A katódporlasztás vékonyrétegek előállítására szolgáló eljárás. Alapja egy ritkított térben, két elektróda között létrehozott önfenntartó villamos kisülés, plazma létrehozása, ahol az elektronok felgyorsulnak és ütköznek a többnyire nemesgáz atomokkal, amelyekről további elektronokat szakítanak le. Az így keletkezett pozitív ionok az erőtér gyorsításának hatására a katódba csapódnak és amennyiben energiájuk nagyobb a kötési energiánál, atomokat löknek ki onnan. Az így kilökött atomok a katód alatt elhelyezkedő anódon lévő hordozóra csapódnak. A folyamat feltétele a plazma létrejötte.
Porlasztási eljárási típusok jobbra|bélyegkép|400px|DC diódás porlasztási mechanizmus bélyegkép|Platina bevonat készítése K975X típusú katódporlasztóban.
Az üvegbúra belsejében, állandó, kis nyomású (0,7 Pa) Ar gázban lilásfehéren világító plazmát hoz létre a berendezés. Nagyfeszültségű elektromos tér ionizálja a gázt és fel is gyorsítja a keletkező argon ionokat, melyek nagy sebességgel repülnek a kör alakú katód felé. Becsapódva a katódba, abból (ez esetben platina) atomokat ütnek ki, melyek az alatta elhelyezett, bevonandó felületre érkeznek. A plazma színe az alkalmazott gáz, illetve a katód anyagától is függ. Arannyal történő bevonáskor ez az argon plazma rózsaszínes árnyalatú lila.
DC diódás porlasztás A DC porlasztás a vékonyrétegek előállítására szolgáló legrégebbi eljárás. A porlasztandó anyagot (target) néhány kV negatív feszültségre kötjük, a hordozók (szubsztrát) általában földpotenciálú „anódon” helyezkednek el. Az inert argon gáz nyomása kb. 1 Pa, ekkor a kialakuló kisülés sötét terének vastagsága kb. 20 mm. Az elektronokat a sötét tér potenciálesése gyorsítja fel, továbbá a plazma keltésére is szükséges bizonyos úthossz, ezért az elektródák távolsága ezen a nyomáson 50-100 mm kell, hogy legyen. A katódról levált részecskék szabad úthossza 20-30 mm, így az anódon elhelyezett szubsztrátot (bevonandó felületet) többszörös ütközések után érik el.
Ezáltal jelentős energiaveszteséget szenvednek, és nem kívánt felületeken is lecsapódnak. A berendezés nagymértékű egyszerűsége mellett jelentős hátrány a rendszer rugalmatlansága: az ionok előállítását és gyorsítását ugyanaz a villamos tér végzi, a kettő nem választható szét. A viszonylag nagy nyomás miatt jelentős a kialakított réteg szennyeződésének valószínűsége. Az előzőekben említett okok miatt a rétegleválasztás sebessége kicsi, a szükséges villamos teljesítménysűrűség legalább 1 W/cm2, a target felületére vonatkoztatva. Alkalmas fémek porlasztására, de a porlasztás hozama erősen rendszámfüggő, emellett a könnyen oxidálódó felületű fémek leválasztási sebessége (pl. Al, Ti) rendkívül kicsi.
Rádiófrekvenciás (RF) porlasztás A DC porlasztási eljárás hibája, hogy nem alkalmazható szigetelő targetekre. Ennek oka az, hogy a targetbe becsapódó pozitív ionok feltöltik a felületet, így a target potenciálja a plazmához képest nullára csökken. Ezen úgy lehet segíteni, hogy bizonyos rendszerességgel (másodpercenként néhány milliószor) a felhalmozott töltést elektronárammal semlegesítjük. Ez úgy történik, hogy az elektródákat nem egyenfeszültséggel (DC), hanem nagyfrekvenciásan, váltófeszültséggel (AC) tápláljuk. Ebben az esetben a target félperiódusonként pozitív, ezért a plazma elektronjait vonzza. Miután a plazmában az elektronmozgékonyság sokkal nagyobb, mint az ionoké, kellően nagy frekvencia alkalmazása esetén a targetre az oda gyűlő elektronoknak köszönhetően, egy állandó negatív feszültség szuperponálódik. Ez eredményezi a target porlasztását. Ezután a porlasztás mechanizmusa megegyezik a DC porlasztáséval. A szokásos RF frekvencia 13,56 MHz, vagy ennek kétszerese. Az így előálló egyenfeszültség függ az RF amplitúdójától és fordítva arányos az elektróda kapacitásával.
