為實現高純度氧化鋁薄膜的快速穩定濺射沉積，采用非平衡閉合磁場孿生靶技術，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象進行了研究，在此基礎上，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；在真空室內引入一等離子體放電區，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時，放電區內解離的氧原子使得氧化鋁薄膜被進一步氧化，同時放電區內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、高的化學穩定性、高絕緣性、耐高溫、高硬度等物理化學性質，因而在光學、光電子學、信息顯示和存儲器件等領域有著廣泛應用。同時，也是中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層中陶瓷介質薄膜的優選材料之一。氧化鋁薄膜一般采用電子束蒸發、離子束反應濺射、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模工業化生產，工業領域采用最多的是磁控濺射鍍膜方法。根據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薄膜材料，在直流反應濺射時運行不穩定、靶面的弧光放電難以抑制，且經常出現靶中毒現象，薄膜中容易存在大顆粒；射頻濺射設備復雜，成本高，沉積速率低，且存在射頻泄露風險，對設備其它部分產生干擾，長時間使用對人體危害大，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為不適合于工業化低成本快速生產。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，根除陽極消失現象，從而保證濺射沉積能夠穩定進行；且不像射頻電源那樣復雜，大功率電源易于實現，因此，已在大規模工業化生產線中得到越來越多地應用。

　　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系。在此基礎上，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構得到極大改善。

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。真空系統采用日本大阪真空的分子泵系統，濺射沉積前鍍膜室本底真空度優于5×10^-3 Pa。濺射用氣體為純度為99.999%的氬氣，反應氣體為純度為99.999%的氧氣，氬氣和氧氣分別通過氣體質量流量計導入真空室。濺射前基片加熱到100℃，基片為厚度1mm的K9玻璃。濺射沉積系統有一個公轉圓盤，圓盤上有若干帶自轉的工件架，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，在負半周期內出現靶材濺射，正半周期內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)，通過改變氧氣流量得出了濺射靶電壓和氧流量的關系。

　　1.2、脈沖直流反應濺射氧化鋁薄膜“遲滯回線”的研究

　　圖1給出的是脈沖直流反應磁控濺射電壓隨氧流量的變化關系曲線，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，這與相關文獻報道的中頻磁控濺射氧化鋁薄膜處于金屬態模式時，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為淡粉色，此階段為過渡模式。再繼續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為353V。此即為脈沖直流磁控濺射的遲滯現象。

圖1 脈沖直流反應磁控濺射過程中氧流量與濺射電壓的關系

　　由于濺射速率與氧流量存在同樣的遲滯現象，處于金屬態時膜層的沉積速率快，但得到的是反應未完全的金屬態薄膜；處于反應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模式進行化合物薄膜的制備，但過渡態模式的條件范圍窄，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。即在真空室內增加一高離化率的等離子體放電區，選擇接近過渡態模式的穩定工作金屬態模式進行薄膜沉積，工件高速公轉同時繞自轉軸自轉，高速旋轉的工件經過靶面沉積的超薄層非化學計量比薄膜轉過等離子體區時進一步與解離的高密度反應氣體產生化合反應，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。該方法的具體結構如圖2所示。

圖2 等離子體輔助磁控濺射結構示意圖

3、結論

　　本文首先利用脈沖直流濺射技術對制備氧化鋁薄膜時濺射電壓與氧流量的遲滯現象進行了實驗研究，發現在金屬模式下，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。

　　針對傳統中頻濺射制備氧化鋁薄膜處于金屬態模式時膜層的沉積速率快，但得到的是反應未完全的金屬態薄膜；處于氧化態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定運行的高濺射速率金屬模式，反應未完全的氧化鋁薄層在經過等離子體區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，具有重要的應用前景。