溅射法——薄膜材料制备的重要技术

溅射法原理

溅射法是目前微电子、光电子、磁性材料、超硬涂层等领域制备薄膜材料最重要的方法之一。它利用高能气体离子轰击靶材,使靶材表面原子或原子团被溅射出,沉积在基材上成膜的过程。相比传统的物理气相沉积法,溅射法操作温度低,膜层结合力好,大面积均匀沉积,并可以溅射各种材料,是目前科研和工业最常用的薄膜技术。

常用溅射源

溅射法主要可分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射等类型。直流溅射利用直流电压偏压在陰極靶材与阳极基材间形成电场,使氩气电离成氩离子轰击靶材;射频溅射则利用13.56兆赫的高频电磁场促使氩气形成感应耦合等离子;磁控溅射在靶材与基材间施加磁场,控制溅射粒子运动轨迹,提高沉积率。各种溅射方式都可以获得优质的薄膜材料。

靶材的组成及制备

溅射靶材的选择直接影响沉积薄膜的组成和性能。金属靶材一般采用高纯度(99.99%以上)金属,化合物靶材则按化学计量比配制多组分靶材。常用的配制方法有粉末烧结、热压烧结、溶胶凝胶等。配制好的靶材要进行性能测试,确保组分和性能符合要求。

溅射沉积过程中的关键参数

影响溅射过程的关键参数包括真空度、气压、溅射功率、靶基距离、温度等。真空腔体要达到10^-4^ Pa以下;气压越低薄膜越致密;功率决定溅射速率;靶基距离50-100mm为宜;加热基材可改善薄膜结晶性。调控这些参数可优化薄膜的沉积速度与性能。

溅射系统的常见组成部件

典型的溅射系统由真空腔体、溅射电源、靶材枪阵、基材夹具、转盘等组成。为提高沉积均匀性,通常利用转盘及调整靶材枪位置,使基材各部分与靶材之间距离基本相等。也可设置多枪共溅射,准确控制薄膜成分。

溅射法的优势及局限性

相比其他薄膜技术,溅射法的优势在于:

1)可低温沉积高质量薄膜;

2)可在非单晶衬底大面积沉积;

3)靶材选择性强,可溅射各类材料;

4)膜层结合力好,不需后续处理。局限性是靶材利用率低,生产过程较复杂。