在射频磁控溅射中， 典型的操作压力设置在一个狭窄的真空范围内，通常在 2 x 10⁻² 到 8 x 10⁻² 毫巴 (mbar) 之间。这个特定的工作压力并非随意设定；它是点燃和维持稳定等离子体所需的关键参数，同时直接影响所沉积薄膜的质量和特性。
射频溅射中的核心挑战在于找到最佳压力，以平衡两个相互竞争的需求：它必须足够高，以提供足够的惰性气体原子来维持稳定的等离子体；同时又必须足够低，以确保溅射出的材料能够高效且带着足够的能量到达基板，形成高质量的薄膜。
压力在溅射过程中的作用
选择正确的压力是控制沉积的基础。它直接决定了材料源（靶材）和基板之间的环境。
维持等离子体
溅射过程始于向真空室中引入惰性气体，通常是氩气。施加射频电压，使这些气体原子电离，形成等离子体。
工作压力是这些气体原子密度的量度。如果压力太低，将没有足够的原子可靠地电离，等离子体将不稳定或完全熄灭。
平均自由程
平均自由程 是一个粒子在与另一个粒子碰撞之前所能行进的平均距离。这个概念是理解压力影响的核心。
在较低的压力下，平均自由程较长。从靶材中溅射出的原子以更直接的“视线”路径到达基板，碰撞最少。
在较高的压力下，平均自由程较短。溅射出的原子更有可能与气体原子碰撞，使其散射，并在到达基板之前损失能量。
沉积速率
压力直接影响沉积的效率。虽然较高的射频功率会增加靶材的溅射速率，但较高的压力会起到相反的作用。
较高压力下增加的散射意味着到达基板的溅射原子减少，这有效地降低了净沉积速率。
薄膜质量和形貌
溅射原子的能量和到达角度决定了薄膜的最终结构。
较低压力 的过程会使原子以较高的动能到达。这通常会产生更致密、更结实的薄膜，具有更好的附着力，但有时可能会增加压应力。
较高压力 的过程会使原子因散射而以较低的能量从更宽的角度到达。这通常会导致更多孔隙的薄膜，密度较低，晶体结构可能不同。
理解权衡
不存在单一的“最佳”压力。最佳设置始终是基于您的特定应用目标所做的权衡。
压力过低的问题
低于稳定范围运行（例如，对于许多系统低于 1 x 10⁻³ 毫巴）会使等离子体难以点燃和维持。过程变得不可靠且难以控制。
压力过高的问题
过高的压力会导致显著的气体散射，从而大大降低沉积速率。它还可能导致气体原子嵌入到生长的薄膜中，产生损害其性能的杂质和缺陷。
平衡相互竞争的因素
理想的压力是一个平衡点。您必须找到一个最佳点，该点能提供稳定的等离子体、可接受的沉积速率以及您的应用所需的特定薄膜特性——例如密度、应力和电阻率。
如何根据您的目标选择正确的压力
理想压力不是一个单一的数值，而完全取决于您对薄膜的期望结果。
- 如果您的主要重点是致密、高附着力的薄膜： 从稳定压力范围的低端开始（例如 2 x 10⁻² 毫巴），以最大化原子到达基板的能量。
- 如果您的主要重点是涂覆复杂形状（良好的台阶覆盖率）： 稍高的压力可能是有益的，因为增加的散射有助于原子沉积到非视线表面上。
- 如果您的主要重点是最小化内部薄膜应力： 您可能需要在压力中等范围内进行实验，因为这通常是压力和原子能量的复杂函数。
最终，控制溅射压力是您微调沉积效率与材料最终物理特性之间平衡的主要工具。
总结表：
| 压力条件 | 等离子体稳定性 | 沉积速率 | 薄膜质量 |
|---|---|---|---|
| 过低 (< 1x10⁻³ mbar) | 不稳定，难以点燃 | 低 | 致密、高附着力、高应力 |
| 最佳范围 (2x10⁻² 至 8x10⁻² mbar) | 稳定 | 平衡 | 密度和应力可调 |
| 过高 (> 8x10⁻² mbar) | 稳定但效率低下 | 非常低 | 多孔、低密度、可能有缺陷 |
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