什么是射频溅射理论？绝缘材料沉积指南

射频溅射理论的核心描述了一种物理气相沉积方法，它使用射频（RF）电源将原子从靶材中溅射出来，然后这些原子沉积在基板上形成薄膜。与简单的直流溅射方法不同，交变射频场专门设计用于防止电荷在靶材表面积聚而导致工艺停止，从而克服溅射绝缘体（电介质）材料的主要挑战。

射频溅射的中心原理是使用交变电场。该电场不仅产生溅射所需的等离子体，更关键的是，它会周期性地向靶材注入电子，以中和否则会积聚在绝缘材料上的正离子电荷，从而实现连续稳定的沉积。

基础：溅射的工作原理

整个溅射过程在一个充满少量惰性气体（最常见的是氩气 (Ar)）的真空室内进行。

高电压施加在两个电极之间：阴极（待沉积的靶材）和阳极（放置基板的位置）。该电压点燃惰性气体，将电子从气体原子中剥离，形成等离子体——一种发光的、含有正离子和自由电子的电离气体。

带正电的气体离子（例如 Ar+）被电场加速，并猛烈地撞击带负电的靶材。

这种碰撞会传递动量，从而将靶材中的原子剥离或“溅射”出来。这些被溅射的原子穿过腔室，落在基板上，逐渐形成一层均匀的薄膜。

在标准的直流溅射中，靶材保持恒定的负电压。这对导电金属靶材非常有效，因为它们可以轻松地消散来自撞击离子的正电荷。

然而，如果靶材是绝缘材料（如陶瓷或氧化物），来自入射离子的正电荷会积聚在其表面。这种积聚最终会排斥新的入射正离子，有效地熄灭等离子体并停止溅射过程。

射频溅射通过使用交流电源来解决这个问题，该电源通常固定在行业标准的13.56 MHz。快速翻转的电压会产生两个不同的半周期。

在负半周期期间，靶材受到正离子的轰击，就像在直流过程中一样发生溅射。

在短暂的正半周期期间，靶材从等离子体中吸引大量高迁移率的电子。这些电子会立即中和在负周期期间积聚的正电荷，从而“重置”靶材表面，使过程得以继续。

RF 系统中的一个关键组件是放置在电源和靶材之间的隔直电容器。由于电子的迁移率远高于较重的离子，靶材在正周期期间收集的电子多于负周期期间收集的离子。

这种不平衡迫使靶材形成一个整体的负直流偏压，确保即使在电压交替时，它也能持续吸引溅射所需的正离子。

射频溅射的主要缺点是与直流溅射相比，其沉积速率较慢。每个周期的一部分用于中和电荷，而不是主动溅射材料，这降低了整体效率。

射频电源和所需的阻抗匹配网络（确保高效的功率传输到等离子体）比相应的直流设备复杂得多，也昂贵得多。

虽然它是介电材料的首选方法，但对于直流方法占优势的厚导电薄膜的沉积，射频溅射的成本效益较低。较高的成本也可能使其成为涂覆非常大基板的较不经济的选择。

在 RF 和其他溅射方法之间的选择几乎完全取决于您的靶材的电学特性。

通过实现各种非导电材料的沉积，射频溅射是无数现代电子和光学元件背后的基础技术。