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0510-88276101磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，光潤(rùn)帶您一起看一看
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濺射鍍膜是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材表面，通過(guò)粒子動(dòng)量傳遞打出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉淀在基體上形成薄膜的技術(shù)。濺射鍍膜技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)大面積快速沉積，薄膜與基體結(jié)合力好，濺射密度高，膜層可控性和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，而且任何物質(zhì)都可以進(jìn)行濺射，因而近年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用普遍。
濺射現(xiàn)象
用帶有幾十電子伏能量的粒子轟擊材料表面時(shí)，材料將被激發(fā)為氣態(tài)，利用這種現(xiàn)象可以對(duì)材料進(jìn)行表面的鍍膜、刻蝕、清洗和表面分析。由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子。當(dāng)離子轟擊靶材表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多效應(yīng)。除了靶材的原子和分子參與成膜之外，其它效應(yīng)對(duì)膜的生長(zhǎng)也產(chǎn)生很大的影響。
濺射機(jī)理
目前被大多數(shù)人所接受的濺射機(jī)理是Sigmund提出的線性級(jí)聯(lián)濺射機(jī)理 。
入射離子轟擊靶面時(shí)，將其部分能量傳輸給表層晶格原子，引起靶材中原子的運(yùn)動(dòng)。有的原子獲得能量后從晶格處移位，并克服了表面勢(shì)壘直接發(fā)生濺射；有的不能脫離晶格的束縛，只能在原位做振動(dòng)并波及周圍原子，結(jié)果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產(chǎn)生一次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續(xù)下去產(chǎn)生高次反沖，這一過(guò)程稱為級(jí)聯(lián)碰撞。級(jí)聯(lián)碰撞的結(jié)果是部分原子達(dá)到表面，克服勢(shì)壘逸出，這就形成了級(jí)聯(lián)濺射，這就是濺射機(jī)理。當(dāng)級(jí)聯(lián)碰撞范圍內(nèi)反沖原子密度不高時(shí)，動(dòng)態(tài)反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級(jí)聯(lián)碰撞。
濺射方法
濺射技術(shù)的成膜方法較多，典型方法有直流二極濺射、三極(或四極)濺射與磁控濺射等。
(一)二極濺射
二極濺射是較早采用，并且是目前較簡(jiǎn)單的基本濺射方法。
直流二極濺射裝置由陰、陽(yáng)極組成。用膜材(導(dǎo)體)制成的靶作為陰極，放置被鍍件的工件架作為陽(yáng)極(接地)，兩極間距一般為數(shù)厘米至十厘米左右。當(dāng)真空室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，兩極間產(chǎn)生異常輝光放電。等離子區(qū)中的Ar + 離子被加速而轟擊陰極靶，被濺射出的靶材原子在基體上沉積形成薄膜。
如采用射頻電源作為靶陰極電源，又可做成二極射頻濺射裝置，這種裝置可以濺射絕緣材料。
(二)三極濺射
二極濺射方法雖然簡(jiǎn)單，但放電不穩(wěn)定，而且沉積速率低。為了提高濺射速率以及改善膜層質(zhì)量，人們?cè)诙O濺射裝置的基礎(chǔ)上附加熱陰極，制作出三極濺射裝置。
三極濺射中，等離子體的密度可以通過(guò)改變電子發(fā)射電流和加速電壓來(lái)控制。離子對(duì)靶材的轟擊能量可以用靶電壓加以控制，從而解決了二極濺射中靶電壓、靶電流和氣壓之間相互制約的矛盾。
三極濺射的缺點(diǎn)在于放電不穩(wěn)定，等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻。為此，在三極濺射的基礎(chǔ)上又加了一個(gè)輔助的陽(yáng)極，這就形成了四極濺射。
