為實現(xiàn)高純度氧化鋁薄膜的快速穩(wěn)定濺射沉積，采用非平衡閉合磁場孿生靶技術(shù)，利用脈沖直流磁控濺射方法，首先對濺射電壓隨氧流量的遲滯現(xiàn)象進行了研究，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的等離子體輔助濺射沉積方法。濺射過程處于遲滯回線的金屬模式，保證了高的濺射速率；在真空室內(nèi)引入一等離子體放電區(qū)，沉積在工件上的超薄層非化學計量比氧化鋁薄膜，高速通過等離子體放電區(qū)時，放電區(qū)內(nèi)解離的氧原子使得氧化鋁薄膜被進一步氧化，同時放電區(qū)內(nèi)的氬離子對薄膜進行轟擊，增加了薄膜的致密性。利用該方法在不同等離子體功率下進行了氧化鋁薄膜的制備，分別利用分光光度計、橢偏儀、原子力顯微鏡對薄膜的光學特性、表面形貌進行了表征，表征結(jié)果說明利用該等離子體輔助磁控濺射方法可獲得高純度的致密氧化鋁薄膜。

　　氧化鋁(Al2O3)薄膜由于具有高的透射比、高的化學穩(wěn)定性、高絕緣性、耐高溫、高硬度等物理化學性質(zhì)，因而在光學、光電子學、信息顯示和存儲器件等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。同時，也是中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層中陶瓷介質(zhì)薄膜的優(yōu)選材料之一。氧化鋁薄膜一般采用電子束蒸發(fā)、離子束反應(yīng)濺射、原子層沉積、化學氣相沉積等方法進行制備，而這些方法不適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)領(lǐng)域采用最多的是磁控濺射鍍膜方法。根據(jù)使用濺射電源的不同，磁控濺射主要分為直流濺射、中頻濺射、射頻濺射、脈沖直流濺射。氧化鋁薄膜作為一種介質(zhì)薄膜材料，在直流反應(yīng)濺射時運行不穩(wěn)定、靶面的弧光放電難以抑制，且經(jīng)常出現(xiàn)靶中毒現(xiàn)象，薄膜中容易存在大顆粒；射頻濺射設(shè)備復(fù)雜，成本高，沉積速率低，且存在射頻泄露風險，對設(shè)備其它部分產(chǎn)生干擾，長時間使用對人體危害大，真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認為不適合于工業(yè)化低成本快速生產(chǎn)。中頻濺射和脈沖直流濺射可以得到較高的沉積速率，能有效抑制打火，根除陽極消失現(xiàn)象，從而保證濺射沉積能夠穩(wěn)定進行；且不像射頻電源那樣復(fù)雜，大功率電源易于實現(xiàn)，因此，已在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)線中得到越來越多地應(yīng)用。

　　本文首先采用中頻孿生靶非平衡閉合磁場脈沖直流反應(yīng)磁控濺射方法，進行了Al2O3薄膜的工藝研究，包括濺射電壓與氧流量的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了射頻等離子體輔助濺射的方法，研究了射頻等離子體源功率與Al2O3光學性能、表面形貌以及沉積速率的關(guān)系，得到了最佳的沉積工藝。所制備膜層與無等離子體輔助相比，膜層光學性能和表面結(jié)構(gòu)得到極大改善。

1、脈沖直流濺射氧化鋁薄膜

　　1.1、氧化鋁薄膜制備

　　本實驗采用非平衡閉合磁場中頻孿生靶反應(yīng)磁控濺射方法，采用純度為99.99%的兩個孿生金屬鋁靶，靶材面積為563mm×106mm；靶與基片的距離約為120mm。真空系統(tǒng)采用日本大阪真空的分子泵系統(tǒng)，濺射沉積前鍍膜室本底真空度優(yōu)于5×10^-3 Pa。濺射用氣體為純度為99.999%的氬氣，反應(yīng)氣體為純度為99.999%的氧氣，氬氣和氧氣分別通過氣體質(zhì)量流量計導(dǎo)入真空室。濺射前基片加熱到100℃，基片為厚度1mm的K9玻璃。濺射沉積系統(tǒng)有一個公轉(zhuǎn)圓盤，圓盤上有若干帶自轉(zhuǎn)的工件架，每個工件架高度約為510mm。

　　實驗采用一臺10kW脈沖直流電源和一臺10kW雙極性脈沖偏壓電源，濺射電源頻率為40kHz，濺射過程中兩個靶交替的作為陰極和陽極，在負半周期內(nèi)出現(xiàn)靶材濺射，正半周期內(nèi)中和靶面的積累電荷，有效地防止了靶材中毒和陽極消失現(xiàn)象。濺射時偏壓固定在200V，占空比為30%；濺射電流固定在6.0A，占空比為50%，濺射壓強保持在0.6Pa左右，氬氣固定在260mL/min(標準狀態(tài))，通過改變氧氣流量得出了濺射靶電壓和氧流量的關(guān)系。

