简而言之，直流溅射不用于绝缘材料，因为该过程本质上要求靶材导电，而绝缘体无法做到这一点。这会导致靶材表面快速积累正电荷，从而在溅射过程开始之前就有效地停止了溅射过程。
核心问题是电荷。直流溅射依赖于恒定的电荷流动，但绝缘靶材充当了一堵墙，导致正离子积聚并排斥任何进一步的离子，从而停止沉积。解决方案是使用交替的射频 (RF) 场，该电场在每个循环中都能中和这种电荷积累。
根本问题：电荷积累效应
要理解这种限制，我们必须首先看看标准的直流溅射过程是如何设计的。
直流溅射的工作原理
在典型的直流溅射系统中，将高负直流电压施加到您想要沉积的材料上，该材料被称为靶材。
这个带负电的靶材放置在一个充满惰性气体（通常是氩气）的真空室中。高电压会点燃等离子体，将电子从氩原子中剥离出来，形成带正电的氩离子 (Ar+)。
然后，这些正离子被强大的负场加速，撞击靶材，物理上撞击或“溅射”出靶材材料的原子。然后，这些被溅射的原子会传输并沉积在您的基板上形成薄膜。
为什么这对绝缘体无效
整个过程的关键在于靶材必须是电导体。金属靶材可以很容易地通过电源连接将到达的离子带来的正电荷耗散掉。
绝缘靶材（如陶瓷氧化物或氮化物）无法导走这种电荷。当正氩离子撞击表面时，它们会被困住。
后果：排斥屏障
在几微秒内，一层正电荷就会积聚在绝缘靶材的表面上。
这种正表面电荷会产生一个电场，排斥来自等离子体的入射正氩离子。随着离子无法以足够的能量撞击靶材以剥离原子，溅射过程会迅速停止。这种现象被称为电荷积累效应。
理解失效模式
电荷积累效应不仅仅是效率低下；它还会产生几种关键问题，使得直流溅射对于电介质来说完全不可行。
灾难性电弧
电荷积累的靶材表面与腔室接地部件之间巨大的电位差可能导致失控的电放电。
这种电弧具有破坏性，可能会损坏靶材、基板和溅射系统本身。
“消失的阳极”效应
在稳定的等离子体中，必须有一个阳极（通常是接地的腔室壁）来完成电路。
然而，随着一些被溅射的绝缘材料不可避免地覆盖在腔室壁上，阳极本身也会被绝缘。这会进一步破坏等离子体的稳定性，甚至可能将其完全熄灭。
不切实际的高电压
理论上，你可以尝试通过使用极高的电压来克服电荷积累效应。
然而，所需的电压会高得不切实际、不安全，并且会产生比它能解决的更多关于电弧和热量的问题。
解决方案：射频 (RF) 溅射
为了克服电荷积累屏障，需要一种不同的功率传输机制：射频 (RF) 溅射。
交变场原理
射频溅射不使用恒定的负直流电压，而是向靶材施加高频交变电压（通常为 13.56 MHz）。
靶材每秒钟会快速地在带负电和带正电之间切换数百万次。
射频如何中和电荷
在靶材为负电的半周期内，它会吸引正离子，并且溅射过程就像在直流过程中一样发生。
关键在于，在靶材变为正电的下一个半周期内，它会吸引等离子体中大量高迁移率的电子。这些电子会立即中和残留的正电荷。这种清除作用可以防止电荷积累效应。
“自偏压”的魔力
由于电子比离子轻得多、快得多，靶材在正周期内被电子淹没的程度远超负周期内被离子撞击的程度。
这种不平衡随着时间的推移会在靶材表面产生净负电荷。这会产生一个有效的负直流电位，称为自偏压，它会持续吸引离子以维持溅射过程，即使电源本身是交流电。
根据目标做出正确的选择
选择正确的溅射技术完全取决于您的靶材的电气特性。
- 如果您的主要重点是沉积导电材料（金属、TCO）： 使用直流溅射。它比射频溅射更简单、更快、能效更高、成本更低。
- 如果您的主要重点是沉积绝缘材料（氧化物、氮化物、陶瓷）： 您必须使用射频溅射。它是防止电荷积累效应并实现稳定沉积的唯一有效方法。
- 如果您的主要重点是化合物的反应性沉积： 两种方法都可以使用，但您的选择取决于靶材本身是导体（例如，在氮气气氛中溅射 Ti 靶材以获得 TiN）还是绝缘体（例如，溅射 SiO2 靶材以获得 SiO2 薄膜）。
最终，您的成功取决于将溅射技术与源材料的基本导电性相匹配。
总结表：
| 溅射方法 | 最适合的材料 | 主要限制 |
|---|---|---|
| 直流溅射 | 导体（金属、TCO） | 因电荷积累效应而无法用于绝缘体 |
| 射频溅射 | 绝缘体（氧化物、氮化物、陶瓷） | 中和表面电荷所必需的 |
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