以一定能量的粒子（離子或中性原子、分子）轟擊固體表面，使固體近表面的原子或分子獲得足夠大的能量而最終逸出固體表面的工藝。濺射只能在一定的真空狀態(tài)下進行。濺射用的轟擊粒子通常是帶正電荷的惰性氣體離子，用得最多的是氬離子。氬電離后，氬離子在電場加速下獲得動能轟擊靶極。當氬離子能量低于5電子伏時,僅對靶極最外表層產(chǎn)生作用，主要使靶極表面原來吸附的雜質(zhì)脫附。當氬離子能量達到靶極原子的結(jié)合能（約為靶極材料的升華熱）時，引起靶極表面的原子遷移，產(chǎn)生表面損傷。轟擊粒子的能量超過靶極材料升華熱的四倍時，原子被推出晶格位置成為汽相逸出而產(chǎn)生濺射。對于大多數(shù)金屬，濺射閾能約為10～25電子伏。即單位入射離子轟擊靶極濺出原子的平均數(shù)，與入射離子的能量有關(guān)。在閾能附近濺射，產(chǎn)額只有10-5～10-4個原子/離子，隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額按指數(shù)上升。當離子能量為103～104電子伏時，濺射產(chǎn)額達到一個穩(wěn)定的極大值;能量超過104電子伏時，由于出現(xiàn)明顯的離子注入現(xiàn)象而導致濺射產(chǎn)額下降。濺射產(chǎn)額還與靶極材料、原子結(jié)合能、晶格結(jié)構(gòu)和晶體取向等有關(guān)。一般說來，單金屬的濺射產(chǎn)額高于它的合金；在絕緣材料中，非晶體濺射產(chǎn)額最高，單晶其次，復合晶體最低。濺射工藝主要用于濺射刻蝕和薄膜沉積兩個方面。濺射刻蝕時，被刻蝕的材料置于靶極位置，受氬離子的轟擊進行刻蝕。刻蝕速率與靶極材料的濺射產(chǎn)額、離子流密度和濺射室的真空度等因素有關(guān)。濺射刻蝕時，應盡可能從濺射室中除去濺出的靶極原子。常用的方法是引入反應氣體，使之與濺出的靶極原子反應生成揮發(fā)性氣體，通過真空系統(tǒng)從濺射室中排出。沉積薄膜時，濺射源置于靶極，受氬離子轟擊后發(fā)生濺射。如果靶材是單質(zhì)的，則在襯底上生成靶極物質(zhì)的單質(zhì)薄膜；若在濺射室內(nèi)有意識地引入反應氣體，使之與濺出的靶材原子發(fā)生化學反應而淀積于襯底，便可形成靶極材料的化合物薄膜。通常，制取化合物或合金薄膜是用化合物或合金靶直接進行濺射而得。在濺射中，濺出的原子是與具有數(shù)千電子伏的高能離子交換能量后飛濺出來的，其能量較高，往往比蒸發(fā)原子高出1～2個數(shù)量級，因而用濺射法形成的薄膜與襯底的粘附性較蒸發(fā)為佳。若在濺射時襯底加適當?shù)钠珘?，可以兼顧襯底的清潔處理，這對生成薄膜的臺階覆蓋也有好處。另外，用濺射法可以制備不能用蒸發(fā)工藝制備的高熔點、低蒸氣壓物質(zhì)膜，便于制備化合物或合金的薄膜。濺射主要有離子束濺射和等離子體濺射兩種方法。離子束濺射裝置中，由離子槍提供一定能量的定向離子束轟擊靶極產(chǎn)生濺射。離子槍可以兼作襯底的清潔處理和對靶極的濺射。為避免在絕緣的固體表面產(chǎn)生電荷堆積，可采用荷能中性束的濺射。中性束是荷能正離子在脫離離子槍之前由電子中和所致。離子束濺射廣泛應用于表面分析儀器中，對樣品進行清潔處理或剝層處理。由于束斑大小有限，用于大面積襯底的快速薄膜淀積尚有困難?！?/section>等離子體濺射也稱輝光放電濺射。產(chǎn)生濺射所需的正離子來源于輝光放電中的等離子區(qū)。