在靶材受到离子轰击所溅射出的粒子中，正离子由于逆向电场的作用，不易到达基片上，其余粒子均会向基片迁移。溅射镀膜的气体压力约为 10~10^-1 Pa，粒子平均自由程约为1~10cm，因此，靶至基片的空间距离应与该值大致相等。否则，粒子在迁移过程中将发生多次碰撞，即降低靶材原子的能量又增加靶材的散射损失。

溅射沉积薄膜的生长过程与蒸发沉积成膜过程相似，大致可分成成核、岛状结构、网状结构、连续薄膜几个阶段。被溅射出来的粒子常以原子或分子形态到达基体表面，到达的原子吸附在基体表面，也有部分被再蒸发离开表面。吸附在表面上的原子通过迁移结合成原子对，再结合成原子团。原子团不断与原子结合增大到一定尺寸成稳定的临界晶核，此时约10个原子左右。临界晶核与到达表面原子再结合长大，通过迁移凝聚成小岛，小岛再互聚成大岛，形成岛状薄膜，岛约10^-7cm左右。继续沉积过程，大岛与大岛相互接触连通，形成网状结构，称为网状薄膜。后续原子继续沉积，在网格的洞孔中发生二次或三次成核，核长大与网状薄膜结合，或形成二次小岛，小岛长大再与网状薄膜结合，渐渐填满网格的洞孔，网状连接加厚，形成连续薄膜，此时薄膜厚度约几十纳米。

虽然靶材原子在向基片的迁移过程中，因碰撞（主要与工作气体分子）而降低其能量，但是，由于溅射出的靶材原子能量远远高于蒸发原子的能量，溅射粒子的能量比蒸发粒子的能量约高出1～2个数量级，这样溅射粒子比蒸发粒子有更大的迁移能力，所以溅射镀膜中沉积在基片上的靶材原子能量比较大，其值相当于蒸发原子能量的几十倍至一百倍，这样有利于在较低基片温度下生长致密的薄膜，另一方面高能量溅射粒子在基片上产生更多缺陷，因而增加了成核点，因此，溅射沉积比蒸发沉积的成核密度高。故溅射沉积在膜厚较小时就可连续成膜。实验证实，溅射还可在极低温度下实现外延生长。

影响薄膜生成的因素有：

❶ 溅射气体。溅射气体应具备溅射产额高，对靶材呈惰性，价格便宜，易于获得高纯度等特点。一般来说，氩气是较为理想的溅射气体。

❷ 溅射电压及基片电压。这两个参数对膜的特性有重要影响，溅射电压不但影响沉积速率，而且还严重影响沉积薄膜的结构。基片电位直接影响入射的电子流或离子流。若基片接地，则受到等同的电子轰击；若基片悬浮，则在辉光放电区取得相对于地的电位稍负的悬浮电位 V₁，而基片周围等离子体的电位 V₂ 要高于基片电位，这将引起一定程度的电子和正离子的轰击，导致膜厚、成分和其他特性的变化；若基片有目的地施加偏压，使其按电的极性接受电子或离子，不仅可以净化基片，增强膜的附着力，而且还可以改变膜的结构。在用射频溅射镀膜时，制备导体膜加直流偏压。制备介质膜加调谐偏压。

❸ 基片温度。基片温度对薄膜的内应力影响较大，这是由于温度直接影响沉积原子在基片上的活动能力，从而决定了薄膜的成分、结构、晶粒平均大小、晶面取向以及不完整性的数量、种类和分布。

❹ 靶材。靶材是溅射镀膜的关键，一般来说，只要有了合乎要求的靶材，并严格控制工艺参数就可得到所需要的膜层。靶材中的杂质和表面氧化物等不纯物质是引起薄膜污染的重要来源，所以为得到高纯度的膜层，除采用高纯靶材外，在每次溅射时应先对靶进行预溅射以清洗靶表面，去除靶表面的氧化层。

