什么是射频溅射？绝缘材料镀膜指南

本质上，射频（RF）溅射是一种物理气相沉积（PVD）技术，用于制造绝缘或非导电材料的超薄膜。与仅适用于导电靶材的标准直流溅射不同，射频溅射使用交变电场来克服“电荷积聚”效应，该效应否则会阻止陶瓷和聚合物等材料的沉积。

溅射绝缘材料的核心挑战在于它会积聚正电荷，从而排斥过程所需的离子。射频溅射通过快速交替电压来解决这个问题，利用周期的一部分来中和这种电荷，另一部分则继续沉积，从而使更广泛的材料能够被镀膜。

溅射的基本工作原理

要了解射频溅射的独特之处，我们必须首先了解一般的溅射过程。

溅射发生在一个充满惰性气体（最常见的是氩气 (Ar)）的高真空腔室中。对源材料（称为靶材）施加高电压，使气体电离形成辉光等离子体。

这种等离子体包含带正电的氩离子 (Ar+)。这些离子以高速加速冲向带负电的靶材。

这些离子的高能撞击会物理性地将原子从靶材表面击出。这些被喷射出的原子随后穿过真空腔室，沉积到基底（例如硅晶圆或玻璃片）上，逐渐形成薄膜。

此过程可以对薄膜特性进行极其精确的控制。工程师可以决定薄膜的厚度、密度、晶粒结构和电阻率。

这种控制水平使溅射成为生产半导体、光学透镜、硬盘和医疗植入物等行业的关键制造工艺。

上述简单的溅射机制对于导电靶材来说完美无缺，但对于绝缘体来说则完全失效。

标准方法，称为直流溅射，对靶材施加恒定的负电压。这适用于金属，因为它们可以很容易地传导由到达的氩离子带来的正电荷。

绝缘体，顾名思义，不能传导这种电荷。

当正氩离子撞击绝缘靶材时，它们的正电荷会积聚在靶材表面。

片刻之内，这种正电荷的积聚变得如此之强，以至于它开始排斥传入的正氩离子。这有效地绝缘了靶材并完全停止了溅射过程。

射频溅射通过用高频交变电压（通常为13.56 MHz）代替恒定的直流电压来克服这个问题。

在交流周期的正半周期间，等离子体中大量高迁移率的电子被吸引到靶材上，立即中和了积聚的正电荷。

在周期的负半周期间，靶材再次被负偏置，吸引氩离子继续溅射过程。这种快速切换使得任何材料都可以连续沉积，无论其导电性如何。

虽然射频溅射具有极高的通用性，但与更简单的直流方法相比，这种能力也伴随着特定的权衡。

由于在每个周期的电荷中和半周期间离子轰击实际上是暂停的，因此射频溅射通常比直流溅射慢。对于简单金属的大批量生产，直流溅射通常因其更高的吞吐量而更受青睐。

射频溅射系统需要复杂的射频电源和匹配网络才能有效地将能量传输到等离子体中。这种设备比用于直流溅射的简单电源更复杂、更昂贵。

射频溅射的主要优点是它能够沉积几乎任何材料。氧化物、氮化物、陶瓷、聚合物和复杂合金都可以高精度沉积，使其成为先进材料研究和制造不可或缺的工具。

选择正确的溅射方法完全取决于您需要沉积的材料和您的操作优先级。

最终，选择正确的沉积技术是为了将工具与手头的特定材料挑战相匹配。