靶極表面必須是一個高的負電位，正離子被此電場加速后獲得動能轟擊靶極產(chǎn)生濺射，同時不可避免地發(fā)生電子對襯底的轟擊。二極濺射是最簡單的等離子體濺射裝置。兩個平行板電極間加上一個直流高電壓：陰極為靶極，陽極為襯底。為使這種自持輝光放電保持穩(wěn)定，除兩極板間須保持一定電壓外，極板間距和氣體壓強的大小也很重要。在兩極板間距為數(shù)厘米的正常濺射間距下，放電氣壓一般高達10帕。在這樣的氣壓下，粒子的平均自由程很短，對濺射不利。為保持更低氣壓下的濺射，可采用非自持放電，常用的是熱電子激發(fā)法。直流四極濺射就是在原有的二極濺射設備上附加一對熱燈絲和陽極組成的。從燈絲發(fā)出的強大電子流在流向陽極的途中，使處于低氣壓的氬氣分子大量電離，從而提供足夠的離子。這可使濺射在10-1～10-2帕的低氣壓下進行。外加磁場可使電子電離氣體的效率增加。對于絕緣體靶的濺射，必須采用高頻濺射方法。在靶極上施加高頻電壓，氣體擊穿后等離子體中的電子和離子將在靶極高頻電場的作用下交替地向靶極遷移。電子的遷移率比離子高得多。頻率很高時，離子向靶極的遷移就會跟不上高頻信號的頻率變化。因為靶是絕緣的，靶極回路凈電流必須保持為零。為此，必須在靶極表面維持一個負電勢,用以抑制電子向靶極的遷移,同時加速正離子的遷移，使流向靶極的電子數(shù)與離子數(shù)相等。正是這一負電勢加速氬離子，使絕緣靶的濺射得到維持。為使這一負電勢保持足夠的數(shù)值，靶上的高頻電壓的頻率必須足夠高。頻率過高，高頻損耗增大且難于匹配。常用的頻率約為13.56兆赫。等離子體濺射突出的問題是濺射速率低、襯底溫度升高。從靶極發(fā)出的濺射原子流為E=Sj+。式中S為濺射產(chǎn)額,j+為轟擊靶極的離子流密度。在S確定以后,提高濺射速率必須增加離子流密度。另外,降低襯底溫升,必須防止高能二次電子對襯底的轟擊。磁控濺射能解決這兩個問題。磁控濺射利用高頻磁控管的原理，在濺射室中引入一個與電場方向正交的磁場。在此磁場的控制下，電子局限于靶極附近并沿螺旋形軌道運動，大大提高電子對氬原子的電離效率，增加轟擊靶極的離子流密度j+，實現(xiàn)快速的大電流濺射。同時，又能避免電子直接向襯底加速，降低襯底的溫升。磁控濺射有直流和高頻兩類。按結(jié)構(gòu)又有同軸型、平面型和S槍等多種類型。靶極上出現(xiàn)不均勻侵蝕，會使磁控濺射靶材利用率降低。離子鍍膜法將真空蒸發(fā)和濺射工藝相結(jié)合，利用濺射對襯底作清潔處理，用蒸發(fā)的方法鍍膜。襯底置于陰極，它與蒸發(fā)源之間加數(shù)百伏以至數(shù)千伏的高壓電，放電氣壓為10～10-2帕。蒸發(fā)源通過熱絲加熱進行蒸發(fā),部分蒸發(fā)分子與放電氣體分子成一定比例，在強電場作用下激發(fā)電離并加速向襯底轟擊，而大部分中性蒸發(fā)分子不經(jīng)加速而到達襯底。用此法制造薄膜，淀積速率比濺射法為高，與襯底的粘附力又比蒸發(fā)法為強。直流濺射法要求靶材能夠?qū)碾x子轟擊過程中得到的正電荷傳遞給與其緊密接觸的陰極，從而該方法只能濺射導體材料，不適于絕緣材料，因為轟擊絕緣靶材時表面的離子電荷無法中和，這將導致靶面電位升高，外加電壓幾乎都加在靶上，兩極間的離子加速與電離的機會將變小，甚至不能電離，導致不能連續(xù)放電甚至放電停止，濺射停止。故對于絕緣靶材或?qū)щ娦院懿畹姆墙饘侔胁?，須用射頻濺射法（RF）。