❺ 本底真空度。本底真空度的高低直接反映了系统中残余气体的多少，而残余气体也是膜层的重要污染源，故应尽可能的提高本底真空度。关于污染的另一问题是油扩散泵的返油，造成膜中碳的掺杂，对那些要求较严的膜应采取适当措施或采用无油的高真空抽气系统。

❻ 溅射工作气压。工作气压的高低直接影响膜的沉积速率。

另外由于不同的溅射装置中的电场、气氛、靶材、基片温度及几何结构参数间的相互影响，要制取合乎要求的膜，必须对工艺参数做实验，从中选出最佳工艺条件。

在前面已讨论过合金和化合物的溅射问题。由于金属元素的溅射产额不同，在溅射的开始阶段，靶表面的合金成分会发生变化，通过扩散迁移到一个新稳定的合金浓度分布，此稳定的表面层的组分与原靶整体合金组分有差异。若采用强冷却靶材来抑制扩散效应，可使溅射沉积的合金薄膜成分基本与靶材成分相同。

至于化合物的溅射，要看具体的情况，有的材料溅射沉积可以保持原来化学配比，有的无法维持原来化学配比，如 Ar 溅射 GaAs（砷化镓）时，溅射粒子中99％是 Ga 或 As 的中性原子，只有 1％是 GaAs 中性分子。沉积 GaAs 膜成分将发生变化。反应溅射沉积氧化物、氮化物、碳化物、硫化物等薄膜，需通入适量的O₂、N₂、碳烷气、H₂S等，以保证膜的化学计量，但有的即使通入100％的反应气体也不能获得完整化学计算的膜。

气体粒子与溅射原子的碰撞可使溅射原子失去动量和能量而热化，因而对薄膜的生长有影响。基片温度对沉积吸附原子的活动能力影响很大。溅射沉积的薄膜可以是单晶，微晶或多晶结构，也可以是完全无序非晶体结构，而且还可能处于“异常结构”（包括各种介稳结构和超晶格）。薄膜中微晶的晶格常数也往往不同于块状材料，这是薄膜材料的晶格与基片的失配引起较大的内应力和表面张力引起的。

物理气相沉积（PVD）薄膜的结构依赖于基片温度T与靶材熔点T_m之比（T／T_m）及沉积时单个粒子传递给基片的能量。对于溅射沉积薄膜结构有影响的主要参量是 T 和沉积室的工作气压 P_Ar。根据基片温度和溅射气压不同，Thornton 提出了无离子轰击的溅射沉积膜层的结构模型，将溅射薄膜的微观结构分为四个区域。见图1。它表示了基片温度 T 与 Ar 气工作压力对圆柱形和圆形磁控溅射靶所沉积的金属薄膜三维结构分布的影响。

图中 I 区位于低温、高气压区，它是在 T／T_m 值低时生成的。通常由圆顶的锥形晶粒组成，晶界上有孔洞，其晶体结构与基片和生长膜的表面粗糙度、沉积流的阴影效应和吸附原子的活动性很低等因素有关。此时溅射原子的扩散不足以克服阴影效应。当 T／T_m 值增加时，晶体直径长大，正在生长的表面凸处比凹处能接收到更多的溅射粒子，所以阴影效应促使晶体疏松。倾斜入射的粒子促进Ⅰ区结构生长。

Ⅱ 区定义为 T／T_m 温度增大的区域，薄膜的生长过程由沉积原子的表面扩散所支配。Ⅱ 区的特征是由扩散驱动的沉积原子逐渐生长，晶体由晶界特别明显致密的柱状晶组成，位错主要存在于晶界区。T／T_m 增大使晶粒也增大，当 T／T_m 足够高时，晶粒尺寸可以穿透膜层厚度，表面则呈现凹凸不平。

在 I 区和 Ⅱ 区之间有一过渡区，过渡区结构由致密的细纤维状晶粒组成，这种结构晶界致密，机械性能较好。在这样的 T／T_m 值温度下，当溅射粒子垂直入射到较光滑的基片上时，沉积原子的扩散迁移能力大到足以克服基片的粗糙度时，即可得到接近过渡区结构的薄膜。

