中頻磁控濺射鍍膜技術

日期：2025-10-30 17:06

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摘要：磁控濺射包括很多種類，各有不同工作原理和應用對象。但有一共同點：利用磁場與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產生離子的概率。所產生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。在近幾十年的發展中，大家逐漸采用長久磁鐵，很少用線圈磁鐵。靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源鍍膜均勻，非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結合力強。平衡靶源多用于半導體光學膜，非平衡多用于磨損裝飾膜。不管平衡非平衡，若磁鐵靜止，其磁場特性決定一般靶材利用率小于30%。為增大靶材利用率，可采...

磁控濺射包括很多種類，各有不同工作原理和應用對象。但有一共同點：利用磁場與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產生離子的概率。所產生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材。在近幾十年的發展中，大家逐漸采用長久磁鐵，很少用線圈磁鐵。

靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源鍍膜均勻，非平衡式靶源鍍膜膜層和基體結合力強。平衡靶源多用于半導體光學膜，非平衡多用于磨損裝飾膜。

不管平衡非平衡，若磁鐵靜止，其磁場特性決定一般靶材利用率小于30%。為增大靶材利用率，可采用旋轉磁場。但旋轉磁場需要旋轉機構，同時濺射速率要減小。旋轉磁場多用于大型或貴重靶。如半導體膜濺射。對于小型設備和一般工業設備，多用磁場靜止靶源。

用磁控靶源濺射金屬和合金很容易，點火和濺射很方便。這是因為靶（陰極），等離子體，和被濺零件/真空腔體可形成回路。但若濺射絕緣體如陶瓷則回路斷了。于是人們采用高頻電源，回路中加入很強的電容。這樣在絕緣回路中靶材成了一個電容。但高頻磁控濺射電源昂貴，濺射速率很小，同時接地技術很復雜，因而難大規模采用。為解決此問題，發明了磁控反應濺射。就是用金屬靶，加入氬氣和反應氣體如氮氣或氧氣。當金屬靶材撞向零件時由于能量轉化，與反應氣體化合生成氮化物或氧化物。

磁控反應濺射絕緣體看似容易,而實際操作困難。主要問題是反應不光發生在零件表面，也發生在陽極，真空腔體表面，以及靶源表面。從而引起滅火，靶源和工件表面起弧等。孿生靶源技術，很好的解決了這個問題，其原理是一對靶源互相為陰陽極，從而消除陽極表面氧化或氮化。

冷卻是一切源（磁控，多弧，離子）所必需，因為能量很大一部分轉為熱量，若無冷卻或冷卻不足，這種熱量將使靶源溫度達一千度以上從而溶化整個靶源。

一臺磁控設備往往很昂貴，但大家容易將錢花在設備其它上如真空泵，MFC, 膜厚測量上而忽略靶源。再好的磁控濺射設備若無好靶源，就像畫龍而沒有點睛一樣。

采用中頻濺射的優點是可得到光滑致密。膜層硬度高。膜厚可線性成長。不中毒。溫升緩和,但設備的要求較高,工作壓強范圍很窄,各種控制要求快速精準。

多弧濺射在靶材上施小電壓大電流使材料離子化（帶正電顆粒），從而高速擊向基片(負電)并沉積，形成致密膜堅硬膜。主要用于耐磨耐蝕膜。其缺點是正負電撞造成膜層不均勻，空穴、燒蝕。

中頻濺射的原理跟一般的直流濺射是相同的,不同的是直流濺射把筒體當陽極,而中頻濺射是成對的,筒體是否參加必須視整體設計而定,與整個系統濺射過程中,陽極陰極的安排有關,參與的比率周期有很多方法,不同的方法可得到不相同的濺射產額,得到不相同的離子密度

中頻濺射主要技術在于電源的設計與應用,目前較成熟的是正弦波與脈沖方波二種方式輸出,各有其優缺點,首先應考慮膜層種類,分析哪種電源輸出方式適合哪種膜層,可以用電源特性來得到想要的膜層效果。

中頻濺射也是磁控濺射的一種,一般磁控濺射靶的設計,磁場的設計是各家技術的重點,國際幾個有名的濺射靶制造商,對靶磁場的設計相當專業,改變磁場設計能得到不相同的等離子體蒸發量。電子的路徑,等離子體的分布,所以濺射靶磁場是各家的技術機密。

關于陰極弧（也就是離子鍍），磁控濺射，以及坩堝蒸發都屬于PVD（物理氣相沉積），坩堝蒸發主要是相變，蒸發靶材只有幾個電子伏特的能量。所以膜附著力小，但沉積率高，多用于光學鍍膜。磁控濺射中氬離子沖擊靶材使靶材原子和分子碎片沉積在零件，靶材材料動能可達數百甚至上千電子伏特能量。是真正的中性的納米級鍍膜。陰極弧起弧后一方面靶面高溫將材料冶金融化，強大電場然后將融化材料幾乎完全離子化，在靶電源和零件偏壓綜合作用下成膜。看起來陰極弧鍍較先進，其實不然。首先靶面溶化過程很隨機不可控制，離子成團鍍到零件。鍍件均勻性和光滑性難以保證。通俗點講陰極弧鍍是真空下的焊接過程，陰極弧電源和焊接電源原理上很近似。陰極弧技術主要源于前蘇聯，在我國因種種原因較普及，電源簡單是很大一個因素。但技術不斷進步。近年過濾陰極弧技術發展較快，避免了成膜不均勻的缺點，但有所得必有所失，過濾使沉積率減小而設備成本增高。

國際上*近有一些趨勢值得注意，一是非平衡磁控濺射方法在大型鍍膜設備公司，特別是歐洲的公司有較快發展并開始大規模工業應用；另一個是美國的一些公司，在脈沖反應磁控濺射上有很大進展。其所鍍氧化和氮化膜沉積速率幾乎達到金屬速率。

中頻磁控濺射對靶和磁場的設計以及工作氣壓要求很高，中頻磁控濺射是直流磁控濺射沉積速率的2到3倍。中頻磁控濺射是兩個靶工作，制備化合物膜層，由于其離化率低很難找到一個*佳的中毒點，對工作氣體的流量控制要求很嚴格。若控制不好則很難制備均勻和結合力好的膜層。再就是磁場的設計主要是磁場分布的均勻性這樣既可以提高靶材的利用率，另外對于*佳中毒點工作時的穩定性也有很大提高磁控濺射的離子能量和繞射性都遠低于多弧靶面，與工件的距離是很重要的，太近離子對工件的轟擊可以損壞膜層，太遠則偏離了*佳濺射距離制備的膜層結合力很差

中頻的靶材用的對靶,有的用到三對。靶都是比較大，就中頻而言,現在用的多的都是鍍一些金屬的工件。這樣的真空爐一般都做的比較大,可以放下很多任務件,鍍出來的膜層也更加的致密。

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