什么是溅射？薄膜沉积的分步指南

从本质上讲，溅射是一种物理过程，用于以原子级的精度制造超薄材料膜。它涉及在真空中用高能离子轰击源材料（称为“靶材”），从而将原子从靶材中溅射出来。这些被溅射出的原子随后传输并凝结到称为“基板”的表面上，形成一层新的、高度均匀的层。

理解溅射最有效的方法是将其想象成一种原子尺度的喷砂。你不是用沙子来剥离表面，而是用一种超强电荷的气体（等离子体）将源材料上的单个原子击出，然后这些原子在另一个物体上逐个原子地重建一个新表面。

核心原理：受控的原子碰撞

溅射是一种物理气相沉积（PVD）工艺。与用热量蒸发材料的工艺不同，溅射使用纯粹的动量转移来释放原子。这使得它在控制薄膜特性方面具有卓越的能力。整个过程在真空室内部以一系列精心控制的步骤展开。

在过程开始之前，腔室被密封并抽真空至极低压力。

这个真空至关重要，原因有二。首先，它去除了污染物，如空气和水蒸气，这些污染物否则会嵌入薄膜中并损害其纯度。其次，它为被溅射的原子从靶材传输到基板提供了一条清晰、无障碍的路径。

一旦建立真空，就会向腔室中引入少量精确控制的惰性气体，几乎总是氩气（Ar）。

然后施加高电压。这种电能会从氩原子中剥离电子，形成一种发光的、电离的气体，称为等离子体。这种等离子体是带正电的氩离子（Ar+）和自由电子的“混合物”。

源材料，即靶材，被施加一个强大的负电荷。

就像磁铁的异极相吸一样，等离子体中带正电的氩离子被强力加速射向带负电的靶材。它们以巨大的动能撞击靶材表面。

这种撞击就是“溅射”事件。离子碰撞的能量传递给靶材中的原子，使其获得足够的能量而被击松，或从表面被溅射出来。

从靶材中溅射出的原子是中性粒子。它们不受腔室中电场的影响。

这些原子在真空中沿直线传播，直到撞击到表面。通过策略性地将你的物体（基板）放置在靶材前方，你可以确保这些行进中的原子落在其上。

当它们到达时，原子会凝结在基板表面，逐渐形成一层薄的、致密的、高度均匀的薄膜。

虽然核心原理相同，但存在几种溅射技术，每种技术都针对不同的材料和结果进行了优化。理解这些是有效利用该过程的关键。

最简单的方法是直流（DC）溅射，它使用恒定的负电压。这对大多数金属等电导体靶材非常有效。

然而，如果靶材是电绝缘体（如陶瓷），其表面会迅速积累正电荷，排斥进入的氩离子，从而停止过程。对于这些材料，使用射频（RF）溅射。它会快速交替电压，防止电荷积聚，从而允许溅射绝缘材料。

现代溅射系统几乎总是在靶材后方装有磁铁。这种技术称为磁控溅射。

磁场将等离子体中的自由电子限制在靶材表面附近。这些被捕获的电子以螺旋路径移动，大大增加了它们与更多氩原子碰撞并使其电离的机会。这在需要的地方产生了更密集、更强的等离子体，从而实现了更高的沉积速率，并允许过程在较低的压力下进行。

虽然氩气因其惰性而被使用，但你可以有意地引入一种反应性气体，如氧气或氮气，与氩气一起使用。

在这个称为反应性溅射的过程中，被溅射的金属原子在传输到基板的途中与气体发生反应。这使得你可以直接在基板上沉积化合物薄膜，例如氮化钛（硬质涂层）或二氧化硅（光学涂层）。

你选择的具体溅射方法完全取决于你想沉积的材料以及最终薄膜所需的性能。

归根结底，溅射的强大之处在于它对新表面创建的精确、可重复的控制能力。

溅射步骤	关键动作	目的
1. 真空创建	将腔室抽真空至低压	去除污染物，提供清晰的原子路径
2. 等离子体生成	引入氩气，施加高压	产生用于轰击的电离气体（Ar+ 离子）
3. 靶材轰击	将离子加速射向带负电的靶材	通过动量转移从源材料中溅射出原子
4. 薄膜沉积	被溅射的原子传输并凝结在基板上	构建均匀、高纯度的薄膜层
关键变化	直流溅射（金属），射频溅射（绝缘体），磁控（更高效率），反应性（化合物薄膜）	根据特定的材料和涂层要求定制过程