什么是反应溅射？先进薄膜沉积技术指南

反应溅射是一种专门的薄膜沉积技术，在这种技术中，氧气或氮气等反应性气体被导入装有目标材料和氩气等惰性气体的真空室中。反应气体与目标材料溅射出的原子发生化学作用，形成氧化物或氮化物等化合物，然后以薄膜形式沉积在基底上。这种工艺可以精确控制薄膜的成分和特性，非常适合需要特定功能特性的应用，如阻挡层或光学涂层。不过，它需要对气体流速和分压等参数进行仔细管理，以避免出现滞后等问题，并确保最佳薄膜质量。

要点说明：

反应溅射的基本机制:
- 反应溅射是将反应气体（如氧气、氮气）与惰性气体（如氩气）一起引入真空室。
- 目标材料受到来自惰性气体的离子轰击，导致原子从目标材料中喷射（溅射）出来。
- 这些溅射出的原子随后与腔室中的反应气体发生反应，形成氧化物或氮化物等化合物。
- 生成的化合物以薄膜的形式沉积在基底上。
反应气体和惰性气体的作用:
- 惰性气体（氩气）:提供溅射目标材料所需的离子。通常使用氩气，因为它具有化学惰性，不会与靶材或基质发生反应。
- 反应气体（氧气、氮气）:与溅射靶原子发生化学反应，形成氧化钛 (TiO₂) 或氮化钛 (TiN) 等化合物。
- 惰性气体和活性气体的比例对于控制沉积薄膜的化学计量和特性至关重要。
炉室内的化学反应:
- 反应气体在惰性气体产生的等离子环境中发生电离。
- 这些离子与溅射的目标原子发生反应，形成分子化合物。
- 例如，在有氧气存在的情况下溅射硅会产生氧化硅（SiO₂），而在有氮气存在的情况下溅射钛会产生氮化钛（TiN）。
控制薄膜成分和特性:
- 通过调节反应气体和惰性气体的分压，可精确控制沉积薄膜的成分。
- 这种控制对于优化应力、折射率和导电率等功能特性至关重要。
- Berg 模型通常用于预测反应气体对目标侵蚀和沉积速率的影响，从而帮助优化工艺。
挑战和复杂性:
- 磁滞行为:引入反应性气体会导致沉积过程出现非线性行为，因此需要仔细控制气体流速和分压等参数。
- 目标中毒:过多的反应气体会在靶材表面形成化合物层，降低溅射效率。可通过平衡活性气体流量和保持稳定的等离子体来解决这一问题。
- 工艺稳定性:要获得一致的薄膜特性，需要精确控制反应溅射环境，包括气体比例、压力和电源。
反应溅射的应用:
- 阻隔层:反应溅射用于沉积在微电子中起扩散屏障作用的薄膜，如半导体器件中的氮化钛 (TiN) 层。
- 光学镀膜:氧化硅（SiO₂）和氧化钛（TiO₂）等薄膜的折射率可调，因此可用于光学应用。
- 耐磨涂层:氮化钛 (TiN) 和类似化合物用于工具和部件，以提高耐用性和抗磨损性。
反应溅射的变体:
- 直流反应溅射:使用直流电源产生等离子体。这种方法比较简单，但容易造成目标中毒。
- 射频（无线电频率）反应溅射:使用高频交流电，更适合绝缘材料，可减少靶材中毒效应。
与非反应溅射相比的优势:
- 可沉积具有精确化学计量和定制特性的化合物薄膜。
- 扩大了可沉积材料的范围，包括氧化物、氮化物和碳化物。
- 为特定应用调整薄膜特性提供更大的灵活性。

通过了解这些要点，设备和耗材采购人员可以更好地理解反应溅射的技术细节，并就其在工艺中的应用做出明智的决定。

汇总表：

关键方面	说明
机理	反应气体与溅射靶原子反应形成化合物（如氧化物、氮化物）。
使用的气体	惰性气体（氩气）用于溅射；活性气体（氧气、氮气）用于形成化合物。
应用	阻隔层、光学涂层、耐磨涂层。
挑战	滞后、目标中毒、工艺稳定性。
优势	精确的薄膜成分、量身定制的特性、更广泛的材料范围。