電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰 撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。二 次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區域內，該區域內等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作 圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經過多次碰撞後電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束 縛，遠離靶材，最終沉積在基片上。

  磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。

  電 子的歸宿不僅僅是基片，真空室內壁及靶源陽極也是電子歸宿。但一般基片與真空室及陽極在同一電勢。磁場與電場的交互作用（E X B shift）使單個電子軌跡呈三維螺旋狀，而不是僅僅在靶面圓周運動。至於靶面圓周型的濺射輪廓，那是靶源磁場磁力線呈圓周形狀形狀。磁力線分佈方向不同 會對成膜有很大關係。

  在E X B shift機理下工作的不光磁控濺射，多弧鍍靶源，離子源，等離子源等都在次原理下工作。所不同的是電場方向，電壓電流大小而已。

9.3 濺射鍍膜

  用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進入氣相，這種濺出的、複雜的粒子散射過程稱為濺射。

  濺射鍍膜:在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進入氣相，然後在工件表面沉積的過程。

  在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶。

  由於離子易於在電磁場中加速或偏轉，所以荷能粒子一般為離子，這種濺射稱為離子濺射。用離子束轟擊靶而發生的濺射，則稱為離子束濺射。

9.3.1基本原理

圖9－6 濺射系統簡圖

  如圖9－6是濺射系統簡圖。其中，靶是一平板，由欲沉積的材料組成，一般將它與電源的負極相連。故此法又常稱為陰極濺射。

  固定裝置可以接地、懸空、偏置、加熱、冷卻或同時兼有上述幾種功能。真空室中需要充入氣體作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持，最常用的氣體是氬。

  當接通高壓電源時，陰極發出的電子在電場的作用下會向陽極運動,速度在電場中不斷增加，和氣體原子相撞會發生輝光放電,引起氣體原子電離,從而產生大量的離子與低速電子。離子在電場作用下加速撞擊靶,就會發生濺射產生待鍍材料原子沉積於基體上。

  陰極濺射時濺射下來的材料原子具有10～35ev的動能，比蒸鍍時原子動能（0.1～1.0ev）大得多，因此濺射鍍膜的附著力也比蒸鍍膜大。

  入 射一個離子所濺射出的原子個數稱為濺射率或濺射產額，單位通常為原子個數/離子。顯然，濺射率越大，生成膜的速度就越大。影響濺射率的因素主要有：①入射 離子：包括入射離子的能量、入射角、靶原子質量與入射離子質量之比、入射離子種類等；②與靶有關：包括靶原子的原子序數、靶表面原子的結合狀態、結晶取向 以及靶材是純金屬、合金或化合物等；③與溫度有關：一般認為濺射率在和昇華能密切相關的某一溫度內，濺射率幾乎不隨溫度變化而變化，當溫度超過這一範圍 時，濺射率有迅速增加的趨向。

  此外，根據物質的微觀理論，量子力學和原子物理學我們知道，當氣體正離子打到靶上時，除了濺射原子外，靶上還會有其他粒子發射,並產生輻射，所有這一切過程都會影響膜的性質。

9.3.2濺射鍍膜的方式

具體的濺射工藝很多，如二極濺射、三極（四極）濺射、磁控濺射、對向靶濺射、離子束濺射、射頻濺射、吸氣濺射、反應濺射等等。下面簡單介紹幾種。

1.二極濺射

  最簡單的直流二極濺射裝置如圖9－7所示。

圖9－7 二極濺射裝置

  它 是一對陰極和陽極組成的冷陰極輝光放電管結構。被濺射靶（陰極）和成膜的基片及其固定架（陽極）構成濺射裝置的兩個極。陰極上接1～3KV的直流負高壓， 陽極通常接地。工作時先抽真空，再通氬氣，使真空室內達到濺射氣壓。接通電源，陰極靶上的負高壓在兩極間產生輝光放電並建立起一個等離子區，其中帶正電的 氬離子在陰極附近的陰極電位降的作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質表面濺射，並以分子或原子狀態沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。

   這種裝置的最大優點使結構簡單，控制方便。缺點有：因工作壓力較高，膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍10微米以上的膜厚；由於大量二次電子直接轟擊基片，使基片溫升過高。

