3.阴极溅射镀膜
阴极溅射镀膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面原子以一定能量逸出，然后在基片表面沉积的过程。
（1）溅射过程
用沉积的材料（如TiC）作阴极靶，并接入1～3kV的直流负高压，在真空室内通入压力为0.133～13.3Pa的氩气（作为工作气体）。在电场的作用下，氩气电离后产生的氩离子轰击阴极靶面，溅射出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面产生沉积，并使工作受热。溅射时工件的温度可达500℃左右。图9-21所示为阴极溅射系统简图。
当接通高压电源时，阴极发出的电子在电场的作用下会向阳极运动，速度在电场中不断增大。刚离开阴极的电子能量很低，不足以引起气体原子的变化，所以附近为暗区。在稍远的位置，当电子的能量足以使气体原子激发时就产生辉光，形成阴极辉光区。越过这一区域，电子能量进一步增加，就会引起气体原子电离，从而产生大量的离子与低速电子，此过程不发光，这一区域为阴极暗区。低速电子在此后向阳极的运动过程中，也会被加速，进而激发气体原子而发光，形成负辉光区。在负辉光区和阳极之间，还有几个阴暗的区域，但它们与溅射离子产生的关系不大，只起导电作用。
溅射下来的材料原子具有10～35eV的动能，比蒸镀时的原子动能大得多，因而溅射膜的结合力也比蒸镀膜大。
溅射性能取决于所用的气体、离子的能量及被轰击的材料等。离子轰击所产生的投射作用可用于任何类型的材料，难熔材料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像低熔点材料一样容易沉积。溅射出的合金组成常常与靶的成分相当。
（2）溅射工艺
溅射的工艺很多，如果按电极的构造及配置方法进行分类，具有代表性的有：二极溅射、三极溅射、射频溅射、磁控溅射、对置溅射、离子束溅射、吸收溅射等。常用的是磁控溅射，目前已开发了多种磁控溅射装置。
1）直流二极溅射。直流二极溅射是在阴极上接1～3kV的直流负高压，阳极通常接地，如图9-22所示。
图9-21 阴极溅射系统简图
1—阴极屏蔽 2—阴极（靶） 3—工件 4—阳极 5—固定装置 6—气体入口 7—抽真空 8—高压线
图9-22 二极溅射装置
1—屏蔽 2—基板 3—等离子体 4—靶
这种装置的最大优点是结构简单、控制方便，但因工作压力较高，膜层有受到污染，积累速率低，不能镀10μm以上的膜层，而且大量二次电子直接轰击基片使基片温度升高。(https://www.daowen.com)
2）三级和四级溅射。三级溅射是在二级溅射的装置上附加一个电极，使其放出热电子强化放电。它既能使溅射速率有所提高，又能使溅射工况的控制更为方便。四级溅射方法不能抑制由靶产生的高速电子对基片的轰击，还存在因灯丝具有不纯物而使膜层受到污染等问题。
3）射频溅射。射频是指无线电波发射范围的频率。为了避免干扰电台工作，射频专用频率规定为13.56MHz。在射频电源交变电场作用下，气体中的电子随之发生振荡，并使气体电离为等离子体。
大功率的射频溅射电源价格高，人身防护也存在问题，因此不适宜工业生产应用。
4）磁控高速溅射。常用磁控高速溅射方法的工作原理为：用氩气作为工作气体，充氩气后反应室内的压力为1.3～2.6Pa，以欲沉积的金属和化合物为靶（如Ti、TiC、TiN），在靶附近设置与靶平面平行的磁场，另外在靶和工件之间设置阳极以防工件过热。磁场使靶附近的等离子密度（即金属离化率）提高，从而提高溅射与沉积速率。平面磁控溅射靶如图9-23所示。
图9-23 平面磁控溅射靶
1—磁极 2—刻蚀区 3—磁力线 4—跳跃电子 5—阴极
磁控溅射效率高，成膜速度快（可达2μm/min），而且基板温度低。因此，此法适应性强，可沉积纯金属、合金及化合物。例如以钛为靶，引入氮或碳氢化合物气体可分别沉积TiN、TiC等。
（3）合金膜的镀制
在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成分。镀制合金膜可以采用多靶共溅射，控制各个磁控靶的溅射参数，可以得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶（单靶）进行溅射，则不必采用任何控制措施，就可以得到与靶材成分相对一致的合金膜。
（4）化合物膜的镀制
化合物膜是指金属元素与O、N、Si、C、B、S等非金属的化合物构成的膜层。化合物膜的镀制可选用化合物靶溅射和反应溅射。
1）许多化合物是导电材料，其电导率有的甚至与金属材料相当，这时可以采用化合物靶进行直流溅射。大规模镀制化合物膜，宜采用反应溅射。这种方法的优点在于不必用化合物靶材，而是直接用金属靶，也不必用复杂的射频电源，而是用直流溅射。
2）在诸多溅射方式中，如果在Ar中混入反应气体，如O2、N2、CH4、C2 H2等，则可制得靶材料的氧化物、碳化物、氮化物等化合物薄膜，称为反应溅射。在金属靶材进行溅射镀膜的同时，向真空室内通入反应气体，金属原子与反应气体在基片上发生化学反应即可得到化合物膜。对于绝缘材料化合物则只能采用射频溅射。