薄膜沉积速率

溅射镀膜是一种利用离子轰击靶材，使靶材原子被溅射出来并沉积在基片上形成薄膜的工艺。其薄膜生长过程、影响因素以及沉积速率的控制是整个技术的核心。

一、 薄膜的生长过程与机制

薄膜的生长是一个从原子尺度开始的动态过程，大致遵循以下四个阶段：

1. 凝结与成核：被溅射出的靶材原子或分子到达基片表面后，一部分被吸附，另一部分可能因能量过高而再蒸发离开。被吸附的原子在表面迁移，相互碰撞结合成原子对，进而形成更大的原子团。当原子团尺寸达到临界值（约10个原子）时，便形成了稳定的临界晶核。

2. 岛状结构形成：临界晶核通过不断捕获新到达的原子而逐渐长大，形成三维的、离散的小岛。这些岛状结构的尺寸通常在10⁻⁵厘米量级。

3. 网状结构形成：随着沉积的继续，岛状结构不断长大并相互靠近，最终连接、贯通，形成一个连续但存在大量孔洞的网状结构。

4. 连续薄膜形成：后续的原子在网孔的洞底进行二次或三次成核，新生成的小岛长大并与周围的网状结构合并，逐渐将孔洞填满，使薄膜连接并加厚，最终形成几十纳米厚的连续薄膜。

与蒸发镀膜相比，溅射出的粒子能量高出1-2个数量级。这种高能量赋予了溅射原子更强的表面迁移能力，使其即使在较低的基片温度下，也能形成致密、均匀的薄膜。同时，高能粒子轰击会在基片上产生更多缺陷，这些缺陷成为额外的成核点，从而显著提高了成核密度，使得溅射膜在更薄的厚度下就能实现连续成膜，甚至在极低温度下也能实现外延生长。

二、 影响薄膜生成和质量的关键因素

要获得高质量薄膜，必须精确控制以下六个关键工艺参数：

1.溅射气体：理想的气体应具有高溅射产额、化学惰性、高纯度和低成本。氩气(Ar) 因其原子量适中且是惰性气体，成为最常用的溅射气体。

2.溅射电压与基片偏压：

 溅射电压：直接影响轰击离子的能量，不仅控制沉积速率，也深刻影响薄膜的微观结构。

 基片偏压：通过有目的地对基片施加偏压，可以控制到达基片的电子或离子流。偏压技术能有效净化基片表面、增强薄膜附着力，并通过离子轰击改变薄膜的致密性和结构。在射频溅射中，制备导体膜常加直流偏压，而制备介质膜则需加调谐偏压。

3.基片温度：温度是决定沉积原子表面迁移能力的关键因素。它直接影响薄膜的成分、晶体结构、晶粒尺寸、择优取向以及内应力的大小与分布。

4.靶材纯度与状态：靶材是薄膜的原料来源，其纯度直接决定薄膜的纯度。靶材表面的氧化物和内部杂质是薄膜污染的主要来源。因此，除了使用高纯靶材外，在正式沉积前必须进行预溅射，以清洗靶材表面，去除污染物。

5.本底真空度：高本底真空度意味着系统中残余气体分子少，能极大减少其对薄膜的污染。对于要求严格的薄膜，需采用无油抽气系统以避免油蒸气造成的碳掺杂。

6.溅射工作气压：工作气压直接影响沉积速率和薄膜质量。由于设备与工艺间的复杂关联，需要通过实验为特定装置和材料确定最佳工作气压。

三、 沉积速率的影响因素与优化策略

沉积速率（Q）定义为单元时间内沉积的薄膜厚度，其核心表达式为 Q = CηJ（C为装置常数，η为溅射产额，J为离子流密度）。因此，一切影响和J的因素都会影响沉积速率。

1.核心影响因素： 

a. 离子流密度(J)：是影响沉积速率最直接的因素。提高溅射功率（电流）可以显著提升J。

b. 工作气压：沉积速率与气压并非单调关系。存在一个最佳气压值，此时速率最大。气压过低，电离的离子数量少，J小；气压过高，溅射出的靶材原子在飞向基片的过程中因与气体分子碰撞而散射回靶材或腔壁，导致有效沉积率下降。在约10Pa时，仅有约10%的溅射粒子能穿过阴极暗区到达基片。

c. 靶基距：沉积速率随靶基距增大呈双曲线下降，这是由粒子在迁移过程中的散射效应造成的。在保证辉光放电稳定和膜厚均匀性的前提下，应尽量减小靶基距，通常最小值为5-7厘米。

d. 靶材功率密度：提高功率密度是提升速率的有效途径，但受限于靶材的力学性能和导热性，过高的功率会导致靶材开裂、升华或熔化。

2.其他重要考虑：

①　气体纯度：杂质气体（如H₂O, O₂, CO₂）会显著降低沉积速率，因为它们可能在靶表面形成氧化层或发生反应，降低溅射产额η。

②　基片温度：对于非反应溅射，温度升高可能使吸附原子更容易解吸，导致速率轻微下降；对于反应溅射，升温可能促进化学反应，使速率有所增加。

③　薄膜质量权衡：单纯追求高沉积速率可能带来副作用，如薄膜中掺入过多氩气、内应力增大、膜层被高能粒子损伤等，需要在工艺优化中综合权衡。

综上所述，溅射镀膜是一个涉及物理、化学和材料科学的复杂过程。通过深入理解薄膜生长机理，并系统性地调控气体、电压、温度、真空、气压等一系列参数，才能实现对薄膜沉积速率和最终性能的精确控制。

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