2.三極和四極濺射

  三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個電極，使放出熱電子強化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方埂。與二極濺射不同的是，可以在主閥全開的狀態下制取高純度的膜。

  四 極濺射又稱為等離子弧柱濺射，其原理如圖9-8所示。在原來二極濺射靶和基板垂直的位置上，針別放置一個發射熱電子的燈絲(熱陰極)和吸引熱電子的輔助陽 極，其間形成低電壓、大電流的等離子體弧柱。大量電子碰撞氣體電離，產生大量離子。這種濺射方法還是不能抑制由靶產生的高速電子對基片的轟擊，還存在因燈 絲具有不純物而使膜層沾污等問題。

圖9－8 四極濺射裝置

3.射頻濺射

  60年代利用射頻輝光放電，可以制取從導體到絕緣體任意材料的薄膜，因此在70年代得到普及。直流濺射是利用金屬、半導體靶制取薄膜的有效方法，但當靶是絕緣體時由於撞擊到靶上的離子會使靶帶電，靶的電位上升，結果離子不能繼續對靶進行轟擊。

  射頻是指無線電波發射範圍的頻率，為了避免干擾電台工作，濺射專用頻率規定為13.56MHz。在射頻電源交變電場作用下，氣體中的電子隨之發生振蕩，並使氣體電離為等離子體。

  射 頻濺射的兩個電極，既然是接在交變的射頻電源上，似乎就沒有陰極與陽極之分了。實際上射頻濺射裝置的兩個電極並不是對稱的。放置基片的電極與機殼相連，並 且接地，這個電極相對安裝靶材的電極而言，是一個大面積的電極。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。另一電極對於等離子處於負電位，是陰極，受到離 子轟擊，用於裝置靶材。

  其缺點是大功率的射頻電源不僅價高，對於人身防護也成問題。因此，射頻濺射不適於工業生產應用。

4.磁控濺射

  磁 控濺射是70年代迅速發展起來的新型濺射技術，目前已在工業生產中實際應用。這是由於磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個數量級。具有高速、低 溫、低損傷等優點。高速是指沉積速率快；低溫和低損傷是指基片的溫升低、對膜層的損傷小。1974年Chapin發明了適用於工業應用的平面磁控濺射靶， 對進人生產領域起了推動作用。

  磁控濺射特點是在陰極靶面上建立一個環狀磁靶(圖9-9)，以控制二次電子的運動，離子轟擊靶面所產生的二 次電子在陰極暗區被電場加速之後飛向陽極。實際上，任何濺射裝置都有附加磁場以延長電子飛向陽極的行程。其目的是讓電子盡可能多產生幾次碰撞電離，從而增 加等離子體密度，提高濺射效率。只不過磁控濺射所採用的環形磁場對二次電子的控制更加嚴密。

   磁控濺射所利用的環狀磁場迫使二次電子跳欄式 地沿著環狀磁場轉圈。相應地，環狀磁場控制的區域是等離子體密度最高的部位。在磁控濺射時，可以看見濺射氣體 ——氬氣在這部位發出強烈的淡藍色輝光，形成一個光環。處於光環下的靶材是被離子轟擊最嚴重的部位，會濺射出一條環狀的溝槽。環狀磁場是電子運動的軌道， 環狀的輝光和溝槽將其形象地表現了出來。

  能量較低的二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環運動，路程足夠長，每個電子使原子電離的機會 增加，而且只有在電子的能量耗盡以後才能脫離靶表面落在陽極(基片)上，這是基片溫升低、損傷小的主要原因。高密度等離子體被電磁場束縛在靶面附近，不與 基片接觸。這樣電離產生的正離子能十分有效地轟擊靶面，基片又免受等離子體的轟擊。電子與氣體原子的碰撞幾率高，因此氣體離化率大大增加。

  磁 控濺射靶大致可分為柱狀靶和平面靶兩大類。柱狀靶原理結構簡單，但其形狀限制了它的用途。在工業生產中多應用的是矩形平面靶，目前已有長度達4m的矩形靶 用於鍍制窗玻璃的隔熱膜，讓基片連續不斷地由矩形靶下方通過，不但能鍍制大面積的窗玻璃，還適於在成卷的聚酯帶上鍍制各種膜層。還有一種是濺射槍(S－ 槍)，它的結構較複雜，一般要配合行星式夾具使用，應用較少。

