摘要：研究了反應濺射法制備 AIN、TiN薄膜的工藝過程，摸索了用于磁光盤介質層的AIN、TiN薄膜的最佳制備工藝，并研究了采用此工藝制備的AIN、TiN薄膜的光學性能。
關鍵詞：反應濺射；AIN；TiN；磁光盤
1 引 言
實用化磁光盤主要采用非晶重稀土-過渡金屬系垂直磁化膜作為記錄介質，但由于該系薄膜本身存在易氧化、抗腐蝕能力差的缺點，影響了磁光盤的應用。通常的解決辦法是在磁光薄膜表面增加保護層。許多材料如金屬、有機物、陶瓷等都能很容易地在磁光膜上沉積成保護膜。但金屬保護膜有擴散系數大、吸收系數大、反射高和透光能力差 等固有缺陷，而且自身也存在氧化和腐蝕問題；有機聚合物具有良好的透光性，但強度較差，易吸潮且存在熱溫度梯度，不能解決磁光盤的不足；氧化物薄膜具有良好的透光性和抗氧化性，但在制備過程中容易對稀土一過渡金屬合金薄膜產主氧污染，而且氧化物薄膜耐酸堿等的能力也不足。
研究表明，性能優良的保護層不僅能夠解決磁光薄膜抗氧化和抗腐蝕的問題，而且能夠提高磁光盤讀寫靈敏度和線性度。因而研究出光學性能好，抗氧化和抗腐蝕能力強的保護層材料是非常有意義的。
氮化物薄膜具有許多優良的性質，因此得到了廣泛的應用。其中AIN薄膜是Ⅲ一V族化合物，具有較大的能隙、低電導、高熱導率、較大的壓電性、高聲速、良好的高溫穩定性和化學穩定性以及很高的透光性，應用領域非常廣泛。而 TiN薄膜的最大特點是具有良好的抗氧化性和極佳的耐腐蝕能力，因而廣泛地應用手材料的抗腐蝕保護層。
對于在極其惡劣條件下使用的磁光盤，其保護層除必須滿足磁光盤的一般要求外，還必須具備很好的耐腐蝕能力。也就是說．既要有AIN薄膜光學性能好的優點，又要有TiN薄膜耐腐蝕能力強的特點。本文基于這一目的，從研究AIN、TiN薄膜的制備工藝以及相關特性出發，為研究Ti—AI一N薄膜應用于磁光盤的可能性打下基礎。
2 AIN和TiN薄膜的濺射工藝及光學性能研究
2．1 AIN、TiN薄膜的制備
我們使用ANELVA公司制造的SPF～430H多靶磁控濺射臺反應濺射制備薄膜。在AIN、TiN薄膜的制備過程中，采用的工藝條件如下：
本底真空：＜ 1.01×10-4Pa
濺射總氣壓： 0.3～1.5Pa
濺射氣壓比PA2 ∶PNr∶1∶4～4∶1
靶一基片間距 TSD： 95 mm
靶尺寸： 100 mm
濺射功率 P： 100～900 W
基片溫度： 水冷
濺射時間隔： 10 min
AIN和TiN薄膜的折射率n、消光系數K和膜厚d是利用橢圓偏振儀(λ= 633 nm）測量并用蒙特卡洛統計模擬方法通過計算得出的，光譜透射率曲線由紫外分光光度計測量。
2．2 AIN和TiN薄膜的光學特性與濺射工藝的關系
圖 1、圖 2分別為AIN、TiN薄膜的折射率n 和濺射速率λ與濺射氮氣分壓PN2的關系曲線（濺射氫氣分壓保持為 0.267 Pa），從圖中可以看出，當N2不足或過量時，折射率都會下降。這是因為反應濺射AIN、TiN薄膜是由靶上濺落井粘附在基片上的AI、Ti原子與激活的N 原子在基片上生成的，由于N2在與AI、Ti原子反應時需分解成N原子，因而AI —AI、Ti—Ti反應將比AI—N、Ti—N反應快得多，又由于AI和Ti原子的濺射率較高，故若N2含量不足就會使生成的AIN、TiN薄膜中包含更多的AI、Ti 原子，從而造成N原子在晶格中的缺位，使薄膜的折射率降低，透明度變差。而當N2過量時，由于氣體密度增加，AI、Ti原子在濺射氣氛中的平均自由程降低，將迅速降低AI、Ti原子的濺落，導致薄膜中AI、Ti原子在晶格中的缺位，也使薄膜的折射率降低。
