溅射工艺的压力是多少？掌握高质量薄膜的关键

简而言之，溅射工艺的典型工作压力是高真空，通常在 10⁻³ 到 10⁻¹ 毫巴 (mbar) 的范围内。建立此压力首先需要将腔室抽真空至低得多的“基础压力”以去除污染物，然后用受控量的惰性气体（最常见的是氩气）进行反充气。

溅射的核心挑战不仅仅是实现真空，而是精确控制气体压力。该压力决定了产生用于溅射的稳定等离子体与确保溅射原子到达基板时具有足够的能量形成高质量薄膜之间的平衡。

压力在溅射中的作用

溅射依赖于精心控制的气体环境。这种气体（通常是氩气）的压力是您可以控制的最关键参数之一。

首先，工艺腔室必须几乎没有氧气或水蒸气等活性气体。这是通过抽真空至高真空或“基础压力”来实现的。

清洁后，腔室用纯净的惰性气体（如氩气）进行反充气。这种气体的压力必须足够高，才能提供足够数量的原子来进行电离并维持等离子体。

平均自由程是一个原子在与另一个原子碰撞之前可以移动的平均距离。这个概念是理解压力的作用的核心。

在较低的压力下，腔室中的气体原子较少。这导致从靶材传输到基板的溅射粒子具有更长的平均自由程。

相反，较高的压力意味着更多的气体原子和更短的平均自由程，导致更频繁的碰撞。

溅射原子到达基板表面的能量是所得薄膜特性的主要决定因素。这种到达能量直接受工艺压力控制。

在压力范围的较低端（例如 10⁻³ mbar）运行会增加平均自由程。

溅射原子在传输到基板的过程中碰撞次数更少，从而使其能够保留更多的初始动能。这种高能到达促进了表面迁移率，形成了更致密、更光滑且附着力更好的薄膜。

在较高的压力下（例如 10⁻¹ mbar）运行会显著缩短平均自由程。

溅射原子与气体原子发生多次碰撞，通过称为“气体散射”的过程损失能量。这些原子以非常低的能量到达基板，这可能导致薄膜孔隙率更高、密度更低，并可能表现出柱状微观结构。

优化溅射压力是一种平衡行为。改善一个特性通常会以牺牲另一个特性为代价。

您需要足够的气体压力才能轻松点燃并维持稳定的等离子体，并实现实际的沉积速率。

然而，正如我们所见，维持强健等离子体所需的压力通常高于形成致密、高能薄膜的理想压力。这就是根本的权衡。

较高的压力可以增加轰击靶材的离子密度，这可以提高原始溅射速率。然而，增加的气体散射也可能使溅射材料偏离基板，从而可能降低有效沉积速率并影响厚度均匀性，尤其是在大面积上。

虽然该过程以低基础压力开始以去除污染物，但在极低压力下运行溅射过程可能会使系统对任何残留气体或微小泄漏变得更加敏感，从而可能在长时间沉积过程中将杂质重新引入薄膜中。

理想压力完全取决于您薄膜所需的特性。

最终，掌握溅射过程涉及深入了解如何操纵气体压力以实现您的特定工程目标。

压力范围	关键特性	对薄膜的影响
低（例如 10⁻³ mbar）	平均自由程长	更致密、更光滑、附着力更好的薄膜
高（例如 10⁻¹ mbar）	平均自由程短	孔隙率更高的薄膜，可能出现柱状微观结构