  磁控濺射靶的濺射溝槽一旦穿透靶材，就會導致整塊靶材報廢，所以靶材的利用率不高，一般低於40％，這是磁控濺射的主要缺點。

圖9－9 平面磁控濺射靶

5.反應濺射

  在陰極濺射中，真空槽中需要充入氣體作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持。最常用的氣體是氬氣。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發生反應的氣體（如O2，N2等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。

9.3.3陰極濺射的特點

  與真空蒸鍍法相比，陰極濺射有如下特點：

①結合力高；

②容易得到高熔點物質的膜；

③可以在較大面積上得到均一的薄膜；

④容易控制膜的組成；

⑤可以長時間地連續運轉；

⑥有良好的再現性；

⑦幾乎可製造一切物質的薄膜。

9.3.4濺射法的組分控制

  利用濺射法不僅可獲得純金屬膜，也可以獲得多組元膜。獲得多組元膜的有代表性的三種方法為：

<1>合金、化合物靶：用合金或復合氧化物製成的靶，在穩定放電狀態，可使各種組分都發生濺射，得到與靶的組成相差不大的膜。

<2>復合靶：由兩個以上的單金屬復合而成,可有各種形狀。

<3>多靶：採用兩個以上的靶並使基板進行旋轉，每一層約一個原子，經過交互沉積而得到化合物膜。

9.3.5濺射的用途

  濺射薄膜按其不同的功能和應用可大致分為饑械功能膜相物理功能膜兩大類。前者包括耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等表面強化薄膜材料、固體潤滑薄膜材料；後者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料等。

采 用Cr，Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,CH4等氣氛中進行反應濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍Cr,CrC,CrN等鍍層。純Cr的顯微硬度為 425～840HV，CrN為1000～350OHV，不僅硬度高且摩擦係數小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會使鋼發生氫脆、速率慢，而且會產生環境污染問 題。

  用TiN，TiC等超硬鍍層塗覆刀具、模具等表面，摩擦係數小，化學穩定性好，具有優良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐衝擊等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用壽命，一般可使刀具壽命提高3～10倍。

   TiN，TiC，Al2O3等膜層化學性能穩定，在許多介質中具有良好的耐蝕性，可以作為基體材料保護膜。濺射鍍膜法和液體急冷法都能制取非晶態合金，其成分幾乎相同，腐蝕特性和電化學特性也沒有什麼差別，只是濺射法得到的非晶態膜陽極電流和氧化速率略大。

   在 高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條件下工作的機械部件不能用潤滑油，只有用軟金屬或層狀物質等固體潤滑劑。常用的固體潤滑劑有軟金屬(Au,Ag, Pb,Sn等)，層狀物質(MoS2，WS2，石墨，CaF2，雲母等)，高分子材料(尼龍、聚四氟乙烯等)等。其中濺射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜 十分有效。雖然MoS2膜可用化學反應鍍膜法製作，但是濺射鍍膜法得到的MoS2膜緻密性好，附著性優良。MoS2濺射膜的摩擦係數很低，在 0.02～0.05範圍內。MoS2在實際應用時有兩個問題:一是對有些基體材料如Ag,Cu,Be等目前還不能塗覆；二是隨濕度增加，MoS2膜的附著 性變差。在大氣中使用要添加Sb2O3等防氧化劑，以便在MoS2表面形成一種保護膜。

  濺射法可以制取聚四氟乙烯膜。試驗表明，這種高分子材料薄膜的潤滑特性不受環境濕度的影響，可長期在大氣環境中使用，是一種很有發展前途的固體潤滑劑。其使用溫度上限為5OoC，低於-260oC時才失去潤滑性。

  MoS2、聚四氟乙烯等濺射膜，在長時間放置後性能變化不大，這對長時間備用、突然使用又要求可靠的設備如防震、報警、防火、保險裝置等是較為理想的固體潤滑劑。