什么是薄膜？解释薄膜沉积的溅射技术？直流、射频和反应性溅射指南

从本质上讲，薄膜是厚度从几纳米到几微米不等的材料层，旨在改变物体的表面特性。溅射是制造这些薄膜的主要技术，属于物理气相沉积（PVD）的范畴。其工作原理是通过用高能离子轰击源材料（“靶材”），从而将原子从靶材中溅射出来，然后沉积到基底上，形成所需的薄膜。

理解溅射不仅仅是了解过程；它是将其视为原子级构建的工具。您选择的具体技术决定了您可以使用哪些材料，并直接决定了薄膜的最终特性，从导电性到机械硬度。

薄膜沉积的格局

要理解溅射，您必须首先了解它在更广泛的薄膜制造领域中的位置。这些方法通常根据材料输送到基底的方式分为两大类。

两种主要的沉积技术是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

PVD 工艺，包括溅射，使用物理机制（如高能轰击或蒸发）在真空中将材料从源头转移到基底上。可以将其视为原子尺度的喷砂和涂层过程。

CVD 工艺使用易挥发的先驱化学物质，这些化学物质在基底表面发生反应或分解以形成薄膜。这更像是通过受控的化学反应逐分子地构建薄膜。

溅射是一种 PVD 技术。它与其他 PVD 方法（如蒸发——简单地加热材料直至其蒸发）不同。溅射是一个能量更高的过程，可以形成更致密、附着力更强的薄膜。

所有溅射都基于相同的基本原理，但已经开发出不同的变体来处理不同的材料并实现特定的薄膜特性。

该过程始于创建一个低压等离子体，通常由氩气等惰性气体产生。在基底和靶材之间施加高电压，导致气体电离。

这些带正电的氩离子被加速撞击带负电的靶材。高能撞击会从靶材上物理地击落原子，这些原子随后穿过真空室并沉积在基底上，形成薄膜。

这是沉积导电材料（如金属）的主力技术。

它使用靶材后方的强大磁铁（“磁控管”）将电子限制在磁场中。这大大提高了电离过程的效率，与简单的直流溅射相比，形成了更稳定的等离子体和更高的沉积速率。

当您需要沉积电绝缘材料（电介质）时，例如陶瓷或氧化物，直流溅射就会失效。电荷会在绝缘靶材表面积聚，从而有效地阻止离子轰击。

射频（RF）溅射通过使用交替的交流电势来解决这个问题。电场的快速切换可防止电荷积聚，从而可以连续溅射非导电材料。

该技术用于制造化合物薄膜。它涉及在含有惰性气体和反应性气体（如氧气或氮气）混合物的真空室中溅射金属靶材。

当被溅射的金属原子向基底移动时，它们与气体反应形成化合物。例如，在氮气气氛中溅射钛靶材会形成坚硬的金色氮化钛（TiN）涂层。

选择溅射技术需要在材料要求、工艺复杂性和所需薄膜特性之间取得平衡。该技术不仅仅是一种输送方法；它是决定薄膜性能的主要因素。

最关键的因素是靶材的导电性。直流溅射更简单，通常更快，但严格限制于导电靶材。射频溅射提供了沉积几乎任何材料的通用性，但通常速度较慢，需要更复杂的电源。

溅射技术在薄膜厚度和在大面积上的均匀性方面提供了出色的控制。由于被溅射的原子具有高动能，它们形成的薄膜通常比热蒸发形成的薄膜密度更高，并且对基底的附着力更强。

沉积参数——如气体压力、功率和基底温度——对薄膜的最终特性有直接且显著的影响。诸如晶体结构、内应力、密度和电阻率等特性都取决于薄膜的生长方式。

您的决定必须由您打算沉积的材料以及您对最终薄膜的性能要求来驱动。

通过了解这些基本技术及其权衡，您可以选择正确的工艺来精确设计您的表面特性。