(三)磁控濺射
磁控濺射又稱為高速低溫濺射。在磁場(chǎng)約束及增強(qiáng)下的等離子體中的工作氣體離子 ( 如 Ar + ) ，在靶陰極電場(chǎng)的加速下，轟擊陰極材料，使材料表面的原子或分子飛離靶面，穿越等離子體區(qū)以后在基片表面淀積、遷移然后形成薄膜。
與二極濺射相比較，磁控濺射的沉積速率高，基片升溫低，膜層質(zhì)量好，可重復(fù)性好，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。它的發(fā)展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。
磁控濺射源在結(jié)構(gòu)上必須具備兩個(gè)基本條件：
(1)建立與電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)；
(2)磁場(chǎng)方向與陰極表面平行，并組成環(huán)形磁場(chǎng)。
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在平面磁控靶結(jié)構(gòu)原理圖中可以看出，磁控濺射源實(shí)質(zhì)上是在二極濺射的陰極靶后面設(shè)置了磁鐵，磁鐵在靶面上產(chǎn)生水平分量的磁場(chǎng)。離子轟擊靶材時(shí)放出二次電子，這些電子的運(yùn)動(dòng)路徑很長(zhǎng)，被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)沿跑道轉(zhuǎn)圈，在該區(qū)中通過(guò)頻繁地碰撞電離出大量Ar + 用以轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高速濺射。電子經(jīng)數(shù)次碰撞后能量逐漸降低，逐步遠(yuǎn)離靶面，然后以很低的能量飛向陽(yáng)極基體，這使得基體的升溫也較低。由于增加了正交電磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛效應(yīng)，故其放電電壓(500～600V)和氣壓(10 -1 Pa)都遠(yuǎn)低于直流二極濺射。
反應(yīng)磁控濺射
以金屬、合金、低價(jià)金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過(guò)程中或在基片表面沉積成膜過(guò)程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜，這就是反應(yīng)磁控濺射 。反應(yīng)磁控濺射普遍應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn)，這是因?yàn)椋?/span>
(1)反應(yīng) 磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳?xì)浠衔锏?) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。
(2)通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的組成來(lái)調(diào)控薄膜特性。
(3) 反應(yīng)磁控濺射沉積過(guò)程中基板升溫較小，而且制膜過(guò)程中通常也不要求對(duì)基板進(jìn)行高溫加熱，因此對(duì)基板材料的限制較少。
(4) 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實(shí)現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬(wàn)平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。
但是，直流反應(yīng)濺射的反應(yīng)氣體會(huì)在靶表面非侵蝕區(qū)形成絕緣介質(zhì)層，造成電荷積累放電，導(dǎo)致沉積速率降低和不穩(wěn)定，進(jìn)而影響薄膜的均勻性及重復(fù)性，甚至損壞靶和基片。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展了一系列穩(wěn)定等離子體以控制沉積速率，提高薄膜均勻性和重復(fù)性的輔助技術(shù)。
(1) 采用雙靶中頻電源解決反應(yīng)磁控濺射過(guò)程中因陽(yáng)極被絕緣介質(zhì)膜覆蓋而造成的等離子體不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時(shí)還解決了電荷積累放電的問(wèn)題。
