溅射镀膜是用荷能粒子轰击固体靶材，使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜的镀膜技术。1852年，Grove 在实验室发现了阴极溅射现象，被公认为是真空溅射镀膜的开始。目前来看，磁控溅射技术的发展前景十分可观，靶材温升慢、沉积速率高的两大显著特点被广泛应用于各种材料薄膜的制备，如单层或复合薄膜、磁性或超导薄膜以及有一定用途的功能性薄膜等，在科学领域以及工业生产中发挥着不可替代的作用。有关磁控溅射各个过程的物理机制研究也越来越重要。

实验原理

1.溅射原理

图17.1为磁控溅射镀膜的原理，其中基体与靶材平行相对，靶材接负电位，故基体相对于靶材处于正电位。在正负两极中引入磁场，电子受电场和磁场的共同影响，在洛伦兹力F=eυ×B的作用下成摆线运动，靶材的刻蚀机理如图17.2所示，电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar ⁺ 和新的电子。新电子飞向基片，Ar ⁺ 在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E(电场)×B(磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。

若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中，某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

溅射有如下特点。

(1)溅射粒子(主要是原子及少量离子等）的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能高得多(3000 K蒸发时平均动能仅0.26 eV)，溅射粒子的角分布与入射离子的方向有关。

(2)入射离子能量增大(在几千电子伏范围内），溅射率(溅射出来的粒子数与入射离子数之比）增大。入射离子能量再增大，溅射率达到极值；能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降。

(3)入射离子质量增大，溅射率增大。

(4)入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。

(5)单晶靶由于焦距碰撞(级联过程中传递的动量越来越接近原子列方向），在密排方向上发生优先溅射。

(6)不同靶材的溅射率差异很大。