影响溅射过程的重要参数有哪些？掌握薄膜沉积控制

要控制溅射过程，您必须管理四个主要参数：真空腔内的惰性气体压力、施加到靶材的功率类型和大小、衬底的温度，以及系统的物理特性，例如靶材及其相对于衬底的几何形状。这些因素并非相互独立；它们共同作用，决定了溅射离子的能量和溅射原子运动的路径，最终决定了沉积薄膜的最终性能。

溅射是一个由能量传递控制的动力学过程。核心挑战不仅仅是选择正确的参数，而是理解它们如何相互作用以控制粒子在两个关键阶段的能量：用于从靶材中溅射出原子的能量，以及这些原子到达衬底时的能量。

核心溅射环境

任何溅射薄膜的质量都始于其创建环境。真空腔和其中的气体是您必须控制的基础要素。

该过程首先将腔体抽真空至高真空（例如，约1帕或更低），以去除水蒸气和残余空气等污染物。这确保了最终薄膜的纯度。

然后引入惰性工作气体，通常是氩气，并控制在低压下（例如，10⁻¹至10⁻³毫巴）。这个压力是一个关键的杠杆。

氩气是最常见的选择，因为它化学惰性，并且具有合适的原子质量，可以有效地溅射大多数材料。

气体离子相对于靶原子的质量影响着溅射产额——每个入射离子溅射出的靶原子数量。更好的质量匹配可以提高这种能量传递的效率。

施加到系统的能量决定了过程的速度和所得薄膜的质量。

施加功率以使工作气体电离并产生等离子体。主要有两种类型：直流（DC）和射频（RF）。

增加功率通常会增加等离子体密度和离子能量，从而导致更高的溅射产额和更快的沉积速率。

加热衬底，通常加热到150–750°C之间，是向过程中注入能量的另一种方式。

这种额外的热能使新沉积的原子具有更高的表面迁移率。它允许它们在衬底表面移动，以在薄膜的晶格中找到更稳定、能量更低的位置，从而形成更致密、更结晶、更高质量的薄膜结构。

溅射系统的固定组件也作为关键工艺参数。

溅射产额直接受靶材的结合能和原子质量影响。结合力较弱的重原子通常更容易溅射。

靶材和衬底之间的距离和角度也起着重要作用。这种几何形状决定了薄膜在衬底上的均匀性，并影响任何给定点的沉积速率。

现代系统几乎都使用磁控溅射。在靶材附近施加磁场以捕获其附近的自由电子。

这种限制大大增加了电子与氩气原子碰撞并使其电离的概率。结果是在靶材附近形成了更致密的等离子体，从而在较低的气压下实现了显著更高的溅射速率。

优化溅射过程是一个平衡行为。改善一个特性通常会以牺牲另一个特性为代价。

通过增加功率或压力来追求高沉积速率可能会适得其反。高功率会产生过多的热量，而高压会导致更多的气体掺入和更疏松的薄膜结构，从而降低整体质量和密度。

如果您需要涂覆复杂的3D表面，较高的工作气压是有益的，因为它会散射溅射原子，使其能够涂覆侧壁。然而，这种相同的散射效应会降低原子着陆时的动能，这可能导致薄膜密度降低。

总循环时间受腔室尺寸及其真空泵送系统能力的影响很大。较大的腔室可以一次处理更多的衬底，但需要更长时间才能抽真空到所需水平，从而在吞吐量和初始设置时间之间产生权衡。

您选择的参数应由薄膜的预期结果决定。

掌握溅射过程在于理解这些相互关联的变量如何控制能量和物质从靶材到衬底的流动。