(2) 利用等離子發(fā)射譜監(jiān)測(cè)等離子體中的金屬粒子含量，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量使等離子體放電電壓穩(wěn)定，從而使沉積速率穩(wěn)定。
(3) 使用圓柱形旋轉(zhuǎn)靶減小絕緣介質(zhì)膜的覆蓋面積。
(4) 降低輸入功率，并使用能夠在放電時(shí)自動(dòng)切斷輸出功率的智能電源抑制電弧。
(5) 反應(yīng)過(guò)程與沉積過(guò)程分室進(jìn)行，既能有效提高薄膜沉積速率，又能使反應(yīng)氣體與薄膜表面充分反應(yīng)生成化合物薄膜。
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交流磁控濺射
和直流濺射相比交流磁控濺射采 用交流電源代替直流電源，解決了靶面的異常放電現(xiàn)象。
交流濺射時(shí)，靶對(duì)真空室壁不是 恒定的負(fù)電壓 , 而是周期一定的交流脈沖電壓 。設(shè)脈沖電壓的周期為 T， 在負(fù)脈沖 T —△ T 時(shí)間間隔內(nèi)，靶面處于放電狀態(tài)，這一階段和直流磁控濺射相似；靶面上的絕緣層不斷積累正電荷，絕緣層上的場(chǎng)強(qiáng)逐步增大；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增大至一定限度后靶電位驟降為零甚至反向，即靶電位處于正脈沖△ T 階段。在△ T 時(shí)間內(nèi)，放電等離子體中的負(fù)電荷─電子向靶面遷移并中和了絕緣層表面所帶的正電荷，使絕緣層內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)恢復(fù)為零，從而消除了靶面異常放電的可能性。
在靶面平均功率一定的前提下，負(fù)脈沖期間可以給靶施加更大的脈沖功率，因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強(qiáng)基片附近的等離子體密度。
交流濺射 ( 脈沖濺射 ) 的電壓波形可以是對(duì)稱的，也可以是不對(duì)稱的。通常將輸出電壓波形為不對(duì)稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈沖濺射 ( 常用于單靶濺射 ) ；而將輸出波形為對(duì)稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射 ( 常用于對(duì)靶濺射 ) 。當(dāng)交流濺射技術(shù)用于對(duì)靶濺射時(shí)，一個(gè)周期中每塊靶輪流充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，形成良好的“自清潔”效應(yīng)。在沉積多元合金或化合物薄膜時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)交變脈沖電壓的占空比來(lái)改變薄膜的組分。
非平衡磁控濺射
Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念，并給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)磁控濺射靶，其外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度與中部磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等或接近，稱為“平衡磁控濺射靶”；如果某一磁極的磁場(chǎng)相對(duì)于另一極性相反的部分增強(qiáng)或減弱，就形成了“非平衡磁控濺射靶”。
非平衡磁控濺射法通過(guò)附加磁場(chǎng)，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的范圍內(nèi)，使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來(lái)的粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面等離子體轟擊基片，起到離子輔助的作用，極大的改善了膜層質(zhì)量。非平衡磁控濺射除了具有較高的濺射速率外，能夠向鍍膜區(qū)輸出更多的離子，離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前，該技術(shù)被應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。
