射频溅射中等离子体是如何产生的？交变电场在电离气体中的作用

在射频溅射中，等离子体是通过向低压惰性气体（如氩气）施加高频交变电场而产生的。这种快速振荡的电场使腔室内的自由电子获得能量，导致它们与中性气体原子碰撞并剥离其电子。这个过程，被称为撞击电离，产生了一个由正离子和自由电子组成的自持云，我们称之为等离子体。

与仅适用于导电材料的直流溅射不同，射频溅射使用交变电场。这一核心区别可以防止绝缘靶材上灾难性的电荷积累，从而使等离子体得以维持并持续进行溅射。

等离子体点火的基本步骤

为射频溅射创建稳定的等离子体是一个精确的多步骤过程。它始于真空环境，最终形成自持的链式反应。

首先，溅射腔室被密封并抽真空至高真空，以去除氧气和水蒸气等污染物。然后，将纯净的惰性气体——最常见的是氩气（Ar）——引入腔室并保持在特定的低压下。这种受控环境确保随后的等离子体几乎完全由所需气体组成。

在这种低压气体中，总会有一些来自自然宇宙辐射或热能的游离或自由电子存在。这些初始电子是点燃等离子体的基本“种子”。

射频电源（通常工作在联邦规定的13.56 MHz频率）施加到被称为靶材的电极上。这在腔室内产生了一个快速交变的电场。由于电子比氩原子轻数千倍，它们是唯一能响应这种高频振荡的粒子，快速地来回加速。

当这些获得能量的电子振荡时，它们会与大的、静止的中性氩原子碰撞。如果电子从电场中获得了足够的动能，它的碰撞将是“非弹性的”，将一个电子从氩原子的轨道壳中撞出。

这种碰撞的结果是一个正氩离子（Ar+）和两个自由电子。这两个电子随后被射频场加速，导致更多的碰撞，并产生更多的离子和电子。这种雪崩效应是一个链式反应，迅速产生溅射所需的致密、发光的等离子体。

射频（RF）场的使用并非随意；它是解决使绝缘体溅射成为可能的一个根本问题的特定方案。

在简单的直流（DC）系统中，负电压施加到靶材上。这会吸引正氩离子，它们撞击靶材并溅射出材料。这对于导电金属靶材来说非常有效，因为它可以消散离子带来的正电荷。

然而，如果靶材是绝缘体（如石英或氧化铝），来自入射离子的正电荷会积聚在其表面。这种正电荷的积累，被称为“靶中毒”，会迅速排斥更多入射的正离子，从而使溅射过程失效并熄灭等离子体。

交变射频场在每个周期中都解决了这个问题。

在靶材为负极的周期部分，它吸引正Ar+离子，溅射按预期进行。

在靶材变为正极的下一个周期部分，它强力吸引等离子体中高度移动、轻质的电子。这些电子涌向靶材表面，中和在溅射阶段积聚的正电荷。这在每个周期都清洁了靶材表面，使过程得以继续。

由于电子比离子移动性强得多，所以在靶材短暂的正极阶段撞击靶材的电子数量远多于在较长的负极阶段撞击的离子数量。最终结果是绝缘靶材表面会形成一个整体的负直流偏压，即使施加的电压是交流的。这种负偏压确保了对正离子的持续强吸引力，有效地推动了溅射过程。

虽然射频溅射用途广泛，但与其他方法相比，它也有一定的权衡。

对于导电材料，射频溅射通常比直流溅射慢。这是因为显著的离子轰击和溅射只发生在射频周期中靶材足够负电荷的部分。

射频系统需要更复杂和昂贵的设备。射频电源和阻抗匹配网络是必不可少的，以确保功率有效地传输到等离子体中，而不是反射回源。这增加了简单直流设置中不存在的复杂性和成本。

在其基本形式中，射频等离子体可能很扩散，导致腔室和基板不必要的加热。这就是为什么许多现代系统将射频功率与磁控管技术结合起来。靶材后面的磁铁将电子捕获在其表面附近，大大提高了电离效率，并在最需要的地方产生了更致密的等离子体。

您选择的溅射技术应完全取决于您希望沉积材料的电学特性。

如果您的主要目标是沉积导电材料（金属、合金、透明导电氧化物）：直流或脉冲直流磁控溅射几乎总是更好的选择，因为它具有更高的沉积速率和更简单的设置。
如果您的主要目标是沉积绝缘材料（氧化物如SiO₂、Al₂O₃，或氮化物如Si₃N₄）：射频溅射是必要且正确的方法，因为其交变电场是防止靶材上致命电荷积累的唯一实用方法。
如果您的主要目标是控制薄膜应力或反应性沉积复合薄膜：结合射频或脉冲直流电源并进行精细的工艺控制是实现所需薄膜性能所必需的。

理解交变电场的作用是掌握射频溅射并成功沉积高质量绝缘薄膜的关键。