启动溅射过程所需的腔室压力范围是多少？优化您的沉积以获得质量和均匀性

要启动溅射过程，您必须首先向高真空腔室中引入惰性气体，将压力提高到通常在 1 到 100 毫托 (mTorr) 范围内的“工作压力”。需要此压力才能产生和维持轰击靶材的等离子体。如果没有达到这个特定的压力范围，就无法形成稳定的等离子体放电。

核心挑战不在于找到一个正确的单一压力，而在于建立一种平衡。腔室压力必须足够高，以提供足够的气体原子来维持等离子体，但又必须足够低，以允许产生的离子加速并以高能量撞击靶材，同时避免过度碰撞。

压力在产生等离子体中的作用

溅射过程不是在完美的真空中发生的。它依赖于一个经过仔细控制的低压气体环境才能正常工作。压力直接决定了可用于产生和维持该过程的气体原子的密度。

溅射使用工艺气体，几乎总是惰性气体，如 氩气 (Ar)，作为进行溅射的离子的来源。开始时，腔室会被抽真空至极高真空，以去除污染物。然后，通入氩气以达到所需的工作压力。

一旦存在氩气，就会施加高电压（用于直流溅射）或射频 (RF) 功率。这种强大的电场会激发腔室中的自由电子，这些电子随后与中性氩原子发生碰撞。

这些碰撞产生的能量足以将电子从氩原子中击出，从而产生带正电的 氩离子 (Ar⁺) 和更多的自由电子。这种电离级联就是点燃并形成等离子体——一个由离子、电子和中性原子组成的准中性云团。

要使等离子体“点亮”，您需要在腔室内有足够数量的氩原子。如果压力太低，原子太少，电子在撞击腔室壁之前不太可能撞击到原子。这会使等离子体不稳定或无法维持。

工作压力的选择是一个关键参数，涉及到影响沉积速率、薄膜质量和均匀性的重要权衡。其背后的控制物理原理是平均自由程。

平均自由程 (MFP) 是一个粒子（如氩离子或被溅射的靶材原子）在与另一个粒子碰撞之前所移动的平均距离。

较高的压力意味着存在更多的气体原子，导致 平均自由程较短。相反，较低的压力意味着气体原子较少，平均自由程较长。

在工作压力范围的低端（例如 1-5 毫托）运行会导致平均自由程较长。氩离子在较长的距离上加速，以最大的能量撞击靶材。

这有利于实现高沉积速率和制造致密、高质量的薄膜，因为离子和被溅射的靶材原子都能以最少的干扰传输到它们的目的地。

在高压下（例如 20-100 毫托）运行会导致平均自由程较短。离子在通往靶材的途中会频繁地与中性氩原子碰撞，从而损失能量。

这会导致溅射速率降低。此外，被溅射的靶材原子在到达基板的途中也会与气体原子碰撞，导致散射。这种散射可以改善复杂、非平坦表面的薄膜均匀性，但通常会导致薄膜结构致密度较低。

区分溅射系统中的这两种压力状态至关重要。混淆它们是常见的错误来源。

这是在引入工艺气体之前腔室的初始高真空状态。它通常低于 1x10⁻⁶ 托。基准压力的目标是去除氧气、水蒸气和氮气等污染物，这些污染物会与沉积的薄膜发生反应并破坏薄膜。

这是在节流高真空泵并通入惰性工艺气体之后达到的压力。这是产生等离子体和实际发生溅射的 1 到 100 毫托 范围。

理想的工作压力完全取决于您沉积的预期结果。没有一个“最佳”压力，只有适用于特定应用的正确压力。

最终，控制腔室压力就是控制粒子的能量和轨迹，以实现您所需的材料特性。