非平衡磁控濺射的磁場(chǎng)又分閉合場(chǎng)和非閉合場(chǎng)兩種。閉合的磁場(chǎng)能夠控制電子只在磁場(chǎng)內(nèi)沿磁力線移動(dòng)，避免了電子在真空室壁上的損失。
濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用
1. 制備薄膜磁頭的耐磨損氧化膜
硬盤磁頭進(jìn)行讀寫操作時(shí)與硬盤表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，為了減小摩擦力及提高磁頭壽命，目前磁頭正向薄膜化方向發(fā)展。
絕緣膜和保護(hù)膜(即AL 2 O 3 、SiO 2 氧化物薄膜)是薄膜磁頭主要構(gòu)成成份 。對(duì)薄膜磁頭的耐磨損膜的要求是耐沖擊性好，耐磨性好，有適當(dāng)?shù)目杉庸ば砸约凹庸ぷ冃涡?，通常采用反?yīng)濺射法制備該種薄膜。為了防止基片升溫過(guò)高，濺射鍍膜過(guò)程中要對(duì)基片進(jìn)行冷卻。
2. 制備硬質(zhì)薄膜
目前普遍使用的硬化膜是水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆，而且電鍍速度慢，造成環(huán)境污染。如果采用金屬Cr靶，在N 2 氣氛中進(jìn)行非平衡磁控濺射鍍膜，可以在工件上鍍覆Cr、CrN X 等鍍層 ，代替水溶液電鍍用于旋轉(zhuǎn)軸和其它運(yùn)動(dòng)部件。
3. 制備切削刀具和模具的超硬膜
采用普通化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備TiN、TiC等超硬鍍層，溫度要在1000 ℃ 左右，這已經(jīng)超過(guò)了高速鋼的回火溫度，對(duì)于硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)還可能使鍍層晶粒長(zhǎng)大。而采用對(duì)向靶濺射沉積單相TiN薄膜 ，濺射時(shí)間只需10～15min，基片溫度不超過(guò)150 ℃，得到的 TiN薄膜硬度可達(dá)HV3800。利用非平衡磁控濺射法制備的TiN鍍膜，通過(guò)膜層硬度和臨界載荷實(shí)驗(yàn)以及摩擦實(shí)驗(yàn)，表明膜層硬度已經(jīng)達(dá)到和超過(guò)其它離子鍍膜的效果。
4. 制備固體潤(rùn)滑膜
固體潤(rùn)滑膜如MoS 2 薄膜已成功應(yīng)用于真空工業(yè)設(shè)備、原子能設(shè)備以及航空航天領(lǐng)域，對(duì)于工作在高溫環(huán)境的機(jī)械設(shè)備也是畢不可少的。雖然MoS 2 可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制備，但濺射鍍膜發(fā)得到的MoS 2 薄膜致密性好，膜基附著力大，添加Au(5wt%)的MoS 2 膜，其致密性和附著性更好，摩擦系數(shù)更小。
5. 制備光學(xué)薄膜
濺射法是目前工業(yè)生成中制備光學(xué)薄膜的一種主要的工藝 。長(zhǎng)期以來(lái)，反應(yīng)磁控濺射技術(shù)主要用于工具表面鍍制 TiN 等超硬膜以及建筑玻璃、汽車玻璃、透明導(dǎo)電膜等單層或簡(jiǎn)單膜層。近年來(lái)，光通信，顯示技術(shù)等方面對(duì)光學(xué)薄膜的巨大需求，刺激了將該技術(shù)用于光學(xué)薄膜工業(yè)化 生產(chǎn)的研究。
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濺射現(xiàn)象
用帶有幾十電子伏能量的粒子轟擊材料表面時(shí)，材料將被激發(fā)為氣態(tài)，利用這種現(xiàn)象可以對(duì)材料進(jìn)行表面的鍍膜、刻蝕、清洗和表面分析。由于離子易于在電磁場(chǎng)中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子。當(dāng)離子轟擊靶材表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多效應(yīng)。除了靶材的原子和分子參與成膜之外，其它效應(yīng)對(duì)膜的生長(zhǎng)也產(chǎn)生很大的影響。
濺射機(jī)理
目前被大多數(shù)人所接受的濺射機(jī)理是Sigmund提出的線性級(jí)聯(lián)濺射機(jī)理 。
