在射频溅射中，施加的典型电压是 1000 伏峰峰值交流（AC）信号。 这种几乎普遍固定在 13.56 MHz 的高频信号用于产生和维持等离子体。然而，该过程的关键在于在靶材上产生一个有效的负直流“自偏置”电压，这才是真正驱动溅射作用的因素。
核心概念不是施加的交流电压本身，而是它产生的负直流自偏置电压。这种独特的机制使得射频溅射能够有效地沉积绝缘材料，因为它防止了在标准直流系统中会阻碍过程的电荷积累。
电压在射频溅射中的作用
要理解射频溅射，区分驱动系统的交流信号和实际工作的直流电压至关重要。
施加的交流电压
射频电源提供一个高频交流信号，通常为 1000 伏峰峰值，频率为 13.56 MHz。该信号的主要目的是通过剥离氩气等溅射气体的电子来电离气体，从而在真空室内产生持续的等离子体。
关键的自偏置直流电压
等离子体形成后，系统巧妙地利用交流信号在靶材上产生一个恒定的负直流电压。由于靶电极比腔室壁小，等离子体有效地充当了整流器。
这个过程在靶材表面产生一个平均负电压，称为自偏置。正是这个负自偏置吸引等离子体中的正气体离子，以足够的力将它们加速轰击靶材，从而溅射出原子。
防止绝缘体电荷积累
这种双重电压系统是射频溅射适用于绝缘材料的根本原因。
在直流系统中，用正离子轰击绝缘体会导致其表面积累正电荷，最终排斥任何后续进入的离子，使溅射过程完全停止。
在射频系统中，电压会快速交替。在负周期期间，离子轰击靶材。在短暂的正周期期间，靶材从等离子体中吸引电子，从而中和前一个周期积累的正电荷。这使得过程可以无限期地持续进行，不会中断。
射频方法的实际意义
射频溅射独特的电压机制与其他沉积技术相比，带来了一些明显的优势和应用。
溅射绝缘材料
这是主要优势。射频溅射是沉积介电材料（如二氧化硅 (SiO₂)、氧化铝 (Al₂O₃) 和其他不能用直流溅射沉积的陶瓷）的行业标准方法。
提高薄膜质量
射频溅射可以在低得多的腔室压力下（通常为 1-15 mTorr）维持等离子体。在这些低压下，溅射原子与基板之间的气体碰撞次数减少，路径更直接，从而形成密度更高、质量更好、对表面形貌覆盖更佳的薄膜。
增强过程稳定性
电源的交流特性显著减少了电弧放电，这是直流系统中常见的问题。再加上产生更均匀靶材侵蚀的射频二极管溅射等新发展，使得沉积过程高度稳定且可重复。
理解权衡
尽管射频溅射功能强大，但它并非适用于所有情况的理想解决方案。它涉及性能和复杂性方面的明显权衡。
较低的沉积速率
与用于导电材料的直流溅射相比，射频溅射通常较慢。交替周期意味着溅射并非 100% 的时间都在发生，且整体功率传输效率可能较低。
系统复杂性和成本
射频溅射系统需要复杂的射频电源和阻抗匹配网络，才能有效地将功率传输到等离子体。这使得设备比标准的直流电源更复杂、更昂贵。
过热问题
产生稳定的射频等离子体需要大量的功率输入。这可能导致靶材过热，必须通过有效的冷却系统进行管理，以确保过程稳定并防止靶材损坏。
为您的目标做出正确的选择
在不同溅射技术之间的选择最终取决于您需要沉积的材料的电学特性。
- 如果您的主要重点是导电材料（金属）： 直流磁控溅射通常是更优的选择，因为它具有更高的沉积速率和更低的设备成本。
- 如果您的主要重点是绝缘材料（陶瓷、氧化物）： 射频溅射是必不可少且正确的技术，因为它专门设计用于克服靶材荷电问题。
- 如果您主要关注在任何材料上实现尽可能高的沉积速率： 射频磁控溅射结合了射频的绝缘能力和磁控的等离子体约束效率，提供了两者的最佳结合。
归根结底，了解电压如何实现射频溅射，可以帮助您选择制造任何材料类别的高质量薄膜所需的精确工具。
总结表：
| 关键电压参数 | 典型值/功能 |
|---|---|
| 施加的交流电压 | 1000 V (峰峰值) |
| 频率 | 13.56 MHz |
| 产生的直流自偏置 | 靶材上的负电压（可变） |
| 主要作用 | 从绝缘靶材溅射原子 |
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