在溅射过程中，气体压力是一个基本的控制参数，它对薄膜质量和沉积速率有着直接且常常是相互竞争的影响。 通常，在较低的工作压力下操作会增加到达基板的颗粒的能量，这有利于形成致密、高质量的薄膜。相反，增加压力可能会在一定程度上提高溅射速率，但通常是以牺牲薄膜质量为代价的，因为这会导致颗粒碰撞和能量损失增加。
设定溅射压力的核心挑战在于平衡沉积速度和最终薄膜质量之间固有的权衡。没有单一的“最佳”压力；最佳设置是根据所沉积的特定材料和最终薄膜所需的性能量身定制的审慎折衷。
物理原理：气体压力如何控制工艺
要控制结果，您必须首先了解其机制。气体压力不仅仅是压力表上的一个数字；它从根本上改变了溅射靶材和基板之间的环境。
控制平均自由程
最关键的概念是平均自由程：一个颗粒（离子或溅射原子）在与气体原子碰撞之前所行进的平均距离。
- 在低压下，气体原子较少，导致平均自由程较长。
- 在高压下，气体原子很多，导致平均自由程较短。
这一单一因素决定了腔室内所有颗粒的能量和方向。
确定颗粒能量
溅射原子到达基板的能量对于薄膜质量至关重要。压力是控制该能量的主要旋钮。
在低压下，溅射原子在从靶材到达基板的途中很少或没有发生碰撞。它们以高动能到达基板，这有利于形成致密薄膜。
在高压下，这些相同的原子与背景气体发生多次碰撞。每次碰撞都会使其能量损失，导致它们以非常低的能量到达基板。
压力如何直接影响薄膜质量
到达原子的能量直接转化为沉积薄膜的微观结构和物理特性。
低压：更致密、更高质量的薄膜
当原子以高能量到达时（由于低压），它们在基板表面具有足够的迁移率。这使得它们能够在薄膜晶格结构中占据能量有利的位置。
结果是形成更致密、更紧凑的薄膜，孔隙或针孔更少。这通常会带来更好的附着力、更优异的光学或电学性能以及更高的内部完整性。
高压：多孔、低质量的薄膜
当原子以低能量到达时（由于高压），它们基本上是“落在哪里就停在哪里”。它们缺乏重新排列成最佳结构的能量。
这会形成一种更多孔、柱状的薄膜结构，晶粒之间存在明显的空隙。这些薄膜通常附着力差、电阻率高，并且可能会截留溅射气体，从而导致内部应力高和长期不稳定。
对溅射速率的复杂影响
压力与沉积速率之间的关系不是线性的，如果不正确理解，可能会产生误导。
初始速率增加
从非常低的压力开始，压力的轻微增加会提供更多的气体原子（通常是氩气）被电离。这增加了等离子体的密度以及可用于轰击靶材的离子数量，从而提高了从靶材溅射材料的速率。
临界点和速率下降
然而，随着压力的持续升高，两种负面影响开始占主导地位。
首先，靶材附近的 গ্যাস原子云变得如此密集，以至于它可能会散射轰击离子，从而降低溅射过程本身的效率。
其次，也是更重要的是，溅射出的原子在通往基板的途中被散射的次数越来越多。它们可能会被偏转回靶材或溅射到腔室壁上，永远无法到达您的样品。这导致基板上的实际沉积速率显著下降，即使材料仍以高速率从靶材上移除。
理解权衡
优化溅射工艺是在相互竞争的因素之间取得平衡的过程。压力是这一挑战的核心。
速率与质量的困境
核心的权衡是明确的：通过增加压力来追求尽可能高的沉积速率，几乎总是会牺牲薄膜质量。产生最快沉积的压力很少是产生最致密、功能性最好的薄膜的压力。
均匀性因素
在非常低的压力下，沉积可能变得更加“视线方向性”，这可能会降低大尺寸或复杂形状基板上的薄膜厚度均匀性。稍高的压力可以利用气体散射来发挥优势，产生更分散的原子流，从而可以更均匀地涂覆表面，尽管这是以牺牲密度为代价的。
与功率的相互作用
压力不是孤立存在的。如射频溅射中所述，增加功率也会增加离子轰击能量。因此，可以通过具有明显更高功率的高压工艺来模仿低压工艺，但这会引入与基板加热和靶材降解相关的自身复杂性。
为您的目标设定正确的压力
您的操作压力选择必须由您特定薄膜的最终目标驱动。
- 如果您的主要重点是最大的薄膜密度和性能（例如，光学涂层、半导体阻挡层）： 从您的系统可以维持的最低稳定压力开始，只有在绝对必要时才增加压力以控制应力或均匀性。
- 如果您的主要重点是高吞吐量且应用要求不高（例如，简单的金属层、装饰性涂层）： 试验以找到产生峰值沉积速率的压力，但请务必验证薄膜的附着力和完整性是否仍在您的可接受范围内。
- 如果您的主要重点是均匀涂覆复杂的 3D 形状： 可能需要中等偏高的压力来促进气体散射，但这必须仔细平衡，以避免产生过度多孔和低质量的薄膜。
归根结底，掌握溅射压力就是了解和控制沉积原子的能量，以构建您所需的精确薄膜结构。
摘要表：
| 压力水平 | 对薄膜质量的影响 | 对沉积速率的影响 | 典型应用案例 |
|---|---|---|---|
| 低压 | 高密度、致密薄膜、优异性能 | 速率较低，但原子到达能量高 | 光学涂层、半导体阻挡层 |
| 高压 | 多孔、柱状结构、质量较低 | 初始速率增加，随后因散射而下降 | 高吞吐量、要求不高的层 |
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