如何提高溅射率？优化离子能量、等离子体和材料特性

要提高溅射率，需要优化影响溅射过程的几个因素，如离子能量、等离子体电离、靶材料特性以及腔室压力和电源类型等系统参数。通过提高溅射产率（每个入射离子射出的原子数）和增强等离子体的电离度，可以实现更高的溅射率。这包括调整离子能量、目标材料质量和表面结合能等参数，以及有效利用二次电子来提高等离子体电离度。此外，选择合适的电源（直流或射频）并确保对系统条件的精确控制，也能进一步提高溅射率。

要点说明：

增加离子能量:
- 溅射产率（每个入射离子射出的原子数）直接受入射离子能量的影响。离子能量越高，靶原子被射出的可能性就越大。
- 为此，您可以增加溅射系统的电压或功率，这将使离子以更大的动能加速冲向靶材。
- 但是，过高的离子能量可能会损坏靶材或基材，因此找到一个最佳平衡点非常重要。
优化等离子电离:
- 等离子体电离程度越高，意味着可轰击目标的离子越多，从而提高溅射率。
- 利用磁场（如磁控溅射）捕获电子并提高等离子体密度，从而有效利用次级电子。
- 调整腔室压力以保持稳定的等离子体，同时避免离子过度散射。
选择合适的目标材料:
- 溅射产率取决于目标原子的质量及其结合能。结合能较低、原子质量较高的材料通常具有较高的溅射率。
- 例如，与铝等轻质材料相比，金或银等重金属的溅射率通常更高。
控制室压力:
- 腔室压力会影响离子的平均自由路径和等离子体的密度。较低的压力可以增加离子能量并减少散射，但过低的压力可能会降低等离子体密度。
- 最佳压力可确保有效的离子轰击，同时保持稳定的等离子体。
使用正确的电源:
- 直流溅射适用于导电材料，可提供较高的沉积速率，而射频溅射则更适用于绝缘材料。
- 根据目标材料和所需的溅射率来选择电源。在某些情况下，射频溅射也能提高电离效果。
提高二次电子利用率:
- 溅射过程中产生的二次电子可以电离更多的气体原子，从而提高等离子体密度。
- 磁控溅射等技术利用磁场来限制电子，从而提高电离和溅射效率。
调整入射角:
- 离子与目标碰撞的角度会影响溅射产率。由于动量传递增加，非正常角度通常会导致更高的产量。
- 试验不同的角度，为目标材料找到最佳配置。
监控离子电流密度:
- 溅射率与离子电流密度 (j) 成正比。增加电流密度（例如，通过增加功率或等离子体密度）可直接提高溅射率。
- 确保系统能够处理更高的电流密度，而不会造成损坏或不稳定。
考虑目标结晶度:
- 如果靶材具有晶体结构，其晶体轴相对于表面的方向会影响溅射效率。
- 根据晶体结构对准靶材，使溅射效率最大化。
使用溅射率公式:
- 溅射率可用公式计算：
  溅射率 = (MSj)/(pNAe) ,
  其中
  - M = 靶件的摩尔重量、
  - S = 溅射率、
  - j = 离子电流密度
  - p = 材料密度、
  - NA = 阿伏加德罗数、
  - e = 电子电荷。
- 通过优化这些变量，可以系统地提高溅射速率。

通过仔细调整这些因素并了解它们之间的相互作用，可以在保持沉积薄膜质量的同时显著提高溅射速率。

汇总表：

因素	关键优化
离子能量	提高电压或功率以获得更高的动能；避免能量过大。
等离子体电离	利用磁场（如磁控溅射）提高等离子体密度。
目标材料	选择结合能较低、原子质量较高的材料（如金、银）。
腔室压力	保持最佳压力，以实现高效离子轰击和稳定等离子体。
电源	导电材料使用直流电；绝缘材料使用射频。
二次电子	用磁场束缚电子，提高电离效果。
入射角度	尝试使用非正常角度，以获得更高的溅射率。
离子电流密度	增加电流密度 (j) 以提高溅射率。
目标晶体度	调整目标晶体结构，实现最高效率。
溅射率公式	使用：溅射率 = (MSj)/(pNAe) 来优化变量。