中國(guó)電鍍網(wǎng)訊：上一章節(jié)我們介紹了真空鍍中的蒸鍍技術(shù)，在這一章我們將介紹濺射鍍膜技術(shù)。

利用輝光放龜或離子源產(chǎn)生的包括正離子在內(nèi)的載能粒子轟擊靶(薄膜)材料時(shí)，通過粒子動(dòng)量傳遞打出靶材中的原子及其他粒子，即為濺射過程，這些原子及其他粒子沉積凝聚在基片表面形成薄膜，稱為濺射鍍膜。

20世紀(jì)50年代有人利用濺射現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中制成薄膜。20世紀(jì)60年代制成集成電路的Ta膜，開始了它在工業(yè)上的應(yīng)用。1965年)IBM公司研究出射頻濺射法，使絕緣體的濺射鍍膜成為可能。以后又發(fā)展了很多新的濺射方法，研制出多種濺射鍍膜裝置如二極濺射、三極濺射、四極濺射、磁控濺射、離子束濺射、反應(yīng)濺射、偏壓濺射、射頻濺射等方法。

濺射鍍膜與真空蒸發(fā)鍍膜相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)大面積沉積，可進(jìn)行大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn);任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素及化合物;濺射鍍膜組織致密，無氣孔，與基材的附著性好。但也存在濺射設(shè)備復(fù)雜、需要真空系統(tǒng)及高壓裝置、濺射沉積速度慢等不足。

一、濺射鍍膜方法

(一)直流二極濺射

二極濺射是最早采用的一種濺射方法。它是以鍍膜材料為陰極，而被鍍膜材料為陽(yáng)極。陰極上接1-3KV 的直流負(fù)高壓，陽(yáng)極通常接地。工作時(shí)先抽真空，再通氬氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓在兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，其中帶正電的氬離子在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成靶材料的薄膜。

這種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。缺點(diǎn)有：因工作壓力較高膜層有玷污;沉積速率低，不能鍍10um以上的厚膜;由于大量二次電子直接轟擊基片使基片溫升過高。

(二)三極濺射

三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極———熱陰極，發(fā)射熱電子，熱電子在電場(chǎng)吸引下穿過靶與基極間的等離子體區(qū)，使熱電子強(qiáng)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便。電流密度提高到1-3mA/cm2，靶電壓降至1-2kv。熱陰極0-50v負(fù)偏壓。這樣，濺射速率提高，由于沉積真空度提高，鍍層質(zhì)量得到改善。

(三)四極濺射

在三極濺射的基礎(chǔ)上在鍍膜室外附加一個(gè)聚束線圈，也稱為輔助陽(yáng)極或穩(wěn)定電極。聚束線圈的作用是將電子匯聚在靶陰極和基片陽(yáng)極之間，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(chǎn)生大量離子。電子做螺旋運(yùn)動(dòng)，增加電子到達(dá)電子收集極的路程，因此增加了碰撞電離的概率，電流密度達(dá)2-5mA/cm2。另外，聚束線圈還有使放電穩(wěn)定的作用。

這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基片的轟擊，還存在因燈絲具有不純物而使膜層玷污等問題。

(四)射頻濺射

20世紀(jì)60年代利用射頻輝光放電，可以制取從導(dǎo)體到絕緣體的任意材料的薄膜，是一種應(yīng)用很廣的濺射方法。射頻是指無線電波發(fā)射范圍的頻率。射頻濺射是在靶陰極上接上高頻電源，為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。在高頻脈沖作用下，使電子做更長(zhǎng)距

離的運(yùn)動(dòng)，與氣體原子形成更多次數(shù)的碰撞。這樣，可使該氣體得到更加充分的電離，從而提高濺射效果。在射頻電源交變電場(chǎng)作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。射頻濺射的缺點(diǎn)是大功率的射頻電源不僅價(jià)高，對(duì)于人身防護(hù)也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

(五)磁控濺射

磁控濺射是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的新型濺射技術(shù)，其特點(diǎn)是在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在電磁場(chǎng)作用下，被壓縮在近靶面做回旋運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了到達(dá)陽(yáng)極的路程，大大提高了與氣體原子的碰撞概率，因而提高濺射率。磁控濺射目前已在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用，這是由于磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，具有沉積速率高、基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小等優(yōu)點(diǎn)。1974年Chapin 發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對(duì)進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起了推動(dòng)作用。

