工作气压对溅射镀膜的影响有哪些(工作气压对溅射镀膜的影响有多大)

导语：工作气压对溅射镀膜的影响

工作气压（或气体分压）是溅射镀膜中最重要的参数之一。沉积速率、均匀性、粒子能量以及残余应力都受到工作气压的影响。其原因是气体分压直接影响溅射粒子以及背反射粒子的输运过程。粒子输运过程非常关键且复杂，可以采用蒙特卡洛模型模拟输运过程中粒子的运动方式、粒子能量、角分布以及沉积均匀性。

首先，工作气压显著影响沉积速率。Nakano 等发现直流溅射 Al、Cu、Mo 时沉积速率随工作气压增加而增大，到1Pa达到最大值，超过1Pa后溅射速率反而下降。沉积速率受限于气体分压的原因是∶①溅射靶流改变;②热电离区域分布改变。假设靶材的有效电流密度为j,则j=ne·q·v，其中ne为电子浓度，q为电荷，v为电子速率。气体分压增加会提高电子浓度，从而提高原子离化率。原子离化率提高，会增加刻蚀速率和沉积速率。当溅射原子与环境气体分子碰撞频率增大到一定程度后，会导致溅射沉积速率发生转变。该转变点与靶材原子质量有关。原子质量之所以影响沉积速率转变点，原因在于原子质量决定了热电离发生之前的原子运动距离。热电离是指等离子体中溅射原子与反射 Ar 离子通过碰撞达到执平衡的状态。热电离距离与靶材原子质量成正比。当气压较低时，大部分溅射原子都可以携带足够高的能量达到基材表面，沉积速率随气压增加而增大;当气压增加时，溅射原子的碰撞平均自由程降低，这导致热电离区域向靶材收敛，此时沉积速率达到最大值并开始降低。

溅射原子与气体原子的碰撞也会影响残余应力。气体分压对残余应力的影响已得到广泛而深入的研究。最早的工作是由 Hoffman 和 Thomton在19世纪 60年代开始的。他们研究了溅射薄膜的微观结构以及残余应力的起源，发现残余应力强烈依赖于气体分压。低气压导致高残余压应力（最高达2CPa），随着气压的增加残余应力会向拉应力转变。图5-7中，由压应力到拉应力的转变是在非常窄的气压范围迅速完成的。如果气压低于0.266Pa，将很难维持等离子体放电，膜内残余应力将很大，导致薄膜剥落，故沉积气压一般要高于0.266Pa;但如果大于1.33Pa，膜内将存在较大的残余拉应力。因此，知道压-拉应力的转变临界点是非常必要的。

研究发现，该转变临界点受溅射系统配置、电流、电压等参数的影响由于柱状靶比平面靶电流增加更加显著，这导致膜系在更低的气压发生压一拉应力转变。低气压时膜内残余压应力可归因于到达基体表面的原子和背反射中性气体原子携带足够高的动能。气压越低，轰击效果越明显，产生所谓的&34;效应，原子在强烈的撞击下偏离平衡位置并有可能发生级联碰撞，最终导致一定体积范围内的结构损伤。Hoffman和 Gaertner给出了令人信服的&34;证据。他们测定了蒸发铬（Cr）膜的内应力，发现其为残余拉应力。当在蒸镀时辅以惰性气体离子轰击后，膜内形成压应力，而且这种效应在低气压中非常明显，这就表明溅射膜内的残余压应力是以动量和能量驱动过程。从此角度看，高气压时沉积原子与环境气体原子碰撞后能量损失，膜内出现残余拉应力也就不奇怪了。

气压越高，粒子流中的低能组分所占比例越高，导致离子的能量和动量衰减。当粒子能量被气体分子散射耗散，会发生热电离过程。到达基材的粒子能量是由气压以及靶—基距离决定的。大多数的溅射系统中靶—基最小距离为5cm，故几乎所有溅射及背反射粒子在，1Pa 以上时都会热电离。溅射原子能量降低意味着到达基材表面的原子运动能力降低。

以上讨论了溅射过程中压—拉应力随气压变化情况。实际中，不同的溅射方式下，气压对内应力的影响也会存在差异。Aissa研究了不同工作气压下直流磁控溅射（DC-MS）和高频脉冲磁控溅射（HIPIMS）制备 AIN 薄膜的结构性能和残余应力变化，发现 HIPIMS制备薄膜更致密，且残余应力随气压增加而降低的幅度更加明显。

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