化学溅射的过程是什么？掌握反应溅射，制备优质薄膜

本质上，您所询问的过程更准确地称为反应溅射。它是物理溅射这一基本真空沉积技术的一种高级形式。物理溅射利用惰性气体（如氩气）产生的高能离子，物理性地将原子从源材料（“靶材”）中击出，然后这些原子沉积在基底上形成薄膜。反应溅射通过引入第二种反应气体，为该过程增加了一个化学步骤，从而在基底上形成新的化合物材料。

溅射是一个物理过程，原子通过离子轰击从靶材中喷出。当有意地向腔室中添加反应气体时，这个物理过程与化学反应相结合，以制备化合物薄膜，这种技术被称为反应溅射。

基础：物理溅射的工作原理

要理解反应溅射，您必须首先掌握物理溅射的基本机制。这个过程在真空中进行，涉及几个不同的步骤，将材料原子逐个从源转移到基底。

步骤1：创建真空

整个过程在一个密封的真空腔室中进行。内部压力大幅降低，通常达到高真空范围，以去除残留气体，如氧气、水蒸气和其他杂质。

这一初始步骤对于确保最终薄膜的纯度并防止不必要的化学反应至关重要。

步骤2：引入溅射气体

一旦达到稳定的真空，惰性气体——最常见的是氩气（Ar）——被泵入腔室。腔室压力在低水平下被仔细控制，为该过程创造特定的气氛。

选择氩气是因为它化学性质不活泼，并且具有足够的原子质量，可以有效地将原子从靶材上击落，而不会与它们形成化学键。

步骤3：产生等离子体

在腔室内部施加高电压，产生一个强电场。这种能量将电子从氩气原子中剥离，形成带正电的氩离子（Ar+）和自由电子的混合物。

这种电离气体被称为等离子体或辉光放电。为了提高效率，通常在靶材后面放置磁铁（一种称为磁控溅射的技术），以将电子捕获在靶材附近，从而在最需要的地方增强等离子体。

步骤4：轰击阶段

源材料，即靶材，被施加一个强负电荷。等离子体中带正电的氩离子（Ar+）被强行加速冲向这个带负电的靶材。

这些离子以巨大的能量撞击靶材表面。这种碰撞是一个纯粹的动量传递事件，很像台球杆击打一堆台球。

步骤5：在基底上沉积

如果从氩离子传递的能量大于将靶材原子结合在一起的能量，一个或多个靶材原子就会从表面被喷射或“溅射”出来。

这些溅射出来的中性原子穿过真空腔室，落在基底（例如，硅晶圆、玻璃或塑料部件）上，逐渐形成一层薄而均匀的薄膜。

关键区别：从物理溅射到反应溅射

反应溅射利用了整个物理溅射框架，并增加了一个关键的化学成分。这就是“化学溅射”一词的真正含义所在。

反应溅射的定义是什么？

反应溅射涉及在腔室中引入第二种反应气体以及惰性氩气。常见的反应气体包括用于形成氧化物的氧气（O₂）和用于形成氮化物的氮气（N₂）。

化学反应如何发生

当靶材原子被溅射时，它们穿过一个现在包含氩离子和反应气体分子的等离子体。溅射出的原子与这种气体发生反应，形成新的化合物。

这种反应可能发生在靶材表面、穿过等离子体的过程中，或者最常见的是在薄膜形成时发生在基底表面。

一个实际例子：氮化钛

想象一下，您想制造一种坚硬的金色涂层——氮化钛（TiN）。您将从纯钛（Ti）靶材开始。

您将使用氩气进行物理溅射过程，但同时也会将受控量的氮气通入腔室。溅射出的钛原子将与氮气反应，在基底上形成TiN薄膜。

理解权衡和陷阱

尽管功能强大，但反应溅射引入了复杂性，必须仔细管理才能获得所需的薄膜特性。

过程控制的挑战

最重大的挑战是平衡气体流量和溅射速率。反应气体与惰性气体的比例决定了最终薄膜的化学计量比（化学成分）。

例如，在制造氧化物时，氧气过少会导致富含金属的次氧化薄膜。氧气过多则可能导致一种称为靶中毒的现象，即靶材表面本身被氧化，从而大大降低溅射速率并改变过程稳定性。

何时使用物理溅射与反应溅射

选择完全取决于所需的最终材料。

当您需要纯元素或合金薄膜时，使用物理溅射。例如，沉积一层纯铝用于反射涂层，或镍铬合金用于电阻器。

反应溅射专门用于目标是创建与靶材材料不同的化合物薄膜，例如二氧化硅（SiO₂）、氮化铝（AlN）或前面提到的氮化钛（TiN）。

为您的目标做出正确选择

您的应用决定了正确的溅射技术。决策取决于您打算创建的薄膜的化学性质。

如果您的主要重点是沉积纯金属或元素薄膜：您将使用标准的物理溅射，只使用惰性气体，如氩气。
如果您的主要重点是创建陶瓷化合物薄膜（如氧化物、氮化物或碳化物）：您将通过向氩等离子体中添加受控流量的反应气体（例如氧气、氮气）来使用反应溅射。
如果您的主要重点是精度和可重复性：您必须实施先进的气体流量和功率过程控制，因为反应溅射对这些参数高度敏感。

最终，掌握溅射需要理解您不仅控制着原子转移的物理过程，还在控制着一个精密的化学环境，以逐个原子地构建材料。

总结表：

工艺	主要特点	典型应用场景
物理溅射	仅使用惰性气体（氩气）	沉积纯金属或合金（例如，铝、镍铬合金）
反应溅射	添加反应气体（例如，O₂、N₂）	制备化合物薄膜（例如，TiN、SiO₂、AlN）
主要挑战	保持化学计量比并避免靶中毒	需要精确控制气体流量和功率