▲ 图1 溅射薄膜的晶体结构

Ⅲ 区位于高温区，定义为体积扩散对薄膜的最终结构起主要影响的 T／T_m 范围，呈现等轴晶粒结构，是体扩散过程（如再结晶）的结果。对于纯金属，在 T／T_m 大于0.5就会生成等轴晶结构。出现再结晶的 T／T_m 值取决于储存的应变能，在 T／T_m 大约大于0.33时就会出现整块材料的再结晶。溅射薄膜通常沉积为柱状形貌，如果薄膜沉积过程中产生高晶格应变能的部位，则可能发生再结晶，使晶粒等轴化。

由上可知，决定薄膜结构的重要因素是沉积时的基片温度，它影响沉积粒子的吸附和解吸以及迁移。一般来说，基片温度越高，越容易发生原子吸附、迁移和重排，增强凝聚过程，提高结晶度。决定薄膜结构的另一个重要因素是沉积速率，沉积速率越高，凝聚小岛密度越高，越早出现连续膜。较低的沉积速率则有利于单晶外延。

基片加热，有助于制备择优取向薄膜。但基片温度过高，可能导致热损伤、大内应力和金属电极的热迁移。基片的表面状态会影响薄膜生长初期的成核和生长。所以保证基片表面洁净和平滑，有助于形成择优取向良好的膜。若在基片表面预先沉积一层取向良好的金属层，不仅取向更优异，而且易于形成微晶薄膜。基片温度不仅影响表面污染物的清除程度，而且直接关系到沉积原子在基片表面的迁移速度和反应速率，因而对膜结构的有序化程度有重要影响。随着基片温度的升高，薄膜结构的变化趋势是非晶、多晶，择优取向多晶和单晶。基片所接受原子流的方向和密度与基片的空间位置有关，因此基片位置对膜的沉积速率和择优取向均有影响。一般偏离轴心位置较远，容易得到择优取向膜，不过可能使膜厚度不均匀，沉积速率低。基片与靶面间的倾角也有影响，当倾角为60º时，反应溅射ZnO薄膜的取向好，厚度最均匀，电阻率和沉积速率也最大。

如图2所示，在溅射沉积过程中，基片表面和生长中的薄膜受到原子、电子、离子等各种粒子的轰击，它们对膜的结构和性质也有不同程度的影响，其具体影响如下：

（1）溅射气体中的Ar原子流到达基片表面（比溅射粒子流高得多）被吸附于膜中，提高基片温度，膜中Ar原子的吸入量下降。

（2）溅射原子的影响。溅射原子的能量高，容易在基片表面产生注入效应而形成缺陷，从而形成优先的成核点。

（3）杂质的影响。杂质气体掺入膜中，影响膜的性能，影响膜与基片的结合强度。杂质会成为新的成核中心。

（4）带电粒子的影响。快电子轰击基片导致温升，离子会引起反溅射。    

（5）荷能粒子的影响。能量足够大的溅射气体原子，轰击基片时，会渗入膜层或引起反溅射，使薄膜受损伤，产生缺陷改变膜的结构。

▲ 图2 溅射沉积时各种粒子轰击基体表面

沉积速率是表征成膜速度的参数，薄膜材料在基片上的沉积速率是指从阴极靶上逸出的材料，在单位时间内沉积到基片上的厚度。由于阴极靶的不均匀溅射和基片的运动方式决定了薄膜沉积的不均匀性，因此，一般以单位时间沉积的平均膜厚（膜层平均厚度除以沉积时间）来表征沉积速率。沉积速率 Q 与溅射场产额 η 和离子流 I_i 成正比，可用下式表示

Q＝C η I_i     (1)

