铝可以进行溅射吗？掌握高质量薄膜的工艺

是的，铝可以进行溅射，这是一种非常常见的工艺，用于制造薄膜，应用范围从镜子上的反射涂层到微电子中的电互连。然而，由于铝的高化学反应性，特别是与氧气的反应性，成功溅射铝需要对工艺进行仔细控制。

溅射铝的核心挑战不在于工艺本身，而在于管理金属与真空室中任何残留氧气瞬间反应的趋势。这种反应会“毒化”溅射靶材，从而大幅降低沉积速率并损害薄膜质量。

核心挑战：铝的反应性

溅射是一种物理气相沉积 (PVD) 工艺。它通过用等离子体中的高能离子轰击固体材料（在本例中为靶材，即铝）来工作。这种轰击会物理性地将原子从靶材中喷射出来或“溅射”出来，然后这些原子会移动并沉积到基板上，形成薄膜。

铝是一种高活性金属。当铝表面暴露于微量氧气或水蒸气时，它几乎会立即形成一层非常薄、坚韧且电绝缘的氧化铝 (Al₂O₃) 层。

这种自然特性是溅射过程中的主要障碍。溅射发生的真空室总是含有微量残留气体，包括氧气和水。

当氧化物在铝靶材表面形成的速度快于其被溅射掉的速度时，靶材就被称为“中毒”。

这主要有两个问题。首先，氧化铝的溅射产率远低于纯铝，这意味着更难从中喷射出原子。这会导致沉积速率急剧下降。

其次，氧化层是电绝缘体。如果您使用常见的直流 (DC) 溅射方法，正电荷会积聚在这些绝缘斑块上，导致等离子体不稳定和破坏性电弧事件。

控制腔室环境和溅射参数对于实现稳定和可重复的工艺至关重要。目标是使靶材保持其清洁的金属状态。

第一道防线是最大限度地减少可用反应气体的量。这意味着在沉积腔室中应以非常低的本底压力开始，通常在 10⁻⁷ 托或更低的范围内。通常使用高性能真空泵（例如低温泵）来有效去除水蒸气。

溅射过程本身是在惰性气体的受控气氛中进行的，几乎总是高纯度氩气 (Ar)。使用超高纯度（99.999% 或“五九”）氩气对于避免将氧气或水分污染物引入工艺气体至关重要。

在打开挡板将薄膜沉积到基板上之前，通常的做法是运行溅射过程几分钟。这个预溅射步骤起到最终清洁的作用，利用氩等离子体清除靶材表面形成的任何残留氧化层。

对于纯金属铝薄膜，直流磁控溅射是最快和最常见的方法。然而，由于氧化中毒引起电弧的风险，通常首选脉冲直流电源。它们快速循环电压，这有助于中和可能形成的任何绝缘点上的电荷积聚，从而提供更稳定的过程。

如果目标是故意制造氧化铝薄膜（一种称为反应溅射的工艺），则通常使用射频 (RF) 电源，因为它旨在有效地溅射绝缘材料。

工艺参数的选择涉及平衡相互竞争的因素。

以非常高的沉积速率（使用高功率）操作有助于保持靶材表面清洁，因为铝被溅射掉的速度快于其氧化速度。然而，这种激进的方法可能不太稳定，并且可能不适用于所有应用。

简单的直流电源是最便宜的选择，但对靶材中毒和电弧的保护最少。先进的脉冲直流或射频电源提供卓越的工艺稳定性和控制，但代表着更大的设备投资。

您的溅射策略应由您打算制造的薄膜类型决定。

如果您的主要重点是纯净、导电的铝薄膜：您的目标是消除所有氧气来源。优先实现高真空，使用高纯度氩气，并采用高功率直流或脉冲直流电源进行彻底的预溅射清洁。
如果您的主要重点是耐用、绝缘的氧化铝 (Al₂O₃) 薄膜：您将使用反应溅射。这涉及在氩气旁边有意地将受控的氧气流引入腔室，并且通常需要射频电源来管理绝缘靶材。
如果您需要混合性能或处于研究环境中：配备脉冲直流电源的系统提供最大的灵活性，为溅射纯铝提供稳定性，同时也能处理一些反应过程。

最终，掌握铝溅射的关键在于精确控制真空环境，以克服金属对氧气的强大亲和力。