溅射沉积技术

定义

溅射镀膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉淀在基体上形成薄膜的技术。溅射镀膜技术具有可实现大面积快速沉积，薄膜与基体结合力好，溅射密度高、针孔少，膜层可控性和重复性好等优点，而且任何物质都可以进行溅射，因而近年来发展迅速，应用广泛。

溅射机理

入射离子轰击靶面时，将其部分能量传输给表层晶格原子，引起靶材中原子的运动。有的原子获得能量后从晶格处移位，并克服了表面势垒直接发生溅射；有的不能脱离晶格的束缚，只能在原位做振动并波及周围原子，结果使靶的温度升高；而有的原子获得足够大的能量后产生一次反冲，将其临近的原子碰撞移位，反冲继续下去产生高次反冲，这一过程称为级联碰撞。级联碰撞的结果是部分原子达到表面，克服势垒逸出，这就形成了级联溅射，这就是溅射机理。当级联碰撞范围内反冲原子密度不高时，动态反冲原子彼此间的碰撞可以忽略，这就是线性级联碰撞。 

二极溅射

二极溅射是最早采用，并且是目前最简单的基本溅射方法。直流二极溅射装置由阴、阳极组成。用膜材(导体)制成的靶作为阴极，放置被镀件的工件架作为阳极(接地)，两极间距一般为数厘米至十厘米左右。当真空室内电场强度达到一定值后，两极间产生异常辉光放电。等离子区中的Ar +离子被加速而轰击阴极靶，被溅射出的靶材原子在基体上沉积形成薄膜。

三极溅射
二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。

三极溅射中，等离子体的密度可以通过改变电子发射电流和加速电压来控制。离子对靶材的轰击能量可以用靶电压加以控制，从而解决了二极溅射中靶电压、靶电流和气压之间相互制约的矛盾。

三极溅射的缺点在于放电不稳定，等离子体密度不均匀引起的膜厚不均匀。为此，在三极溅射的基础上又加了一个辅助阳极，这就形成了四极溅射。 

磁控溅射

磁控溅射又称为高速低温溅射。在磁场约束及增强下的等离子体中的工作气体离子 (如 Ar+)，在靶阴极电场的加速下，轰击阴极材料，使材料表面的原子或分子飞离靶面，穿越等离子体区以后在基片表面淀积、迁移最终形成薄膜。
与二极溅射相比较，磁控溅射的沉积速率高，基片升温低，膜层质量好，可重复性好，便于产业化生产。它的发展引起了薄膜制备工艺的巨大变革。

磁控溅射源在结构上必须具备两个基本条件：

(1)建立与电场垂直的磁场；

(2)磁场方向与阴极表面平行，并组成环形磁场。

在平面磁控靶结构原理图中可以看出，磁控溅射源实质上是在二极溅射的阴极靶后面设置了磁铁，磁铁在靶面上产生水平分量的磁场。离子轰击靶材时放出二次电子，这些电子的运动路径很长，被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体区域内沿跑道转圈，在该区中通过频繁地碰撞电离出大量Ar + 用以轰击靶材，从而实现了高速溅射。电子经数次碰撞后能量逐渐降低，逐步远离靶面，最终以很低的能量飞向阳极基体，这使得基体的升温也较低。由于增加了正交电磁场对电子的束缚效应，故其放电电压(500～600V)和气压(10 -1 Pa)都远低于直流二极溅射。