直流溅射需要多大压力？优化您的薄膜沉积工艺

直流溅射所需的压力是一个关键的平衡过程。 它通常在 1 到 100 毫托 (mTorr) 的工作压力范围内运行，最佳范围通常在 1 到 10 mTorr 之间。该压力是在腔室被抽真空至远低于基准压力后，使用惰性工艺气体（最常见的是氩气）建立起来的。

直流溅射中的核心挑战是设定一个压力，该压力既要高到足以维持稳定的等离子体放电，又要低到足以确保离子具有足够长的“平均自由程”来以足够的能量撞击靶材，从而实现有效的材料溅射。

压力在溅射过程中的作用

要理解为什么使用特定的压力范围，我们必须研究直流溅射过程中相互竞争的两个要求：产生等离子体和有效地加速离子。

溅射过程始于向真空腔中引入低压惰性气体（如氩气）并施加高电压。该电压使气体原子电离，产生持续的辉光放电，即等离子体。压力必须足够高，才能提供足够密度的气体原子来可靠地引燃和维持该等离子体。

平均自由程是指一个粒子——在本例中是一个氩离子——在与另一个粒子碰撞之前所行走的平均距离。这个概念是受压力控制的最重要的因素。

较低的压力会导致腔室内的气体原子数量减少，从而产生较长的平均自由程。相反，较高的压力意味着气体原子较多，平均自由程较短。

离子在电场的作用下被加速朝向靶材。为了实现高溅射率，这些离子必须以最大的动能撞击靶材。

较长的平均自由程（较低的压力）允许离子不间断地传播更远的距离，在撞击前从电场中获得更多能量。这导致了更有力的碰撞，并从靶材中溅射出更高产率的原子。

您的工艺的最佳压力是在等离子体稳定性、沉积速率和最终薄膜质量之间的一种权衡。选择超出理想范围的压力可能导致严重问题。

当压力过高时，平均自由程会变得非常短。离子不断与中性气体原子碰撞，阻止它们在撞击靶材前获得显著能量。

这会导致溅射产率低和沉积速率慢。此外，被溅射出的原子本身在到达基板的途中会与气体原子碰撞，导致它们损失能量并发生散射，这可能导致形成多孔、低密度的薄膜。

当压力过低时，平均自由程非常长，这有利于离子加速。然而，气体原子的密度不足以维持稳定的等离子体放电。

在这些低压力下，等离子体可能会变得不稳定甚至完全熄灭，使得工艺无法可靠运行或根本无法运行。

区分初始真空水平和最终工艺压力至关重要。

基准压力是在引入工艺气体之前达到的深真空水平（例如 10⁻⁶ Torr）。其目的是去除氧气和水蒸气等污染物，这些污染物否则会掺入您的薄膜中，损害其纯度和性能。

工作压力（或工艺压力）是在达到令人满意的基准压力后，通过通入受控的惰性气体流来建立的较高压力（例如 5 mTorr）。这是实际发生溅射的压力。

理想的压力设置完全取决于您对薄膜的期望结果。

最终，将压力视为关键的调节参数对于在您的薄膜沉积工艺中获得一致和高质量的结果至关重要。