直流二极管溅射
简单和最古老的溅射沉积源是直流二极管。 两个电极通常相互平行，间隔 4 到 8 厘米，基板放置在阳极上，如图 31.2 所示。 施加的电势通常为 1000 至 3000 V dc，氩气压力约为 0.075 至 0.12 托。 直流二极管配置具有重要的缺点，包括沉积速率低（金属约为 400 º/min）、工作气体压力高、靶材仅限于电导体，以及等离子体电子轰击基板，导致基板发热。 接下来讨论的阴极系统可用于提高直流二极管的性能。
图 31.4 三极管溅射工艺示意图。 （由 W. H. Brady Co. 提供）
三极管溅射
加热灯丝（图 31.4）用作放电的辅助电子源； 一个外部磁铁也可以用来限制电子和增加隔离概率。 三极管可以产生在较低的压力下（0.5 到1 × 10–3 torr）和电压（50 到 100 V）。 三极管的用处受到了困难的限制放大到较大的阴极尺寸和发射器灯丝被腔室气体腐蚀。
射频溅射
非导电材料不能直接用施加的直流电压溅射，因为正目标表面上的电荷积累。如果施加足够高频率的交流电势，则产生有效的负偏压，使得到达目标的电子数量而它是正的等于在它是负的时候到达的离子的数量。因为质量电子相对于存在的离子非常小，目标仅在很短的时间内呈阳性，并且射频二极管的沉积速率几乎等同于直流二极管。这种产生的负偏差允许溅射绝缘靶材。大多数实际应用中使用的频率通常为 13.56MHz，由联邦通信委员会分配给工业用途的无线电频段。射频溅射允许绝缘体以及导体和半导体沉积相同的设备，也允许在较低压力下进行溅射（5 到 15 × 10-3 托）。一个专业射频溅射的缺点是需要电磁屏蔽来阻挡射频辐射。此外，该实现谐振射频网络所需的电源、匹配网络和其他组件非常复杂。
磁控溅射
磁控管阴极本质上是一个磁增强二极管。磁场用于形成一个电子陷阱，它与阴极表面一起限制 E × B（电场强度× 磁通密度）电子漂移电流到目标表面上的闭环路径。这种“跑道”有效地增加了等离子体中每个电子的电离碰撞次数。磁性的目标附近的限制导致在较低压力下可获得更高的电流密度（10-3 到 10-2torr），几乎与电压无关。这种阴极操作方式被描述为磁控管模式并且能够以更少的电子提供更高的沉积速率（直流二极管的 10 倍）轰击基材，因此加热较少。影响沉积速率的因素是功率靶材上的密度、腐蚀面积、到衬底的距离、靶材、溅射产量和气压。直流通常用于磁控溅射，但射频可用于绝缘体或半导体。什么时候溅射磁性材料，通常需要更薄的靶材以保持足够的磁场高于目标表面的强度。三种常见的磁控管阴极设计，如下所述，如图 31.5 所示。
图 31.5 从左上角顺时针方向：平面磁控管、枪型磁控管和圆柱形后磁控溅射源。
1、平面磁控管
一组永磁体放置在平面、圆形或矩形目标后面。 磁铁是布置成使得磁场线平行于目标表面的区域形成闭合在表面上循环。 围绕这个环，磁场线通常进入目标，垂直于其表面。 这会在目标上产生细长的电子跑道和侵蚀图案表面。 由于靶材侵蚀的不均匀性，靶材的利用率很低，通常26% 到 45%。 这也导致在固定目标上的不均匀沉积。 均匀性由基板运动，通常是线性或行星运动，结合均匀孔径屏蔽。 平面磁控管阴极通常在 300 至 700 V 下工作，提供 4 至 60mA/cm2 的电流密度或 1 至 36 W/cm2 的功率密度。
沉积速率通常与传递到目标的功率成正比。 这种力量的很大一部分被耗散为目标加热。 限制磁控管沉积速率的主要因素是可以施加在目标上而不会使其熔化、破裂或变形的能量。 这是由阴极水冷设计，以及靶材、背板和靶材的导热系数它们之间的接口。 平面磁控管阴极已在生产应用中扩大规模长达数米，是一种重要的工业涂装工具。
2、圆柱形磁控管
圆柱形阴极设计的两种变体可用于涂覆大表面积：圆柱形柱磁控管，从中心柱靶向外溅射，圆柱形空心或倒置磁控管，它在圆柱形靶材的内壁上有靶材腐蚀。 操作参数是类似于平面磁控管。 E × B 电流通过绕柱或圆柱体自行闭合。通常使用静电或磁性遏制来尽可能地减少端部损耗。 侵蚀是均匀的柱子或气缸内部。 这可以实现相当均匀的涂层，而无需基材移动。空心阴极在涂覆复杂形状的物体时特别有效。 另一个圆柱形阴极，可旋转磁控管，使用类似于平面磁控管的磁体阵列并旋转目标或磁铁以获得均匀的腐蚀。
3、环形或枪式磁控管
环形或枪式磁控管源包括一个圆形阴极和一个位于中心的同心阳极。与其他磁控管一样，只需很少的基板加热即可实现高沉积速率。 由于圆形设计，行星基板运动是沉积均匀性所必需的。 这种设计广泛用于小规模应用，但尚未扩大到更大的尺寸。 这些数组阴极已被用于大面积涂层。
光束溅射
与辉光放电相反，可以使用单独的离子束源（图 31.6）来腐蚀目标的表面。 可以控制离子束的能量、方向和电流密度独立，并且可以在低于其他溅射沉积的背景压力下工作使用的方法。 有时可以使用离子束沉积获得独特的薄膜特性，有点通常仅限于覆盖相当小的区域和较低的沉积率。
图 31.6 离子束溅射源示意图，显示靶材和靶材的相对位置基质。
图 31.7 反应溅射设备的示意图。
反应溅射
氩气通常用作溅射沉积工艺中的工作气体。它是相对惰性的，是仅当被捕获或嵌入其表面时才结合在生长膜中。其他更具反应性的诸如水蒸气、氧气和氮气之类的气体通常存在于沉积室中水平污染物，已从基板、靶材和腔室壁排出。这些气体可以通过与衬底上的凝聚原子反应而结合到生长膜中表面，形成少量的氧化物、亚硝酸盐、碳化物和溅射材料的其他类似化合物。
在反应溅射中，有意将气体引入沉积室以完全与形成的薄膜反应。气体歧管系统（图 31.7）通常用于提供均匀的反应气体在基板上的分布，并尽可能地减少目标表面的反应气体。
反应溅射是一个非常非线性的过程。基板上的生长膜就像吸气剂将反应气体泵至形成化学计量化合物的压力。在这点，衬底的泵送速率显着降低，反应气体压力增加会议厅。这种气体可能与靶材表面发生反应，导致沉积速率降低由于化合物的溅射产量较低和其他因素。因此，大多数反应性沉积过程试图在目标的过渡区域附近工作，其中化学计量化合物在衬底上形成，阴极靶材是金属的。因此反应溅射允许在直流模式或射频模式下从简单的金属靶材形成化合物。这个过程被广泛用于沉积氧化物和亚硝酸盐，例如氧化硅、亚硝酸硅、氮化钛和氧化铟锡。