(六)反應(yīng)濺射

在濺射法中，如果把靶做成化合物來制作化合物薄膜，那么，所制作薄膜的成分一般與靶化合物的成分偏差較大。這時(shí)，主動(dòng)地把活性氣體混合在放電氣體中，就可以控制所制成薄膜的組成和性質(zhì)，這種方法就叫做反應(yīng)濺射法。它主要用于絕緣化合物薄膜的制作，可以采用兩極直流和射頻這兩種濺射法。其實(shí)際裝置除為了混合氣體需設(shè)置兩個(gè)氣體引入口以及將基片加熱到500C以外，與兩極濺射和射頻濺射無多大差別。濺射是物理氣相沉積技術(shù)中最容易控制合金成分的方法。鍍制合金膜可以采用多靶共濺射方式，只要控制各個(gè)靶的濺射參數(shù)，就能得到一定成分的合金膜。鍍制合金膜還可直接采用合金靶進(jìn)行濺射，而不必采用任何控制措施，就可得到與靶材成分完全一致的合金膜。雖然合金的各種成分具有顯著不同的濺射系數(shù)，但在濺射過程中，經(jīng)過一段時(shí)間濺射速率最高的成分優(yōu)先濺射后，靶材表面將富于其他成分，直到達(dá)到穩(wěn)定的表面成分為止。最后得到的薄膜成分將與靶材相同。

二、膜層鍍制

(一)合金膜的鍍制

在物理氣相沉積的各類技術(shù)中，濺射是最容易控制合金成分的方法。鍍制合金膜可以采用多靶共濺射方式，只要控制各個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，就能得到一定成分的合金膜。如果直接采用合金靶進(jìn)行濺射，則不必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分完全一致的合金膜。雖然合金的各種成分具有顯著不同的濺射系數(shù)，但在濺射過程中，經(jīng)過一段時(shí)間濺射速率最高的成分優(yōu)先濺射后，靶材表面將富于其他成分，直到達(dá)到穩(wěn)定的表面成分為止。最后得到的薄膜成分將與靶材相同。

(二)化合物膜的鍍制

化合物膜是指金屬元素與氧、氮、硅、碳、硼、硫等非金屬的化合物所構(gòu)成的膜層。鍍制化合物膜有化合物靶濺射和反應(yīng)濺射兩種方法。如果化合物是導(dǎo)電材料，就可采用化合物靶進(jìn)行直接濺射。大規(guī)模鍍制化合物膜最宜采用反應(yīng)濺射。例如鍍TiN時(shí)，靶材為金屬鈦，濺射氣體為Ar+N2的混合氣體。鍍氧化物時(shí)用O2，碳化物用C2H2乙炔)，硅化物用SiH4 硅烷)，硫化物用H2S。

三、濺射的用途

濺射薄膜按其不同的功能和應(yīng)用可大致分為機(jī)械功能膜和物理功能膜兩大類。前者包括耐磨、減摩、耐熱、抗蝕等表面強(qiáng)化薄膜材料、固體潤(rùn)滑薄膜材料;后者包括電、磁、聲、光等功能薄膜材料。采用Cr,Cr-CrN等合金靶或鑲嵌靶，在N2,CH4等氣氛中進(jìn)行反應(yīng)濺射鍍膜，可以在各種工件上鍍Cr,CrN,CrC 等鍍層。純Cr的顯微硬度為425-840HV,CrN為1000-3500Hv，不僅硬度高且摩擦系數(shù)小，可代替水溶液電鍍鉻。電鍍會(huì)使鋼發(fā)生氫脆、速率慢，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題。用TiN，TiC等超硬鍍層涂覆刀具、模具等表面，摩擦系數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的耐熱、耐磨、抗氧化、耐沖擊等性能，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。在高溫、低溫、超高真空、射線輻照等特殊條件下工作的機(jī)械部件不能用潤(rùn)滑油，只有用軟金屬或?qū)訝钗镔|(zhì)等固體潤(rùn)滑劑。其中濺射法制取MO2S+ , 膜及聚四氟乙烯膜十分有效。該法得到的MO2S, 膜致密性好，附著性優(yōu)良，摩擦系數(shù)在0.02-0.05 范圍內(nèi)。

濺射法制取的聚四氟乙烯膜的潤(rùn)滑特性不受環(huán)境濕度的影響，可長(zhǎng)期在大氣環(huán)境中使用，是

一種很有發(fā)展前途的固體潤(rùn)滑劑。其使用溫度上限為50C，低于-260C時(shí)才失去潤(rùn)滑性。MO2S、聚四氟乙烯等濺射膜，在長(zhǎng)時(shí)間放置后性能變化不大，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間備用、突然使用又要求可靠的設(shè)備如防震、報(bào)警、防火、保險(xiǎn)裝置等是較為理想的固體潤(rùn)滑劑。