式中 C－表征溅射装置特性的比例常数；I_i - 离子流；η - 溅射率。

η 和 I_i的大小取决于溅射气体的种类和压强，靶材种类，溅射时工作电压和电流，靶体和基片的温度以及溅射靶源与基片之间的距离等。

沉积速率的数值与溅射速率成正比，如果溅射粒子在输运过程没有损失并全部沉积到基片上成膜，则沉积速率等于溅射速率。我们必须关注溅射粒子在输运过程和达到基片时的行为，比如在溅射粒子飞行过程中发生碰撞及在基片发生的吸附、解吸、反溅射等现象，都将对沉积速率产生影响。

提高溅射沉积速率主要取决于靶的的正离子电流密度，其次取决于离子能量。实际上，磁控溅射的沉积速率与靶的功率密度成正比。影响沉积速率的因素按其重要性大致可排列为刻蚀区功率密度、刻蚀区面积、靶－基距离、靶材料和工作气体压力。提高靶的功率密度是提高沉积速率的有效途径。但如果溅射气体正离子轰击强度过大，靶的温度将升高，甚至可能导致靶开裂、升华和熔化。因此，溅射靶的力学性质和导热性能是限制提高沉积速率的重要因素。为了得到最大的沉积速率，应将基片尽可能靠近溅射源，但是必须保证稳定的异常辉光放电。通常，其最小间距为5~7cm。

溅射时，工作电压决定轰击离子的能量，从而影响溅射产额。在溅射沉积的能量范围内，其影响是缓和的。而工作电流与离子流成正比，因此，工作电流对沉积速率的影响比工作电压大得多，见图3。

▲ 图3 放电电流不同时，钽膜沉积速率和电压的关系曲线

式(1)表明，当溅射装置一定（即 C 为确定值），又选定了工作气体，此时，提高沉积速率的最好办法是提高离子流 I_i。但是，在不增加电压的条件下增加I_i 值就只有增高工作气体的压力。

图4给出了工作气体压力对平面磁控溅射沉积速率的影响，从图中可见，其相对沉积速率对应一个最佳气压值，在该工作压力下，相对沉积速率最大。而且这个现象是磁控溅射的共同规律。

▲ 图4 沉积速率与工作气体（氩气）压力的关系：圆形平面 Cr 靶，靶基距5cm，功率密度约 18 W/cm²

图5示出了 Ni 靶的溅射率（溅射产额）与气体总压力的关系曲线。在溅射工作气体压力不太高的情况下，沉积速率随气压增加而线性上升，当气体压力增高到一定值时，溅射率开始明显下降。其原因是靶材溅射粒子的背返射和散射增大，粒子因遭散射而回到靶上，导至溅射产额下降，致使沉积速率下降。实际上，在约10Pa的气压下，从阴极靶溅射出来的粒子只有10%能够穿过阴极暗区。所以，由溅射产额来考虑气压的最佳值是比较合适的。

▲ 图5 在150eV的Ar⁺轰击下，Ni 的溅射率与气体总压力的函数关系

应当注意的是，提高溅射气体分压，虽然能提高溅射速率，但容易造成薄膜中氩含量高，使薄膜性能下降，内应力增大，甚至发生膜龟裂或剥落，影响了薄膜质量的提高。

当溅射气体中有杂质气体存在时，会明显影响沉积速率。用 Ar 离子溅射 SiO₂ 时，Ar 气中含有 H₂、He 和 O₂ 等都会使沉积速率下降；当含有 CO₂ 和水蒸气时，因为它们在辉光放电时分解产生 O₂，有类似 O₂ 的作用。CO 会增加沉积速率，而 N₂ 基本无影响，氧的存在主要是在溅射过程中在靶面生成氧化膜从而降低溅射产额。

提高靶溅射的功率密度，也能提高沉积速率，但容易引起荷能粒子对膜的损伤、基片温度升高和晶粒取向不良。许多材料如 SiO₂ 等，在基片温度高时，沉积速率稍有下降，可能是到达的溅射原子较易解吸。但是在反应溅射沉积化合物时，基片的温度升高可能有利于反应进行，因此沉积速率随基片温度的上升而有所增加。最大靶功率密度是限制沉积速率的一个重要因素。在高于靶最大功率密度下工作时，靶材很容易发生开裂、升华或熔化现象。

