一、实验原理

溅射法镀膜（Sputtering）是一种物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）薄膜材料的方法，可用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大等优点。磁控溅射（Magnetron Sputtering）通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率，已广泛应用到包括微电子电路、光学薄膜和材料表面处理如涂层等领域。磁控溅射分为直流磁控溅射和射频磁控溅射两种，其中，直流磁控溅射用于导电薄膜材料的制备，射频磁控溅射可用制备于导体、半导体和绝缘薄膜材料。

图1（a）表示了磁控溅射装置的工作腔室。其中，外部气路向腔室通入氩气（Ar），Ar气的压强通过真空系统控制；基片和溅射靶材两极之间加正电压，形成如图所示的电场。当两极之间的电压足够高时，在Ar气中自然存在的Ar⁺离子和电子由于电场的作用而具有足够高的能量，与腔室中其余的中性Ar原子发生碰撞，使之电离，在这个过程中，众多的电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激发跃迁到高能态，而后又衰变到基态，并发射光子，大量的光子便形成辉光（图1（b））；

图1：（a）磁控溅射工作原理；（b）辉光放电

在图1（a）所示的磁控溅射装置中，永磁体放置于溅射靶下方并提供一个环形磁场，该磁场的出现可以增加电子在等离子体中的漂移路程，从而增加电子和Ar原子的碰撞而产生更多Ar⁺离子和二次电子，这些Ar⁺离子受到电场加速轰击溅射靶，产生更多的溅射靶材原子，因此，相较于普通的溅射装置，磁控溅射的沉积速率较高。

在溅射镀膜装置中，靶材接阴极，衬底（基片）接阳极。作为阴极的靶材在高能Ar⁺离子的轰击下，靶材温度升高的同时，其表面的原子由于Ar⁺离子动量的传递而从靶材表面被溅射出来。如果溅射靶为绝缘体，则在Ar⁺离子轰击过程中，正电荷会累积在绝缘体前表面，这会阻碍甚至阻止Ar⁺离子被电场加速。对此，需要将射频电压加在绝缘体上，此时离子和电子迁移率的不同将导致阴极负自偏压的形成，由此提供给溅射所需的电势。 射频溅射可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位，从而导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。