是其他物理气相沉积（PVD）技术的首选方法。

磁控溅射的主要优点之一是沉积速率高，可显著降低基底温升。这尤其有利于保持对温度敏感的基底的完整性。此外，这种方法还具有出色的薄膜质量、可重复性和易于工业化的特点，使其成为各种应用的多功能可靠选择。

与偶极溅射相比，磁控溅射因其在沉积速率、薄膜质量和整体工艺效率方面的卓越性能而脱颖而出。靶材附近的电场和磁场结合产生了 E×B 漂移，使电子的飞行路径弯曲并延长。这导致气体高度电离和相对高密度的等离子体。向阴极/靶加速的离子会溅射出材料，然后在靶上方的基板上形成薄膜。

总之，磁控溅射能以最小的基片温升生产出高质量的薄膜，其可扩展性使其成为工业应用和研究的最佳选择。

反应式磁控溅射

反应式磁控溅射使用金属、合金、低价金属化合物或半导体材料作为靶阴极。在溅射过程中，这种靶材料与导入真空室的气体粒子发生反应，从而在溅射过程本身或材料沉积到基片表面时形成化合物薄膜。这种方法的显著特点是能够生产出高纯度的化合物薄膜，并能精确控制薄膜的特性。

该工艺利用了真空室中的等离子体环境，在这种环境中，氮气或氧气等通常稳定的惰性气体会因高能碰撞而电离并产生高活性。然后，这些活性气体粒子与目标材料相互作用，促进复杂复合结构的产生。

反应磁控溅射的主要优势之一是它能有效地处理大面积、均匀的薄膜。这种能力使其成为大规模生产化合物薄膜的首选技术，因为在这种情况下，一致性和高纯度至关重要。这种方法能够控制薄膜特性，确保生产出的涂层符合严格的规格要求，因此是各种工业应用的多功能可靠选择。

非平衡磁控溅射

非平衡磁控溅射采用了不同于传统平衡设置的独特磁场配置。这种 "泄漏 "磁场设计允许部分磁场线延伸到靶材之外，到达基片。这种延伸促进了次级电子的运动，反过来又增强了等离子体向基底的延伸。因此，流向基底的离子电流显著增加，最高可达传统磁控溅射技术的十倍。

这种技术的主要优势在于它不仅能沉积粒子形成薄膜，还能用等离子体轰击基片。这种双重作用通过在原子水平上重组涂层，大大提高了薄膜的质量。低能量离子是这种重组过程的理想选择，可确保沉积薄膜具有最佳性能。

然而，非平衡磁控溅射也并非没有挑战。离子轰击的增加会导致基片温度升高，有时甚至高达 250°C，并可能带来结构缺陷。尽管存在这些局限性，该技术在制备各种硬质薄膜方面仍然具有很高的价值，因为它所带来的薄膜性能增强是可以接受的。

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