　　1.2、脈沖直流反應(yīng)濺射氧化鋁薄膜“遲滯回線”的研究

　　圖1給出的是脈沖直流反應(yīng)磁控濺射電壓隨氧流量的變化關(guān)系曲線，其中曲線旁的箭頭表示實驗過程中氧流量的增減順序。從圖中可以看出，在氧流量從0～28mL/min的過程中，處于金屬態(tài)模式，濺射電壓隨氧流量的增加而增加，大約從353增加到401V，輝光放電顏色紫紅色，薄膜逐漸由黑色變成為深灰色的高吸收、不透明薄膜，這與相關(guān)文獻報道的中頻磁控濺射氧化鋁薄膜處于金屬態(tài)模式時，濺射電壓隨氧流量逐漸減小的趨勢不一致。當氧氣流量由28在進一步增加到29mL/min，電壓突然下降為290V，此時輝光放電顏色變?yōu)榈�粉色，此階段為過渡模式。再繼續(xù)增加氧氣流量到濺射電壓基本維持在283V左右，輝光顏色更淡，沉積得到的是透明的氧化鋁薄膜，該階段為反應(yīng)模式。隨著氧流量由70逐漸減小到14mL/min，濺射電壓由283逐漸增加到296V，再進一步減小氧流量濺射電壓突然變?yōu)?53V。此即為脈沖直流磁控濺射的遲滯現(xiàn)象。

圖1 脈沖直流反應(yīng)磁控濺射過程中氧流量與濺射電壓的關(guān)系

　　由于濺射速率與氧流量存在同樣的遲滯現(xiàn)象，處于金屬態(tài)時膜層的沉積速率快，但得到的是反應(yīng)未完全的金屬態(tài)薄膜；處于反應(yīng)模式進行薄膜制備時，可以得到高純度的化合物薄膜，但膜層的沉積速率較慢；因此通常利用過渡態(tài)模式進行化合物薄膜的制備，但過渡態(tài)模式的條件范圍窄，較難控制，此外也很難獲得高純度的化合物薄膜。

2、等離子體輔助脈沖直流濺射氧化鋁薄膜

　　針對傳統(tǒng)中頻或脈沖直流濺射化合物薄膜時存在的問題，本文提出了一種新型的等離子體輔助中頻或脈沖直流磁控濺射的方法。即在真空室內(nèi)增加一高離化率的等離子體放電區(qū)，選擇接近過渡態(tài)模式的穩(wěn)定工作金屬態(tài)模式進行薄膜沉積，工件高速公轉(zhuǎn)同時繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的工件經(jīng)過靶面沉積的超薄層非化學計量比薄膜轉(zhuǎn)過等離子體區(qū)時進一步與解離的高密度反應(yīng)氣體產(chǎn)生化合反應(yīng)，既保證了薄膜高的沉積速率，又可以獲得高純度的化合物薄膜；同時在氬離子的轟擊作用下，增加了膜層的致密性。該方法的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 等離子體輔助磁控濺射結(jié)構(gòu)示意圖

3、結(jié)論

　　本文首先利用脈沖直流濺射技術(shù)對制備氧化鋁薄膜時濺射電壓與氧流量的遲滯現(xiàn)象進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在金屬模式下，與中頻濺射氧化鋁薄膜時不同，電壓隨氧流量的增大而增大。

　　針對傳統(tǒng)中頻濺射制備氧化鋁薄膜處于金屬態(tài)模式時膜層的沉積速率快，但得到的是反應(yīng)未完全的金屬態(tài)薄膜；處于氧化態(tài)模式進行薄膜制備時，可以得到高純度的化合物薄膜，但膜層的沉積速率較慢；而處于過渡態(tài)模式時，條件范圍很窄，較難控制，同時也很難獲得高純度的氧化鋁薄膜的固有缺點。本文提出了一種新型的等離子體輔助脈沖直流磁控濺射方法，利用該方法使得濺射過程始終處于穩(wěn)定運行的高濺射速率金屬模式，反應(yīng)未完全的氧化鋁薄層在經(jīng)過等離子體區(qū)時進一步被完全氧化，得到高化學計量比的氧化鋁薄膜；同時在氬離子的轟擊作用下，增加了膜層的致密性。利用分光光度計和AFM對薄膜的透過率和微觀形貌測試測試結(jié)果表明，利用該新型等離子體輔助濺射方法可以獲得高純度的無色透明致密氧化鋁薄膜，同時保證了高的濺射沉積速率，具有重要的應(yīng)用前景。