如何提高有效溅射面积 与 溅射速率

变量定义与物理机理

有效溅射面积

“样品上的有效溅射面积”是指样品表面能有效接受溅射粒子并形成均匀薄膜的区域。此面积受靶直径、靶–样品距离、样品尺寸、旋转机制等因素影响。靶–样品距离越小，覆盖区域越集中，溅射速率更高，但覆盖均匀性可能受影响。

溅射速率

溅射速率是单位时间内沉积在样品上的薄膜厚度，受靶功率、气压、溅射模式（DC或磁控）和靶–样品距离影响。一般来说，靶–样品距离越小，溅射速率越高。磁控溅射通过磁场增强离子化，提升溅射效率，速率高于普通直流溅射。

有效溅射面积分析

几何关系与覆盖区域

假设靶直径为50mm，靶–样品距离为H。有效溅射面积取决于靶材发射粒子的扩散角度。当靶–样品距离较小（如40mm），有效面积接近靶直径；当距离较大（如120mm），有效面积增加，但边缘粒子通量较低。

DC溅射与磁控溅射差异

• DC溅射：溅射粒子扩散角度较大，覆盖区域有限，适用于小范围样品。

• 磁控溅射：由于磁场增强等离子体密度，能在较大距离下保持较高的覆盖区域和速率。

针对VPI仪器的估算

样品距离靶50mm时，溅射覆盖直径约46mm；距离增至100mm时，覆盖直径约81mm，但速率将降低。建议根据样品尺寸调整靶–样品距离，以平衡覆盖面积和速率。

溅射速率分析

速率影响因素

溅射速率与靶功率、靶–样品距离、气压等因素密切相关。增加靶功率或减小靶–样品距离通常可以提高速率，但也可能导致薄膜厚度不均。磁控溅射通过增强通量提高速率，相比普通DC溅射，磁控溅射的速率要高出不少。

VPI仪器估算

在VPI仪器中，靶直径为50mm时，距靶50mm时的速率较高，约为10nm/min；而当距靶100mm时，速率可能降至6-7nm/min。根据实际需求调整靶–样品距离、功率设置以控制速率。

建议：靶–样品距离选择

• 若样品较小（如光纤），靶–样品距离建议为30-50mm，以提高通量和速率。

• 对于大样品，建议距靶80-120mm，增加有效覆盖面积，但要通过旋转等手段保证均匀性。

建议：功率与气压调节

• 在磁控模式下，可适当提高功率以增加速率，但需避免过热。

• 控制气压在合适范围，保证等离子体稳定，同时避免过高气压影响速率。

建议：样品旋转与均匀性

• 采用样品旋转或翻转，可以有效提升薄膜的均匀性，减少边缘厚度差异。

• 对于薄膜要求较高均匀性的应用（如SPR），建议选择较短的靶–样品距离并使用磁控溅射模式。