射頻濺射

射頻濺射（RFsputtering）

用交流電源代替直流電源就構成了交流濺射系統，由於常用的交流電源的頻率在射頻段。如13.56MHz，所以稱為射頻濺射。

在直流濺射裝置中如果使用絕緣材料靶時，轟擊靶面得正離子會在靶面上累積，使其帶正電，靶電位從而上升，使得電極間的電場逐漸變小，直至輝光放電熄滅和濺射停止，所以直流濺射裝置不能用來濺射沉積絕緣介質薄膜。為了濺射沉積絕緣材料，人們將直流電源換成交流電源。由於交流電源的正負性發生週期交替，當濺射靶處於正半周時，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，並且積累電子，使其表面呈現負偏壓，導致在射頻電壓的負半週期時吸引正離子轟擊靶材，從而實現濺射。由於離子比電子質量大，遷移率小，不像電子那樣很快地向靶表面集中，所以靶表面的電位上升緩慢，由於在靶上會形成負偏壓，所以射頻濺射裝置也可以濺射導體靶。 ^[3] 

在射頻濺射裝置中，等離子體中的電子容易在射頻場中吸收能量並在電場內振盪，因此，電子與工作氣體分子碰撞並使之電離產生離子的概率變大，故使得擊穿電壓、放電電壓及工作氣壓顯著降低。 ^[1] 

射頻濺射使用交流電源而不是直流電源的原因？

在直流射頻裝置中如果使用絕緣材料靶時，轟擊靶面得正離子會在靶面上累積，使其帶正電，靶電位從而上升，使得電極間的電場逐漸變小，直至輝光放電熄滅和濺射停止。所以直流濺射裝置不能用來濺射沉積絕緣介質薄膜。為了濺射沉積絕緣材料，人們將直流電源換成交流電源。由於交流電源的正負性發生週期交替，當濺射靶處於正半周時，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，並且積累電子，使其表面呈現負偏壓，導致射頻電壓的負半周時吸引正離子轟擊靶材，從而實現濺射。由於在靶上會形成負偏壓，所以射頻濺射裝置也可以濺射導體靶。 ^[1] 

兩極間接上射頻（5~30MHz，國際上多采用13.56MHz）電源後，兩極間等離子體中不斷振盪運動的電子從高頻電場中獲得足夠的能量，並更有效地與氣體分子發生碰撞，並使後者電離，產生大量的離子和電子，此時不再需要在高壓下（10Pa左右）產生二次電子來維持放電過程，射頻濺射可以在低壓（1Pa左右）下進行，沉積速率也因此時氣體散射少而較二極濺射為高；高頻電場可以經由其他阻抗形式耦合進入沉積室，而不必再要求電極一定要是導體；由於射頻方法可以在靶材上產生自偏壓效應，即在射頻電場作用的同時，靶材會自動處於一個較大的負電位下，從而導致氣體離子對其產生自發的轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應很小，氣體離子對其產生的轟擊和濺射可以忽略，主要是沉積過程。 ^[1]  

射頻濺射裝置示意圖

射頻電場對於靶材的自偏壓效應

由於電子的運動速度比離子的速度大得多，因而相對於等離子體來説，等離子體近旁的任何部位都處於負電位。設想一個電極上開始並沒有任何電荷積累。在射頻電壓的驅動下，它既可作為陽極接受電子，又可作為陰極接受離子。在一個正半週期中，電極將接受大量電子，並使其自身帶有負電荷。在緊接着的負半週期中，它又將接受少量運動速度較慢的離子，使其所帶負電荷被中和一部分。經過這樣幾個週期後，電極上將帶有一定數量的負電荷而對等離子體呈現一定的負電位。（此負電位對電子產生排斥作用，使電極此後接受的正負電荷數目相等）設等離子電位為Vp（為正值），則接地的真空室（包含襯底）電極（電位為0）對等離子的電位差為-Vp，設靶電極的電位為Vc（是一個負值），則靶電極相對於等離子體的電位差為Vc-Vp。|Vc-Vp|幅值要遠大於|-Vp|。因此，這一較大的電位差使靶電極實際上處在一個負偏壓之下，它驅使等離子體在加速後撞擊靶電極，從而對靶材形成持續的濺射。（1）射頻濺射條件：工作氣壓1.0Pa，濺射電壓1000V，靶電流密度1.0mA/cm2,薄膜沉積速率低於0.5μm/min。（2）射頻濺射法的特點能夠產生自偏壓效應，達到對靶材的轟擊濺射，並沉積在襯底上；自發產生負偏壓的過程與所用靶材是否是導體無關。但是，在靶材是金屬導體的情況下，電源須經電容耦合至靶材，以隔絕電荷流通的路徑，從而形成自偏壓；

與直流濺射時的情況相比，射頻濺射法由於可以將能量直接耦合給等離子體中的電子，因而其工作氣壓和對應的靶電壓較低。 ^[1] 

1、可在低氣壓下進行，濺射速率高。

2、不僅可濺射金屬靶，也可濺射絕緣靶，可以把導體，半導體，絕緣體中的任意材料薄膜化。

3、必須十分注意接地問題。

近年來，射頻濺射在研製大規模集電路絕緣膜、壓電聲光功能膜、化合物半導體膜及高温超導膜等方面有重要應用。 ^[2]