射频溅射的偏压是多少？负直流自偏压如何实现绝缘体溅射

在射频溅射中，施加的交流电压会在靶材表面产生一个稳态的负直流自偏压。这种负电位是实现有效溅射电绝缘材料的基础机制，这是简单直流溅射无法完成的任务。它是由于等离子体中轻电子和重离子之间巨大的迁移率差异而形成的。

尽管电源提供的是交流射频信号，但等离子体的物理特性会导致靶材自然产生一个恒定的负直流电压。这种“自偏压”并非直接施加的；它是射频场与等离子体相互作用的结果，正是它持续吸引正离子轰击和溅射靶材。

核心问题：为什么直流溅射对绝缘体无效

要理解射频偏压的重要性，我们必须首先了解其前身——直流溅射的局限性。

在直流溅射中，会对导电靶材施加一个高的负直流电压。这会吸引等离子体中的正离子（例如氩气，Ar+），这些离子以高能量撞击靶材，从而剥离原子，这些原子随后沉积到基板上。

这个过程需要一个完整的电路。当靶材是绝缘体（如石英或氧化铝）时，这个电路就被打破了。

正离子仍然会撞击表面，但靶材的绝缘特性会阻止正电荷被中和。这种正电荷在表面快速积累会排斥任何更多的进入正离子，从而在几秒钟内有效地停止溅射过程。

射频溅射通过使用高频交流电压（通常是行业标准的 13.56 MHz）来克服这种充电问题。该过程通过等离子体物理学中的一个精妙的不对称性来产生稳定的负偏压。

关键在于等离子体中电子和离子之间巨大的质量和迁移率差异。电子比沉重的、移动缓慢的正离子轻数千倍，并且迁移率高得多。

在射频周期的短暂正半周期内，靶材会带正电。它会立即从等离子体中吸引大量高迁移率的电子，这些电子涌向其表面。由于射频电源是电容耦合的，这些电子会被困在靶材上。

在较长的负半周期内，靶材带负电并吸引重正离子。由于离子的响应速度远慢于电子，它们会在整个周期中加速飞向靶材，以足够的能量撞击靶材，从而引起溅射。

在每秒数百万个周期中，靶材积累的来自电子涌入的负电荷远远多于其因正离子轰击而损失的电荷。这种不平衡导致了显著的净负电荷积累，从而产生了稳定的负直流自偏压。正是这种偏压维持了连续溅射所需的离子轰击。

射频自偏压不仅仅是一种现象；它是一个关键的过程参数，伴随着自己的一系列考虑因素。

负直流自偏压的幅度直接决定了撞击靶材的离子的最大能量。较高的射频功率通常会导致更大的负偏压，从而产生能量更高的离子轰击。

这会影响沉积速率以及所得薄膜的特性，例如密度、晶粒结构和内应力。

整个过程是通过一个阻隔电容器实现的，该电容器放置在电源和溅射靶材（阴极）之间的射频匹配网络中。该电容器允许交流射频信号通过，但会阻止任何直流电流流动。

正是这种阻隔使得负电荷能够在靶材上积累，从而建立起至关重要的自偏压。

选择标准的 13.56 MHz 频率有两个原因。首先，它位于 FCC 管制的 ISM（工业、科学和医疗）频段内，最大限度地减少了对无线电通信的干扰。其次，它足够快，可以防止绝缘靶材发生电荷积累，但又足够慢，使得重离子仍然能够响应电场并加速飞向靶材。

控制射频自偏压对于调整薄膜特性至关重要。该偏压的幅度主要通过调节射频功率来控制，在较小程度上通过调节腔室压力来控制。

如果您的主要关注点是高沉积速率： 您通常会增加射频功率，这会提高负偏压的幅度，从而导致更具能量和更频繁的离子轰击。
如果您的主要关注点是控制应力或密度等薄膜特性： 您必须通过调节功率来仔细调整偏压。较低的偏压通常会产生应力较低的薄膜，而较高的偏压可以增加薄膜密度，但也会增加压应力。
如果您的主要关注点是精密材料或高级控制： 您可能需要将离子密度与离子能量解耦。这可以通过使用在基板支架上具有独立直流或射频电源的高级系统来实现，以独立控制到达薄膜本身的离子能量。

最终，理解和控制射频自偏压是实现薄膜材料精确和可重复工程的关键。