濺射過程中涉及到復雜的散射過程和多種能量傳遞過程：首先，入射粒子與靶材原子發(fā)生彈性碰撞，入射粒子的一部分動能會傳給靶材原子，某些靶材原子的動能超過由其周圍存在的其它原子所形成的勢壘(對于金屬是5-10eV)，從而從晶格點陣中被碰撞出來，產(chǎn)生離位原子，并進一步和附近的原子依次反復碰撞，產(chǎn)生碰撞級聯(lián)。當這種碰撞級聯(lián)到達靶材表面時，如果靠近靶材表面的原子的動能大于表面結(jié)合能(對于金屬是1-6eV)，這些原子就會從靶材表面脫離從而進入真空。濺射鍍膜就是在真空中利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子沉積在基片上的技術(shù)。通常，利用低壓惰性氣體輝光放電來產(chǎn)生入射離子。陰極靶由鍍膜材料制成，基片作為陽極，真空室中通入0.1-10Pa的氬氣或其它惰性氣體，在陰極(靶)1-3KV直流負高壓或13.56MHz的射頻電壓作用下產(chǎn)生輝光放電。電離出的氬離子轟擊靶表面，使得靶原子濺出并沉積在基片上，形成薄膜。濺射方法很多，主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱交流射頻濺射、離子束濺射以及反應濺射等。由于被濺射原子是與具有數(shù)十電子伏特能量的正離子交換動能后飛濺出來的，因而濺射出來的原子能量高，有利于提高沉積時原子的擴散能力，提高沉積組織的致密程度，使制出的薄膜與基片具有強的附著力。濺射時，氣體被電離之后，氣體離子在電場作用下飛向接陰極的靶材，電子則飛向接地的壁腔和基片。這樣在低電壓和低氣壓下，產(chǎn)生的離子數(shù)目少，靶材濺射效率低；而在高電壓和高氣壓下，盡管可以產(chǎn)生較多的離子，但飛向基片的電子攜帶的能量高，容易使基片發(fā)熱甚至發(fā)生二次濺射，影響制膜質(zhì)量。另外，靶材原子在飛向基片的過程中與氣體分子的碰撞幾率也大為增加，因而被散射到整個腔體，既會造成靶材浪費，又會在制備多層膜時造成各層的污染。為了解決陰極濺射的缺陷，人們在20世紀70年代開發(fā)出了直流磁控濺射技術(shù)，它有效地克服了陰極濺射速率低和電子使基片溫度升高的弱點，因而獲得了迅速發(fā)展和廣泛應用。其原理是：在磁控濺射中，由于運動電子在磁場中受到洛侖茲力，它們的運動軌跡會發(fā)生彎曲甚至產(chǎn)生螺旋運動，其運動路徑變長，因而增加了與工作氣體分子碰撞的次數(shù)，使等離子體密度增大，從而磁控濺射速率得到很大的提高，而且可以在較低的濺射電壓和氣壓下工作，降低薄膜污染的傾向；另一方面也提高了入射到襯底表面的原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。同時，經(jīng)過多次碰撞而喪失能量的電子到達陽極時，已變成低能電子，從而不會使基片過熱。因此磁控濺射法具有“高速”、“低溫”的優(yōu)點。該方法的缺點是不能制備絕緣體膜，而且磁控電極中采用的不均勻磁場會使靶材產(chǎn)生顯著的不均勻刻蝕，導致靶材利用率低，一般僅為20%-30%。磁控濺射靶材的利用率可成為磁控濺射源的工程設計和生產(chǎn)工藝成本核算的一個參數(shù)。對于靜態(tài)直冷矩形平面靶，即靶材與磁體之間無相對運動且靶材直接與冷卻水接觸的靶， 靶材利用率( 最大值) 數(shù)據(jù)多在20%~30%左右(間冷靶相對要高一些，但其被刻蝕過程與直冷 磁控濺射靶相同，不作專門討論)，且多為估計值。