靶—基距对沉积速率有很大影响，图6给出了S-枪靶的靶基距对沉积速率的影响。从图中可见，随着靶基距的增加，沉积速率呈双曲线状下降。沉积速率随靶—基距的增加而下降是由于靶材粒子在迁移过程中的散射效应引起的。为了提高薄膜的沉积速率，可在保证阴极靶稳定放电和统筹考虑保证膜层厚度均匀性的前提下，尽量减小靶—基距，一般靶基距的最小值为5~7cm。

▲ 图6 Ф150mmS-枪的沉积速率与靶基距的关系曲线

在磁控溅射系统中，特别是当其溅射合金膜和多元氧化物高温超导薄膜时，对膜厚度分布的控制极其重要。为了得到最佳的膜均匀性，必须找到溅射源和基片的最佳相对位置和角度。若通过实验方法完成这一工作很费时间，因此可尝试在各种几何分布下点和面溅射源的膜厚的理论预测，例如，可建立数学模型，用 MonteCarlo 模拟法和数值计算法（假设面源余弦发射）进行模拟计算。这些模拟计算方法还可进一步发展用于处理复杂的情况，如靶基偏心放置，平面基片转动的沉积。使基片处于运动状态主要是为了提高薄膜的均匀性和生产率，但基片的运动使沉积速率的定义复杂化。所沉积的表面溅射原子净流可分为直接流和扩散流等两部分，前者是具有高初速的溅射靶原子，即使经过与背景气体分子多次碰撞后仍沿原始方向移动。后者是经碰撞慢下来并改变了方向的溅射原子。在给定的气体分压下，直接流主要在靶附近，扩散流离靶较远。非平面基片上的膜层均匀性取决于两种流的相对比例。离开靶的初始直接流是直线的，溅射原子沿直线轨迹移动，可用直线模型描述。当溅射原子与工作气体原子进行碰撞，它们逐渐热化，即获得随机速度取向。经足够多次碰撞后，它们完全热化，其净移动可用扩散方程描述。直接流向扩散流的转变是逐渐的。所以在两种流的贡献数量级相同时，单独用直接流模型或扩散流模型都不适合解释实验的结果和预测趋势。在磁控圆平面靶溅射中，静止基片的膜厚为：

（3）

式中：A-径向距离；m-溅射体质量；h-轴向距离；R-源的半径；

ρ-源的质量密度。

在溅射成膜时, 由于一般情况下溅射速率较稳定, 所以膜层的厚度可根据溅射速率与时间来控制。对于不同的溅射设备, 设定不同的靶基距, 再辅以行星式基片旋转, 可以获得较均匀的薄膜。

通过磁控溅射靶的机理可知道, 靶内磁极的位置对膜厚的分布有很大影响，基片的摆放位置不当也容易造成膜厚不匀。

（2）  薄膜的纯度

为了提高沉积薄膜的纯度，必须尽量减少沉积到基片上杂质的量。杂质主要指的是真空室内的残余气体和溅射工作气体中存在的杂质气体。因为，通常有约百分之几的溅射气体分子注入到所沉积的薄膜中，特别是在基片加偏压时多是如此。若真空室容积为V，残余气体分压为 P_c 。氩气分压为 P_Ar，送入真空室的残余气体量为 Q_C，氩气量为 Q_Ar，则有

Q_C＝P_C V

Q_Ar＝P_Ar V

即  P_C＝P_ArQ_C / Q_Ar  

由上式可见，欲降低残余气体压力P_c，提高薄膜的纯度，可以提高本底真空度和增加氩气量及氩气纯度。一般来讲，溅射镀膜过程中，真空室内的本底真空度为10^-3~10^-4Pa。