磁控濺射法

最常用的製備CoPt 磁性薄膜的方法是磁控濺射法。氬離子被陰極加速並轟擊陰極靶表面，將靶材表面原子濺射出來沉積在基底表面上形成薄膜。通過更換不同材質的靶和控制不同的濺射時間，便可以獲得不同材質和不同厚度的薄膜。磁控濺射法具有鍍膜層與基材的結合力強、鍍膜層緻密、均勻等優點。

以金屬、合金、低價金屬化合物或半導體材料作為靶陰極，在濺射過程中或在基片表面沉積成膜過程中與氣體粒子反應生成化合物薄膜，這就是反應磁控濺射。反應磁控濺射廣泛應用於化合物薄膜的大批量生產，這是因為：

(1)反應磁控濺射所用的靶材料 ( 單元素靶或多元素靶 ) 和反應氣體 ( 氧、氮、碳氫化合物等 ) 純度很高，因而有利於製備高純度的化合物薄膜。

(2)通過調節反應磁控濺射中的工藝參數 , 可以製備化學配比或非化學配比的化合物薄膜，通過調節薄膜的組成來調控薄膜特性。

(3) 反應磁控濺射沉積過程中基板升温較小，而且制膜過程中通常也不要求對基板進行高温加熱，因此對基板材料的限制較少。

(4) 反應磁控濺射適於製備大面積均勻薄膜，並能實現單機年產上百萬平方米鍍膜的工業化生產。

但是，直流反應濺射的反應氣體會在靶表面非侵蝕區形成絕緣介質層，造成電荷積累放電，導致沉積速率降低和不穩定，進而影響薄膜的均勻性及重複性，甚至損壞靶和基片。為了解決這一問題，近年來發展了一系列穩定等離子體以控制沉積速率，提高薄膜均勻性和重複性的輔助技術。

(1) 採用雙靶中頻電源解決反應磁控濺射過程中因陽極被絕緣介質膜覆蓋而造成的等離子體不穩定現象，同時還解決了電荷積累放電的問題。

(2) 利用等離子發射譜監測等離子體中的金屬粒子含量，調節反應氣體流量使等離子體放電電壓穩定，從而使沉積速率穩定。

(3) 使用圓柱形旋轉靶減小絕緣介質膜的覆蓋面積。

(4) 降低輸入功率，並使用能夠在放電時自動切斷輸出功率的智能電源抑制電弧。

(5) 反應過程與沉積過程分室進行，既能有效提高薄膜沉積速率，又能使反應氣體與薄膜表面充分反應生成化合物薄膜。

和直流濺射相比交流磁控濺射採 用交流電源代替直流電源，解決了靶面的異常放電現象。交流濺射時，靶對真空室壁不是 恆定的負電壓 , 而是週期一定的交流脈衝電壓。設脈衝電壓的週期為 T， 在負脈衝 T —△ T 時間間隔內，靶面處於放電狀態，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，絕緣層上的場強逐步增大；當場強增大至一定限度後靶電位驟降為零甚至反向，即靶電位處於正脈衝△ T 階段。在△ T 時間內，放電等離子體中的負電荷─電子向靶面遷移並中和了絕緣層表面所帶的正電荷，使絕緣層內場強恢復為零，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，負脈衝期間可以給靶施加更大的脈衝功率，因此交流濺射還可以在不改變靶的冷卻條件下增強基片附近的等離子體密度。交流濺射 ( 脈衝濺射 ) 的電壓波形可以是對稱的，也可以是不對稱的。通常將輸出電壓波形為不對稱的矩形波的交流濺射方式稱為脈衝濺射 ( 常用於單靶濺射 ) ；而將輸出波形為對稱方波或正弦波的濺射方式稱為交流濺射 ( 常用於對靶濺射 ) 。當交流濺射技術用於對靶濺射時，一個週期中每塊靶輪流充當陰極和陽極，形成良好的“自清潔”效應。在沉積多元合金或化合物薄膜時，還可以通過調節交變脈衝電壓的佔空比來改變薄膜的組分。

Window等人在1985年首先引入了非平衡磁控濺射的概念，並給出了非平衡磁控濺射平面靶的原理性設計。對於一個磁控濺射靶，其外環磁場強度與中部磁極的磁場強度相等或接近，稱為“平衡磁控濺射靶”；如果某一磁極的磁場相對於另一極性相反的部分增強或減弱，就形成了“非平衡磁控濺射靶”。

非平衡磁控濺射法通過附加磁場，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200mm到300mm的範圍內，使基片沉浸在等離子體中。這樣一方面濺射出來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，能夠向鍍膜區輸出更多的離子，離子濃度正比於濺射靶的放電電流。該技術被廣泛應用於製備各種硬質薄膜。 ^[1]