為了提高靶材利用率，研究出來了不同形式的動態(tài)靶，其中以旋轉(zhuǎn)磁場圓柱靶最著名且在工業(yè)上被廣泛應用，這種靶材的利用率最高可超過70%。常見的磁控濺射靶材從幾何形狀上看有三種類型：矩形平面、圓形平面和圓柱管如何提高利用率是真空磁控濺射鍍膜行業(yè)的重點,圓柱管靶利用高,但在有些產(chǎn)業(yè)是不適用。利用外加磁場捕捉電子，延長和束縛電子的運動路徑，搞高離化率，增加鍍膜速率。1)濺射粒子(主要是原子，還有少量離子等)的平均能量達幾個電子伏，比蒸發(fā)粒子的平均動能kT高得多(3000K蒸發(fā)時平均動能僅0.26eV)，濺射粒子的角分布與入射離子的方向有關(guān)。(2)入射離子能量增大(在幾千電子伏范圍內(nèi))，濺射率(濺射出來的粒子數(shù)與入射離子數(shù)之比)增大。入射離子能量再增大，濺射率達到極值；能量增大到幾萬電子伏，離子注入效應增強，濺射率下降。(3)入射離子質(zhì)量增大，濺射率增大。(4)入射離子方向與靶面法線方向的夾角增大，濺射率增大(傾斜入射比垂直入射時濺射率大)。(5)單晶靶由于焦距碰撞(級聯(lián)過程中傳遞的動量愈來愈接近原子列方向)，在密排方向上發(fā)生優(yōu)先濺射。(6)不同靶材的濺射率很不相同。磁控濺射通常的濺射方法，濺射效率不高。為了提高濺射效率，首先需要增加氣體的離化效率。為了說明這一點，先討論一下濺射過程。當經(jīng)過加速的入射離子轟擊靶材(陰極)表面時，會引起電子發(fā)射，在陰極表面產(chǎn)生的這些電子，開始向陽極加速后進人負輝光區(qū)，并與中性的氣體原子碰撞，產(chǎn)生自持的輝光放電所需的離子。這些所謂初始電子(primary electrons )的平均自由程隨電子能量的增大而增大，但隨氣壓的增大而減小。在低氣壓下，離子是在遠離陰極的地方產(chǎn)生，從而它們的熱壁損失較大，同時，有很多初始電子可以以較大的能量碰撞陽極，所引起的損失又不能被碰撞引起的次級發(fā)射電子抵消，這時離化效率很低，以至于不能達到自持的輝光放電所需的離子。通過增大加速電壓的方法也同時增加了電子的平均自由程，從而也不能有效地增加離化效率。雖然增加氣壓可以提高離化率，但在較高的氣壓下，濺射出的粒子與氣體的碰撞的機會也增大，實際的濺射率也很難有大的提高。如果加上一平行于陰極表面的磁場，就可以將初始電子的運動限制在鄰近陰極的區(qū)域，從而增加氣體原子的離化效率。常用磁控濺射儀主要使用圓筒結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)中，磁場方向都基本平行于陰極表面，并將電子運動有效地限制在陰極附近。磁控濺射的制備條件通常是，加速電壓：300~800V，磁場約：50~300G，氣壓：1 ~10 mTorr，電流密度：4~60mA/cm ，功率密度：1~40W/cm ，對于不同的材料最大沉積速率范圍從100nm/min到1000nm/min。同濺射一樣，磁控濺射也分為直流(DC)磁控濺射和射頻(RF)磁控濺射。射頻磁控濺射相對于直流磁控濺射的主要優(yōu)點是，它不要求作為電極的靶材是導電的。因此，理論上利用射頻磁控濺射可以濺射沉積任何材料。由于磁性材料對磁場的屏蔽作用，濺射沉積時它們會減弱或改變靶表面的磁場分布，影響濺射效率。因此，磁性材料的靶材需要特別加工成薄片，盡量減少對磁場的影響。
