深入了解薄膜溅射沉积技术

我们对薄膜了解多少？
"薄膜"是一个相对术语，表示二维（2D）材料的厚度与其基板相比要小得多，无论其目的是覆盖基板还是夹在两个表面之间。在现代工业应用中，这些薄膜的厚度通常从亚纳米（nm）原子级尺寸（即<1nm）到几微米（μm）不等。单层石墨烯具有一个碳原子的厚度（即〜0.335nm）。

薄膜的应用
薄膜最古老的应用是在史前时期用于装饰和绘画目的。如今，青铜，银，金和铂金等贵金属薄膜被涂覆在奢侈品和装饰品上。

薄膜最常见的应用是物理保护表面免受磨损，冲击，划痕，侵蚀和磨损。金刚石状碳 （DLC） 和钼硅膜层用于保护汽车发动机免受磨损和高温腐蚀，这是由于机械运动部件之间的摩擦引起的。

氧化铝（Al2O3）的莫氏硬度为9.0，用于保护敏感的金属表面免受侵蚀和腐蚀，并用于隔热。硅氧混合体SiC在保护管道和不锈钢部件方面也有应用。TiN和TiC薄膜用于微电子芯片中，将铝导体与二氧化硅（SiO2）绝缘体分离，从而形成铝2O3可以抑制。

薄膜还用于保护化学反应性表面免受周围环境的影响，无论是氧化还是由于潮湿引起的水化。在半导体器件、介质薄膜隔膜、薄膜电极、电磁干扰（EMI）等领域，屏蔽导电薄膜备受关注。特别是，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）包含化学和热稳定的介电薄膜，如SiO2，而互补金属氧化物半导体（CMOS）包含导电铜薄膜。

薄膜电极使超级电容器的能量密度与体积比提高了数倍。此外，金属薄膜和目前MXenes（过渡金属碳化物，氮化物或碳氮化物）钙钛矿陶瓷薄膜被广泛用于电子元件的EMI屏蔽。

薄膜沉积方法
物理气相沉积 （PVD）
在PVD中，目标材料被溅射并转移到含有基板的真空室中。由于冷凝，蒸汽开始沉积在基板表面上。真空可防止杂质的混合以及蒸汽分子与残余气体分子之间的碰撞。

感应蒸汽中的湍流、温度梯度、蒸汽流速和目标材料的潜热在决定薄膜的均匀性和加工时间方面起着重要作用。溅射技术包括电阻加热，电子束加热和最近的分子束外延。

传统PVD的缺点是无法蒸发具有非常高熔点的材料，并且由于蒸发 - 冷凝过程而在沉积材料中引起结构变化。磁控溅射是解决这些问题的新一代物理沉积方法。在磁控溅射中，由于高能正离子通过磁控管产生的磁场的轰击，目标材料的分子被弹出（溅射）。

化学气相沉积
CVD在目标材料的蒸发使用方面与PVD相似。然而，沉积机理是由化学驱动的，而不是由纯冷凝驱动的。要么使多种目标材料在腔室内的气相中发生化学反应，并将所得产品沉积在中性基板上，要么使基板本身与蒸汽发生化学反应，在界面处形成薄膜。

流体力学和热边界层的表面粗糙度和稳定性在CVD中起着重要作用。目前使用的是CVD的变体，即等离子体增强CVD（PECVD），其中等离子体能与热能一起使用以增强反应蒸汽之间的解离反应。同样，挥发性金属有机前体用于金属有机CVD（MOCVD）而不是无机化合物。

薄膜特性
通过溅射沉积的薄膜可以具有多晶，无定形或外延柱状晶粒结构，基于基底温度，压力，沉积速率以及蒸汽分子与基底的排列。特别是沉积速率和沉积温度会影响目标原子在已经形成的层上的扩散。此外，沉积过程中产生的内应力决定了所制造薄膜的机械强度。

此外，由于电子散射减少，薄膜的电子平均自由程高于散装材料。此外，薄膜的高界面能增加了它们对基材表面的附着力。