溅射本质上是一种物理气相沉积（PVD）工艺，用于制造极其薄、高性能的薄膜。它的工作原理是在真空中用高能离子轰击一种源材料（称为靶材）。这种冲击会物理地将原子从靶材上撞击下来，然后这些原子会移动并沉积到基底上（例如硅晶圆或光学透镜），从而形成所需的涂层。
溅射最好理解为一系列高度可控的技术，而非单一方法。其主要优点在于能够从种类繁多的材料中沉积出致密、附着力强的薄膜，包括使用其他方法难以或不可能沉积的复杂合金和绝缘体。
溅射工作原理：原子级过程
溅射是一种直线视线、机械过程，在原子层面发挥作用。其机制可分为三个关键阶段。
核心机制：产生等离子体
整个过程发生在高真空腔室内。首先，腔室被抽空，然后引入少量惰性气体，通常是氩气。
施加高电压，使氩气电离并产生发光的等离子体——一种包含正离子和自由电子的超热物质状态。
碰撞级联：喷射靶材原子
靶材（涂层的来源）被施加负电荷。这会吸引等离子体中的正氩离子，导致它们加速并以巨大的能量撞击靶材表面。
这种轰击引发了碰撞级联，类似于母球撞击一堆台球。冲击的动量通过靶材的原子传递，最终导致表面原子从靶材中被喷射或“溅射”出来。
沉积：构建薄膜
溅射出的原子穿过真空腔室，并在基底的较冷表面凝结，基底被策略性地放置以拦截它们。
由于这些溅射出的原子具有高动能，它们会牢固地嵌入基底表面。这使得薄膜通常比通过热蒸发等其他方法制造的薄膜更致密，并具有卓越的附着力。
主要溅射技术及其用途
一般的溅射原理可以根据不同的材料和结果进行调整，从而产生几种不同的技术。
直流磁控溅射
这是最常见的溅射形式之一，用于沉积导电材料。在靶材后面施加磁场，将电子捕获在其表面附近，从而显著提高氩气的电离效率。这会产生更稳定的等离子体和显著更高的沉积速率。
射频溅射
当靶材是电绝缘体（如陶瓷）时，直流（DC）电压会导致正电荷在其表面积聚，最终停止该过程。射频（RF）溅射通过使用交流（AC）电压解决了这个问题，该电压交替清除电荷积聚并允许过程继续，从而实现绝缘膜的沉积。
反应溅射
在这种技术中，除了惰性氩气外，还会故意向真空腔室中添加反应性气体，如氧气或氮气。溅射出的金属原子在传输过程中或在基底表面与这种气体发生反应。这使得能够创建氧化物和氮化物等复合薄膜，这些薄膜通常用于机床上的硬质保护涂层。
理解权衡
没有一种沉积技术是完美的，适用于所有工作。了解溅射的优点和局限性对于做出明智的决定至关重要。
溅射与热蒸发
热蒸发是另一种PVD技术，其中材料被加热直到蒸发并在基底上凝结。虽然对于纯金属来说通常更快更简单，但溅射提供了更好的薄膜附着力、密度和均匀性。溅射在沉积合金方面也远优于其他方法，因为它在很大程度上保留了靶材的成分在最终薄膜中。
溅射与化学气相沉积（CVD）
CVD利用加热基底上的化学反应形成薄膜。CVD可以生产高度纯净和共形的薄膜，能够很好地涂覆复杂形状。然而，它需要非常高的温度，这可能会损坏敏感的基底，如塑料或某些电子元件。
溅射是一种“冷”物理过程，使其成为对温度敏感的基底的理想选择。
溅射的常见局限性
溅射的沉积速率可能低于某些热过程。设备复杂，代表着巨大的资本投资。此外，由于它是一种直线视线过程，在没有复杂的基底操作的情况下，在复杂的三维物体上实现均匀涂层可能具有挑战性。
为您的应用做出正确选择
选择正确的沉积方法完全取决于材料特性、基底以及您项目的预期结果。
- 如果您的主要关注点是沉积复杂的合金或难熔材料： 溅射是更好的选择，因为它能高保真地将靶材成分转移到薄膜中。
- 如果您的主要关注点是为工具创建硬质保护涂层： 反应溅射是形成耐用的氮化物、碳化物或氧化物层的理想选择。
- 如果您的主要关注点是涂覆对温度敏感的基底： 溅射的较低工艺温度使其比高温CVD方法具有明显的优势。
- 如果您的主要关注点是用于光学涂层的简单金属的高速沉积： 磁控溅射在速度、控制和薄膜质量之间提供了极佳的平衡。
最终，溅射为创建高性能薄膜提供了无与伦比的控制水平和材料多功能性。
总结表：
| 技术 | 最适合 | 主要特点 |
|---|---|---|
| 直流磁控溅射 | 导电材料 | 高沉积速率，稳定等离子体 |
| 射频溅射 | 绝缘材料 | 防止靶材上电荷积聚 |
| 反应溅射 | 复合薄膜（氧化物、氮化物） | 创建硬质保护涂层 |
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