入射離子轟擊靶面時(shí)，將其部分能量傳輸給表層晶格原子，引起靶材中原子的運(yùn)動(dòng)。有的原子獲得能量后從晶格處移位，并克服了表面勢(shì)壘直接發(fā)生濺射；有的不能脫離晶格的束縛，只能在原位做振動(dòng)并波及周圍原子，結(jié)果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后產(chǎn)生一次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續(xù)下去產(chǎn)生高次反沖，這一過(guò)程稱為級(jí)聯(lián)碰撞。級(jí)聯(lián)碰撞的結(jié)果是部分原子達(dá)到表面，克服勢(shì)壘逸出，這就形成了級(jí)聯(lián)濺射，這就是濺射機(jī)理。當(dāng)級(jí)聯(lián)碰撞范圍內(nèi)反沖原子密度不高時(shí)，動(dòng)態(tài)反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級(jí)聯(lián)碰撞。
濺射方法
濺射技術(shù)的成膜方法較多，典型方法有直流二極濺射、三極(或四極)濺射與磁控濺射等。
(一)二極濺射
二極濺射是較早采用，并且是目前較簡(jiǎn)單的基本濺射方法。
直流二極濺射裝置由陰、陽(yáng)極組成。用膜材(導(dǎo)體)制成的靶作為陰極，放置被鍍件的工件架作為陽(yáng)極(接地)，兩極間距一般為數(shù)厘米至十厘米左右。當(dāng)真空室內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，兩極間產(chǎn)生異常輝光放電。等離子區(qū)中的Ar + 離子被加速而轟擊陰極靶，被濺射出的靶材原子在基體上沉積形成薄膜。
如采用射頻電源作為靶陰極電源，又可做成二極射頻濺射裝置，這種裝置可以濺射絕緣材料。
(二)三極濺射
二極濺射方法雖然簡(jiǎn)單，但放電不穩(wěn)定，而且沉積速率低。為了提高濺射速率以及改善膜層質(zhì)量，人們?cè)诙O濺射裝置的基礎(chǔ)上附加熱陰極，制作出三極濺射裝置。
三極濺射中，等離子體的密度可以通過(guò)改變電子發(fā)射電流和加速電壓來(lái)控制。離子對(duì)靶材的轟擊能量可以用靶電壓加以控制，從而解決了二極濺射中靶電壓、靶電流和氣壓之間相互制約的矛盾。
三極濺射的缺點(diǎn)在于放電不穩(wěn)定，等離子體密度不均勻引起的膜厚不均勻。為此，在三極濺射的基礎(chǔ)上又加了一個(gè)輔助的陽(yáng)極，這就形成了四極濺射。
(三)磁控濺射
磁控濺射又稱為高速低溫濺射。在磁場(chǎng)約束及增強(qiáng)下的等離子體中的工作氣體離子 ( 如 Ar + ) ，在靶陰極電場(chǎng)的加速下，轟擊陰極材料，使材料表面的原子或分子飛離靶面，穿越等離子體區(qū)以后在基片表面淀積、遷移然后形成薄膜。
與二極濺射相比較，磁控濺射的沉積速率高，基片升溫低，膜層質(zhì)量好，可重復(fù)性好，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。它的發(fā)展引起了薄膜制備工藝的巨大變革。
磁控濺射源在結(jié)構(gòu)上必須具備兩個(gè)基本條件：
(1)建立與電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)；
(2)磁場(chǎng)方向與陰極表面平行，并組成環(huán)形磁場(chǎng)。
在平面磁控靶結(jié)構(gòu)原理圖中可以看出，磁控濺射源實(shí)質(zhì)上是在二極濺射的陰極靶后面設(shè)置了磁鐵，磁鐵在靶面上產(chǎn)生水平分量的磁場(chǎng)。離子轟擊靶材時(shí)放出二次電子，這些電子的運(yùn)動(dòng)路徑很長(zhǎng)，被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)沿跑道轉(zhuǎn)圈，在該區(qū)中通過(guò)頻繁地碰撞電離出大量Ar + 用以轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高速濺射。電子經(jīng)數(shù)次碰撞后能量逐漸降低，逐步遠(yuǎn)離靶面，然后以很低的能量飛向陽(yáng)極基體，這使得基體的升溫也較低。由于增加了正交電磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛效應(yīng)，故其放電電壓(500～600V)和氣壓(10 -1 Pa)都遠(yuǎn)低于直流二極濺射。
反應(yīng)磁控濺射
以金屬、合金、低價(jià)金屬化合物或半導(dǎo)體材料作為靶陰極，在濺射過(guò)程中或在基片表面沉積成膜過(guò)程中與氣體粒子反應(yīng)生成化合物薄膜，這就是反應(yīng)磁控濺射 。反應(yīng)磁控濺射普遍應(yīng)用于化合物薄膜的大批量生產(chǎn)，這是因?yàn)椋?/span>
