什么是化学溅射？使用反应性溅射技术制造先进陶瓷和氮化物薄膜

从本质上讲，化学溅射是一种薄膜沉积工艺，它将来自源材料的原子物理溅射与刻意进行的化学反应相结合，从而在基板上形成新的复合材料。虽然所有溅射都始于物理机制，“化学”部分指的是在真空室中引入反应性气体（如氧气或氮气）。这使得制造纯物理溅射无法实现的薄膜（如陶瓷和氧化物）成为可能。

虽然所有溅射都以物理方式从源靶材中溅射出原子，但化学溅射——更常被称为反应性溅射——会故意引入反应性气体以形成新的复合薄膜。这使该过程从简单的材料转移转变为材料合成。

基础知识：理解物理溅射

要理解化学溅射的独特性，您必须首先掌握所有溅射技术的根本——物理溅射的基础。

溅射是一种物理气相沉积（PVD）工艺。它的工作原理是通过在高真空中用高能离子轰击固体材料（称为靶材）来溅射出原子。

这不是像蒸发那样的热过程。相反，它是一个纯粹的机械、动量传递事件，类似于微观台球碰撞。

整个过程在一个真空室中进行，该真空室首先被抽真空以去除空气，然后重新充入少量惰性气体，最常见的是氩气（Ar）。

这种受控的大气环境可防止污染，并有助于形成稳定的等离子体。

在靶材上施加很强的负电压。这个电场会激发自由电子，这些电子随后会与中性氩原子发生碰撞。

这些碰撞会将电子从氩原子上撞击下来，使它们变成带正电的氩离子（Ar+）。这种带电的、离子化的气体被称为等离子体。

带正电的氩离子被有力地加速射向带负电的靶材。

它们以足够的动能撞击靶材，从而剥离或“溅射”出靶材中的原子。这些被溅射出的原子穿过腔室，沉积在基板（例如硅晶圆或玻璃板）上，形成一层薄而附着力强的薄膜。

化学溅射，或反应性溅射，通过添加一个关键成分来建立在这一物理基础之上：反应性气体。

除了使用像氩气这样的惰性气体外，还会向腔室中通入精确控制量的反应性气体。

常见的例子包括氧气（O₂）以形成氧化物薄膜或氮气（N₂）以形成氮化物薄膜。

当原子从纯金属靶材（例如钛）中被物理溅射出来时，它们会穿过等离子体。

在传输过程中，或到达基板时，它们会与反应性气体发生化学反应。例如，被溅射出的钛（Ti）原子会与氮气（N₂）反应，在基板上形成氮化钛（TiN）薄膜——一种坚硬的、金黄色的陶瓷。

这使得您可以使用简单的纯金属靶材，并在最终薄膜中合成出完全不同的复合材料。

尽管反应性溅射功能强大，但它引入了纯物理过程中不存在的复杂性。

与在惰性气氛中溅射纯金属相比，化学反应过程以及靶材与气体反应的可能性会减慢整体沉积速率。

如果反应性气体压力过高，气体将开始在溅射靶材本身的表面形成化合物层（例如氧化物或氮化物）。

这种被称为靶材中毒的现象会大大改变靶材的电学特性，导致工艺不稳定和薄膜质量不佳。

成功管理反应性溅射需要对惰性气体和反应性气体的分压进行复杂的控制。在不使靶材中毒的情况下，保持精确的平衡以实现所需的薄膜化学计量比是一项重大的工程挑战。

您在物理溅射和反应性溅射之间的选择完全取决于您需要制造的材料。

最终，了解物理轰击与化学反应之间的相互作用，使您能够根据材料的独特要求选择精确的沉积方法。