溅射有哪些不同类型？薄膜沉积技术指南

溅射是一种多功能物理气相沉积（PVD）技术，用于在基底上沉积材料薄膜。它是在高能离子轰击下，通常在真空环境中将原子从固体目标材料中喷射出来。根据离子产生方法、电源性质和具体应用，该过程可分为几种类型。这些类型包括直流二极管溅射、射频溅射、磁控溅射、离子束溅射、反应溅射等。每种类型都有其独特的特点、优点和缺点，因此适用于半导体、光学和涂层等行业的不同应用。

要点说明：

直流二极管溅射
- 直流二极管溅射是最简单、最早的溅射形式之一。
- 它使用直流电压（通常为 500-1000 V）点燃靶材（阴极）和基片（阳极）之间的氩气低压等离子体。
- 正氩离子轰击目标，喷射出原子，然后迁移到基底上，凝结成薄膜。
- 优点:安装简单，成本效益高，适用于导电材料。
- 缺点:仅限于导电靶材，沉积速率较低，并可能导致基底加热。
射频溅射
- 射频溅射使用高频交变磁场（通常为 13.56 MHz）代替直流电场。
- 这种方法可以防止目标上的电荷积聚，从而实现对绝缘材料（如陶瓷和半导体）的溅射。
- 优点:能够沉积绝缘材料，减少基底加热，在较低压力下实现较高的溅射率。
- 缺点:与直流溅射相比，设备更复杂，成本更高。
磁控溅射
- 磁控溅射利用磁场来增强溅射气体的电离，提高沉积速率。
- 类型包括
  - 直流磁控溅射:使用直流电源，适用于导电材料。
  - 脉冲直流双磁控溅射:交替靶的极性以防止电弧，是反应溅射的理想选择。
  - 旋转磁铁或旋转靶直流磁控溅射:提高目标利用率和沉积均匀性。
- 优点:沉积率高，材料利用率更高，薄膜均匀性更好。
- 缺点:需要精确控制磁场，成本较高。
离子束溅射（IBS）
- 离子束溅射利用聚焦离子束从靶材上溅射材料。
- 该工艺方向性强，可精确控制薄膜厚度和成分。
- 优点:精度高，薄膜质量好，对基底的损害小。
- 缺点:沉积率较低，设备成本较高。
反应溅射
- 反应溅射是将反应气体（如氧气或氮气）引入溅射腔，在基底上形成化合物薄膜（如氧化物或氮化物）。
- 通常与直流或射频溅射结合使用。
- 优点:可沉积具有定制特性的复合材料。
- 缺点:需要精确控制气体流速，容易造成靶材中毒。
中频（MF）和脉冲直流溅射
- 中频溅射的工作频率在 10-100 kHz 之间，而脉冲直流溅射则交替使用靶材的极性，以防止产生电弧。
- 这些方法尤其适用于反应溅射和沉积绝缘材料。
- 优点:减少电弧，提高薄膜质量，与绝缘靶兼容。
- 缺点:电源更复杂，成本更高。
高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）
- 高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）使用短的高功率脉冲来实现溅射材料的高电离。
- 这样就能获得致密、高质量且附着力极佳的薄膜。
- 优点:卓越的薄膜质量、高电离率和更好的附着力。
- 缺点:沉积率较低，设备复杂度较高。
平面二极管射频溅射
- 射频溅射的一种变体，其靶材和基片呈平面配置。
- 优点:沉积均匀，与绝缘材料兼容。
- 缺点:仅限于小规模应用，沉积率低于磁控溅射。
气流溅射
- 气流溅射利用流动气体将溅射材料输送到基片上。
- 优点:适用于沉积熔点较低的材料，并在复杂的几何形状上形成均匀的涂层。
- 缺点:需要精确控制气体流量，对于高熔点材料效率较低。
离子辅助溅射
- 将溅射与离子轰击基底相结合，以提高薄膜密度和附着力。
- 优点:增强薄膜性能，提高附着力。
- 缺点:复杂性增加，成本提高。

总之，溅射技术可根据电源（直流、射频、中频、脉冲直流、HiPIMS）、离子产生方法（磁控管、离子束）和反应气体的存在（反应溅射）进行大致分类。每种类型都有特定的应用和权衡，因此必须根据所需的薄膜特性、目标材料和基底要求选择正确的溅射方法。

汇总表：

溅射类型	主要特点	优点	缺点
直流二极管溅射	设置简单，使用直流电压（500-1000 V）	成本效益高，适用于导电材料	仅限于导电目标，沉积速率较低，基底加热
射频溅射	高频交变磁场（13.56 MHz）	沉积绝缘材料，减少加热，低压时速率更高	设备复杂，成本较高
磁控溅射	磁场可提高电离和沉积速率	沉积速率高，薄膜均匀性更好	需要精确的磁场控制，成本较高
离子束溅射（IBS）	聚焦离子束实现精确控制	高精度、出色的薄膜质量、最小的基底损坏	沉积率较低，设备成本较高
反应溅射	引入反应气体（如氧气、氮气）	沉积具有定制特性的复合材料	需要精确的气体控制，容易造成目标中毒
HiPIMS	高功率短脉冲实现高电离	卓越的薄膜质量、高附着力、致密薄膜	沉积速率低、设备复杂