(1)反應(yīng) 磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應(yīng)氣體 ( 氧、氮、碳?xì)浠衔锏?) 純度很高，因而有利于制備高純度的化合物薄膜。
(2)通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)磁控濺射中的工藝參數(shù) , 可以制備化學(xué)配比或非化學(xué)配比的化合物薄膜，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的組成來(lái)調(diào)控薄膜特性。
(3) 反應(yīng)磁控濺射沉積過(guò)程中基板升溫較小，而且制膜過(guò)程中通常也不要求對(duì)基板進(jìn)行高溫加熱，因此對(duì)基板材料的限制較少。
(4) 反應(yīng)磁控濺射適于制備大面積均勻薄膜，并能實(shí)現(xiàn)單機(jī)年產(chǎn)上百萬(wàn)平方米鍍膜的工業(yè)化生產(chǎn)。
但是，直流反應(yīng)濺射的反應(yīng)氣體會(huì)在靶表面非侵蝕區(qū)形成絕緣介質(zhì)層，造成電荷積累放電，導(dǎo)致沉積速率降低和不穩(wěn)定，進(jìn)而影響薄膜的均勻性及重復(fù)性，甚至損壞靶和基片。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展了一系列穩(wěn)定等離子體以控制沉積速率，提高薄膜均勻性和重復(fù)性的輔助技術(shù)。
(1) 采用雙靶中頻電源解決反應(yīng)磁控濺射過(guò)程中因陽(yáng)極被絕緣介質(zhì)膜覆蓋而造成的等離子體不穩(wěn)定現(xiàn)象，同時(shí)還解決了電荷積累放電的問(wèn)題。
(2) 利用等離子發(fā)射譜監(jiān)測(cè)等離子體中的金屬粒子含量，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量使等離子體放電電壓穩(wěn)定，從而使沉積速率穩(wěn)定。
(3) 使用圓柱形旋轉(zhuǎn)靶減小絕緣介質(zhì)膜的覆蓋面積。
(4) 降低輸入功率，并使用能夠在放電時(shí)自動(dòng)切斷輸出功率的智能電源抑制電弧。
(5) 反應(yīng)過(guò)程與沉積過(guò)程分室進(jìn)行，既能有效提高薄膜沉積速率，又能使反應(yīng)氣體與薄膜表面充分反應(yīng)生成化合物薄膜。
交流磁控濺射
和直流濺射相比交流磁控濺射采 用交流電源代替直流電源，解決了靶面的異常放電現(xiàn)象。
交流濺射時(shí)，靶對(duì)真空室壁不是 恒定的負(fù)電壓 , 而是周期一定的交流脈沖電壓 。設(shè)脈沖電壓的周期為 T， 在負(fù)脈沖 T —△ T 時(shí)間間隔內(nèi)，靶面處于放電狀態(tài)，這一階段和直流磁控濺射相似；靶面上的絕緣層不斷積累正電荷，絕緣層上的場(chǎng)強(qiáng)逐步增大；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增大至一定限度后靶電位驟降為零甚至反向，即靶電位處于正脈沖△ T 階段。在△ T 時(shí)間內(nèi)，放電等離子體中的負(fù)電荷─電子向靶面遷移并中和了絕緣層表面所帶的正電荷，使絕緣層內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)恢復(fù)為零，從而消除了靶面異常放電的可能性。
在靶面平均功率一定的前提下，負(fù)脈沖期間可以給靶施加更大的脈沖功率，因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強(qiáng)基片附近的等離子體密度。
交流濺射 ( 脈沖濺射 ) 的電壓波形可以是對(duì)稱的，也可以是不對(duì)稱的。通常將輸出電壓波形為不對(duì)稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈沖濺射 ( 常用于單靶濺射 ) ；而將輸出波形為對(duì)稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射 ( 常用于對(duì)靶濺射 ) 。當(dāng)交流濺射技術(shù)用于對(duì)靶濺射時(shí)，一個(gè)周期中每塊靶輪流充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，形成良好的“自清潔”效應(yīng)。在沉積多元合金或化合物薄膜時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)交變脈沖電壓的占空比來(lái)改變薄膜的組分。
非平衡磁控濺射
Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念，并給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)磁控濺射靶，其外環(huán)磁場(chǎng)強(qiáng)度與中部磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等或接近，稱為“平衡磁控濺射靶”；如果某一磁極的磁場(chǎng)相對(duì)于另一極性相反的部分增強(qiáng)或減弱，就形成了“非平衡磁控濺射靶”。
非平衡磁控濺射法通過(guò)附加磁場(chǎng)，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的范圍內(nèi)，使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來(lái)的粒子沉積在基片表面形成薄膜，另一方面等離子體轟擊基片，起到離子輔助的作用，極大的改善了膜層質(zhì)量。非平衡磁控濺射除了具有較高的濺射速率外，能夠向鍍膜區(qū)輸出更多的離子，離子濃度正比于濺射靶的放電電流。目前，該技術(shù)被應(yīng)用于制備各種硬質(zhì)薄膜。
非平衡磁控濺射的磁場(chǎng)又分閉合場(chǎng)和非閉合場(chǎng)兩種。閉合的磁場(chǎng)能夠控制電子只在磁場(chǎng)內(nèi)沿磁力線移動(dòng)，避免了電子在真空室壁上的損失。
濺射鍍膜技術(shù)的應(yīng)用
1. 制備薄膜磁頭的耐磨損氧化膜
硬盤磁頭進(jìn)行讀寫操作時(shí)與硬盤表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，為了減小摩擦力及提高磁頭壽命，目前磁頭正向薄膜化方向發(fā)展。
絕緣膜和保護(hù)膜(即AL 2 O 3 、SiO 2 氧化物薄膜)是薄膜磁頭主要構(gòu)成成份 。對(duì)薄膜磁頭的耐磨損膜的要求是耐沖擊性好，耐磨性好，有適當(dāng)?shù)目杉庸ば砸约凹庸ぷ冃涡?，通常采用反?yīng)濺射法制備該種薄膜。為了防止基片升溫過(guò)高，濺射鍍膜過(guò)程中要對(duì)基片進(jìn)行冷卻。
2. 制備硬質(zhì)薄膜
目前普遍使用的硬化膜是水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆，而且電鍍速度慢，造成環(huán)境污染。如果采用金屬Cr靶，在N 2 氣氛中進(jìn)行非平衡磁控濺射鍍膜，可以在工件上鍍覆Cr、CrN X 等鍍層 ，代替水溶液電鍍用于旋轉(zhuǎn)軸和其它運(yùn)動(dòng)部件。
3. 制備切削刀具和模具的超硬膜
采用普通化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備TiN、TiC等超硬鍍層，溫度要在1000 ℃ 左右，這已經(jīng)超過(guò)了高速鋼的回火溫度，對(duì)于硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)還可能使鍍層晶粒長(zhǎng)大。而采用對(duì)向靶濺射沉積單相TiN薄膜 ，濺射時(shí)間只需10～15min，基片溫度不超過(guò)150 ℃，得到的 TiN薄膜硬度可達(dá)HV3800。利用非平衡磁控濺射法制備的TiN鍍膜，通過(guò)膜層硬度和臨界載荷實(shí)驗(yàn)以及摩擦實(shí)驗(yàn)，表明膜層硬度已經(jīng)達(dá)到和超過(guò)其它離子鍍膜的效果。
4. 制備固體潤(rùn)滑膜
固體潤(rùn)滑膜如MoS 2 薄膜已成功應(yīng)用于真空工業(yè)設(shè)備、原子能設(shè)備以及航空航天領(lǐng)域，對(duì)于工作在高溫環(huán)境的機(jī)械設(shè)備也是畢不可少的。雖然MoS 2 可用化學(xué)反應(yīng)鍍膜法制備，但濺射鍍膜發(fā)得到的MoS 2 薄膜致密性好，膜基附著力大，添加Au(5wt%)的MoS 2 膜，其致密性和附著性更好，摩擦系數(shù)更小。
5. 制備光學(xué)薄膜
濺射法是目前工業(yè)生成中制備光學(xué)薄膜的一種主要的工藝 。長(zhǎng)期以來(lái)，反應(yīng)磁控濺射技術(shù)主要用于工具表面鍍制 TiN 等超硬膜以及建筑玻璃、汽車玻璃、透明導(dǎo)電膜等單層或簡(jiǎn)單膜層。近年來(lái)，光通信，顯示技術(shù)等方面對(duì)光學(xué)薄膜的巨大需求，刺激了將該技術(shù)用于光學(xué)薄膜工業(yè)化 生產(chǎn)的研究。
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