在研究AIN、TiN薄膜的折射率問 和濺射率人與濺射時氮氣分壓PN2 的關系的同時，我們也分析了AIN、TiN薄膜的消光系數K與濺射氮氣分壓P N2的關系。研究結果表明，AIN有良好的透光性能，其消光系數K＜0．05，且基本上不隨濺射氮氣分壓的改變而變化，而TiN薄膜的消光系數則受濺射氮氣分壓的影響較大。圖3為TiN薄膜的消光系數與濺射氮氣壓的關系曲線，從圖中可看出，在濺射氮氣壓為 0.2～0.4 Pa時，TiN薄膜的消光系數較小，說明在這個范圍內，TiN薄膜中缺陷較少，而在這個范圍以外，晶格中空位和懸鍵較多，導致消光系數變大。
圖4、圖5分別為AIN、TiN薄膜的折射率n和濺射率h與濺射氮氣分壓P Ar的關系曲線，圖6為TiN薄膜的消光系數K與濺射氮氣分壓P Ar的關系曲線（保持濺射氮氣分壓為0.267 Pa）。從圖4～6中可以看出，隨著濺射氫氣分壓的增加，折射率先是下降隨后上升，而濺射速率和TiN薄膜的消光系數都有一定程度的下降。從反應濺射的特性來看，當濺射氫氣壓較低時，靶的濺射率低，但濺射腔中的氣體密度小，AI、Ti原子在到達基片的過程中被碰撞的幾率低，濺射氫氣分壓高時，靶原子被濺射的幾率大，但濺射腔中的氣體密度高，AI、Ti原子在到達基片的過程中被碰撞的幾率大。對圖4～6分析可知，濺射氮氣分壓在 0.2～0.3Pa范圍內較為合適。
圖 7、圖 8分別為 AIN、TiN薄膜的折射率n 和濺射率人與濺射功率P的關系曲線，圖9為TiN薄膜的消光系數K與濺射功率P的關系曲線。由圖7～9可看出，濺射功率在 300 W左右較合適。
圖8 TiN、AIN薄膜的濺射速率h與濺射功率P的關系
圖9 TiN薄膜的消光系數K與濺射功率P的關系
3 結論
從圖1～9可以看出，AIN、TiN薄膜的基本特性與三種工藝參數都有一定的對應關系，因此可以通過優化各濺射參數，濺射出質量相對較高的AIN、TiN薄膜。實驗表明，按照表1所示的工藝參數濺射AIN、TiN薄膜可以得到質量較高的AIN、TiN薄膜，在λ= 633nm時，AIN薄膜的折射率可達2.10左右，消光系數為0.05左右，濺射速率為5.5 nm／min；TiN薄膜的折射率可達 2.47左右，濺射率為 8.5 nm／min，但消光系數為 0.47左右。
光纖現已廣泛地應用于遠程通信、照明、圖像傳輸、傳感器等領域。在某些情況下，在光纖端頭鍍上一層增透膜對于提高光在光纖中的傳輸是很有必要的，同時又可減少菲涅耳后向反射。例如，在許多情況下需要把半導體激光器發出的光耦合到光纖中去，但如果有相當一部分的光從光纖端反射回到激光器中，就會導致激光器的狀態不穩定。在光纖端鍍上增透膜就可以解決這一問題。
一個成功的光纖鍍膜系統不僅需要一個具有某些特征的鍍膜室，而且還需有一個寬帶、強電流、低電壓的離子槍或一個適當的等離子系統，使所鍍的膜致密。利用離子輔助加工可在冷基底上，如連接的光纖或膠合消色差透鏡上產生致密的膜。在大多數情況下，可以把膜鍍到加熱至300°C的基底上。然而由于許多連接的光纖和光纖束需要用環氧樹脂來固定，所以不能將其置于高于90°C的環境中，在某些情況下甚至要求更低的溫度。 |
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| 文章來源：國際真空與薄膜網 |
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