A porlasztott réteggel bevonandó hordozónak, a szubsztrátnak porlódása megakadályozható az anód-elektróda felületének megnövelésével, célszerűen földelésével. A negatív katódpotenciál létrejöhet fémfelületen is, ha az egyenáramúlag el van szigetelve az RF generátortól, vagyis a generátor a target elektródát kondenzátor közbeiktatásával táplálja. Miután a plazma impedanciája az elrendezéstől nagymértékben függ, a RF teljesítményt egy illesztő LC rendszer segítségével csatoljuk ki optimális hatásfokkal.
Kezdetben az RF porlasztást triódás rendszerben alkalmazták, azonban csakhamar bebizonyosodott, hogy elegendő a diódás rendszer is. Ugyanis a RF térben az elektronok oszcilláló mozgást is végeznek, ami megnöveli az ionizáció valószínűségét. Ha még mágnesteret is alkalmazunk, a porlasztás ugyanolyan kis (0,01-0,1 Pa) nyomáson elvégezhető, mint a DC triódás rendszerben.
Az RF porlasztás alkalmas mind vezető, mind szigetelő rétegek leválasztására, tehát egy univerzális eszköz áll rendelkezésünkre. A plazma nagyfrekvenciás impedanciája nagymértékben függ a méretektől és az elrendezéstől, ezért az RF teljesítményt egy illesztő LC kör segítségével csatoljuk ki optimális hatásfokkal. A katódporlasztás, különösen a RF porlasztás igen nagy előnye a vákuumpárologtatással szemben, hogy a leváló réteg szerkezete tömörebb, jól tapad a hordozókra és szerves anyagok (pl. műanyagok) is jól porlaszthatók. Másik előnye, hogy a a porlasztási hozamok ismeretében a bevonatban kialakuló vegyület, vagy ötvözet összetétele könnyen tervezhető, illetve kézben tartható, akár folyamatos üzemre is alkalmas..
Ma már a különböző bevonatok nagy tömegű gyártásra alkalmas, komoly ipari berendezések RF rendszerben működnek. A módszer nagyüzemi alkalmazhatóságát fokozza, hogy ezekben a berendezésekben több targetet lehet elhelyezni egy revolverfejben, melyeket felváltva lehet a plazmába meríteni. Az így kialakított bevonatban rétegrendszert lehet készíteni, különösebb nehézség nélkül, például így készülnek az optikai elemek tükröződést gátló (AR) bevonatai, a dikroikus tükrök, illetve az interferenciás optikai szűrők. A katódporlasztás, különösen az RF porlasztás igen nagy előnye a vákuumpárologtatással szemben, hogy a leváló réteg szerkezete tömörebb, jól tapad a hordozókra. Ezzel a technikával szerves anyagok (például műanyagok) is jól porlaszthatók. A létrehozott rétegben kialakuló vegyület, vagy ötvözet összetétele a porlasztási hozamok ismeretében könnyen tervezhető, illetve kézben tartható. Ez a bevonatkészítési eljárás folyamatos üzemre is alkalmas.
Reaktív porlasztás A reaktív porlasztás annyiban különbözik a fentebb vázolt nem-reaktív porlasztástól, hogy a gáztérbe nem csak nemesgáz atomokat vezetünk, hanem a target anyagából porlódott atomokkal kémiailag reagáltatni kívánt gázt is. Az így, a reakciótérbe került gáz, a nemesgáz atomjaihoz hasonlóan, szintén ionizálódik. Az ionizált atomok a target gázfázisba hozott atomjaival, illetve azoknak ionjaival a hordozó felszínén vegyületet képeznek. Ez különbséget jelent a reaktív párologtatáshoz képest, mert míg a párologtatásnál a vékonyréteg anyagát képező molekulák a gáztérben alakulnak ki a reakció következtében, addig a reaktív porlasztásnál ez a folyamat nagy valószínűséggel a hordozó felszínén zajlik le.
A reaktív porlasztásnak nagy előnyei vannak a nem reaktív porlasztással szemben: Lehetséges vegyületek leválasztása fém targetből. Ez azért bír nagy jelentőséggel, mert a fém target használata lehetővé teszi a gyorsabb porlasztást. Szigetelő vékonyrétegek választhatók le DC porlasztással. A vékonyréteg anyaga csak a hordozó felületén alakul ki. Ennek köszönhetően a target anyaga lehet fém, így alkalmazhatunk DC forrást is, amit szigetelő target esetében nem tehetnénk meg, mert a szigetelő hamar feltöltődne, ezzel lehetetlenné téve a további porlódást. A rétegek összetételét szabályozni lehet. Mivel a kialakuló réteg összetétele függ a porlasztás paramétereitől ezeknek a változtatásával széles skálán befolyásolhatjuk a kialakuló réteg tulajdonságait.
A reaktív porlasztás rendkívül komplex folyamat. A leválasztott vékonyréteg összetételének paraméterfüggése még nem teljesen tisztázott. A nem reaktív porlasztással szemben itt a kialakult réteg egyenletességén és minőségén kívül -vegyületekről lévén szó- figyelni kell a réteg sztöchiometriájára is. A paraméterek jó beállítása nagy körültekintést és pontosságot igényel. További kérdésként merülhet fel a kialakított rétegek reprodukálhatóságának és az összetételen kívül egyéb strukturális és mechanikai tulajdonságának szabályozása.
Ionsugaras porlasztás A legtisztább porlasztási eljárás. A porlasztásra szánt ionokat külön ionforrás, legtöbbször Kaufman típusú állítja elő. Az ionokat a forrásból kiszívjuk, majd gyorsítótérben felgyorsítva a targetra lőjük. Az ionsugárbeli ionok közel azonos energiájúak, nyalábjuk nagy átmérőjű, ezért az áramsűrűség nem nagy, kb. 1 mA/cm2, 1kV gyorsítófeszültség alkalmazásával. Nagyobb áramsűrűség érhető el, ha ionoptika segítségével a nyalábot kis felületre koncentráljuk.
Az eljárás nagy előnye, hogy az ionforrás térben el van választva a porlasztó tértől ezért maga a porlasztás akár ultranagy vákuumban is elvégezhető (mely már túl ritka volna plazma létrehozásához). Hátrányai, hogy a rétegvastagság kis felületen egyenletes, illetve, hogy a berendezés elég komplikált, ennélfogva drága.
Magnetronos porlasztás jobbra|bélyegkép|400px|Magnetron felépítése. Az ábrán N az északi, míg S a déli mágneses pólust jelöli Létezik a klasszikus porlasztásokkal együtt alkalmazható, de azoknál hatékonyabb, kisebb plazmateljesítménynél is jó hozamot biztosító és ezzel nagyobb rétegépülési sebességet lehetővé tevő porlasztási mód, a síkmagnetronos porlasztás. Kialakítása annyiban különbözik a hagyományos RF és DC porlasztó berendezésekétől, hogy a target mögött egy erős, állandó mágnes helyezkedik el. (A szükséges mágneses tér elektromágnessel is létrehozható, de az állandó mágnes egyszerűbb megoldás.)
A hagyományos módoknál a targetből kilökött szekunder elektronok elhagyva a target felszínét, egyenes vonalon távoznak. Ezután a szubsztráttartóba, vagy a hordozóba csapódnak nemkívánatos felmelegedést, esetleg sugárkárosodást okozva. Ezek az elektronok döntő többségükben úgy hagyják el a plazma területét, hogy nem okoznak ionizáló ütközéseket. Ezeket az ionizáló ütközéseket igyekszik megsokszorozni a magnetron alkalmazása. A magnetront úgy helyezik el a target mögött, hogy előtte legalább egy olyan terület keletkezzen, ahol a mágneses tér zárt erővonalai párhuzamosan futnak a katóddal. Ezen a területen a mágneses tér merőleges az elektromos térre. A mágneses erővonalak áthaladva ezen a területen, ideális esetben merőlegesen érkeznek a katód felületére. A kezdetben nyugalomban lévő elektron (pl.: éppen most emittált szekunder elektron) mozgása ekkor a következőképpen alakul: Az elektromos tér gyorsító hatására felgyorsul, de ezzel egy időben hatni kezd rá a mágneses tér hatása is.
A mágneses erő a fent leírtak szerint eltéríti az elektront és ciklois pályára kényszeríti. Ha elég erős a mágneses tér, az elektron sebességének iránya visszatérül a target irányába, és elhagyja a mágneses teret. Amint az elektron megközelíti a katód felületét az elektromos tér fékező hatása fog érvényesülni és így az elektron egy pillanatra megint nyugalomba kerül. Ekkor ismét felgyorsul, és a periódus kezdődik elölről.
A fent vázolt pályán mozgó szekunder elektronok addig mozognak periodikusan ezen a pályán, amíg egy Ar atommal nem ütköznek. Nem minden ilyen ütközés hatására jön létre Ar+ ion, de a magnetron hatására az ionizációs hatásfok lényegesen megnő. Az ilyen módon csapdázott elektronoknak köszönhetően a target kisülési áramerőssége 10-100 mA/cm2-re nőhet a magnetron nélküli porlasztóforrások 1mA/cm2-ével szemben. Jellegzetes a síkmagnetronos porlasztók targetjének eróziója. Erősen kopik a target a két mágneses pólus közti sávban és a target anyagának jelentős része felhasználatlan marad.
A porlasztásnál a kialakult réteg minőségének paramétertől való függése