磁控溅射制备W掺杂VO_2_FTO复合薄膜及其性能分析_佟国香
磁控溅射制备W掺杂VO2/FTO复合
薄膜及其性能分析*
佟国香1)2)李毅1)2)?王锋1)黄毅泽1)方宝英1)王晓华1)3)朱慧群1)梁倩1)严梦1)覃源1)丁杰1)陈少娟1)陈建坤1)郑鸿柱1)袁文瑞1)
1)(上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093)
2)(上海市现代光学系统重点实验室,上海200093)
3)(上海电力学院计算机与信息工程学院,上海200090)
(2013年6月9日收到;2013年7月4日收到修改稿)
为了获得相变温度低且热致变色性能优越的光学材料,室温下在F:SnO2(FTO)导电玻璃基板表面沉积钨钒金属膜,再经空气气氛下的热氧化处理,制备了W掺杂VO2/FTO复合薄膜,利用X射线光电子能谱、X射线衍射和扫描电镜对薄膜的结构和表面形貌进行了分析.结果表明:高温热氧化处理过程中没有生成W,F,V混合氧化物,W 以替换V原子的方式掺杂.与采用相同工艺和条件制备的纯VO2/FTO复合薄膜相比,W掺杂VO2薄膜没有改变晶面取向,仍具有(110)晶面择优取向,相变温度下降到35?C左右,热滞回线收窄到4?C,高低温下的近红外光透过率变化量提高到28%.薄膜的结晶程度明显提高,表面变得平滑致密,具有很好的一致性,对光电薄膜器件的设计开发和工业化生产具有重要意义.
关键词:W掺杂,VO2,FTO导电玻璃,磁控溅射
PACS:81.05.?t,42.70.?a,68.55.?a,74.62.Dh DOI:10.7498/aps.62.208102
1引言
在钒氧化物中,VO2的相变温度为68?C[1],最接近室温.由于VO2薄膜相变可逆性较好而被广泛关注,具体的应用包括:热致变色智能窗材料、光电开关材料、光学传感器、光学存储器、激光防护武器、节能涂层材料等.为使VO2薄膜的性能更加接近于产品的需求,人们采用各种方法降低相变温度,提高光学透过率,提高电阻温度系数等特性.研究证实:可以通过掺杂高价阳离子(Nb, Mo,W,F)降低相变温度,同时,通过掺杂低价阳离子(Al,Ti,Sn,Cr)提高相变温度[2?5].相变温度的降低和掺杂高价阳离子的浓度呈线性关系.W被证实是最有效的掺杂物之一,每增加1at.%的W,相变温度降低约28?C[3,6,7].值得关注的是,Ti-W共同掺杂对V1?x?y W x Ti y O2薄膜的光学和电学特性的影响非常显著.与W掺杂薄膜相比,有效地提高了红外透射率和室温下的电阻温度系数,但相变温度下降不明显[8].此外,掺杂带来的负面影响是导致薄膜半导体态的载流子密度升高,降低了半导体态下薄膜的可见光和红外光透过率,同时也影响了薄膜的光电开关特性[9?12].为了提高VO2薄膜的光学透过率,减反膜技术被应用到多层结构设计中,例如SiO2,TiO2或者ZrO2薄膜,在这些应用中, TiO2被证实最有效地提高了VO2薄膜的光学透过率[13?16].
在调节相变温度方面,除了使用掺杂方法外,
*国家高技术研究发展计划(批准号:2006AA03Z348)、教育部科学技术研究重点项目(批准号:207033)、上海市教委科学技术研究重点项目(批准号:10ZZ94)、上海市重点学科(批准号:S30502)、上海市教委科研创新项目(批准号:12YZ094)、上海市领军人才计划和“区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室”开放基金资助的课题.
?通讯作者.E-mail:liyi@https://www.360docs.net/doc/c89092093.html,
c?2013中国物理学会Chinese Physical Society https://www.360docs.net/doc/c89092093.html,
最近的研究报告提出了其他的非热因素导致VO2薄膜发生相变-电压触发金属绝缘相变(MIT),即使是在室温下,给VO2薄膜施加一定高压就可以引起薄膜相变发生[17?23].国内外已经开展了在导电基板上制备VO2薄膜以探索薄膜中载流子行为的研究,如高掺杂Si或Ge和Pt的导电基板,Ga掺杂的ZnO基板,ITO导电基板[24?29].氟掺杂氧化锡(SnO2:F)薄膜在可见光透过率(高达90%以上)、热稳定性(即使在450?C下仍然保持高导电性能)、导电性能(电阻率低,薄膜的方块电阻约为14?/ )等方面都具有非常优异的特性,且具有和VO2相似的晶体结构和晶格参数,有助于VO2薄膜在热致变色智能窗和近红外区域的光电特性研究.本文选择了FTO作为基板,分别选择金属钒和钨钒合金作为靶材,在室温下采用直流磁控溅射的方法在FTO基板上沉积金属薄膜,然后放入退火炉利用在空气中热氧化的方法制备VO2/FTO复合薄膜,同时为进一步降低复合薄膜的相变温度和改善成膜质量,制备了W掺杂VO2/FTO复合薄膜.研究了VO2/FTO 复合薄膜和W掺杂VO2/FTO复合薄膜的晶体结构、相变和光学特性,为进一步提高VO2/FTO复合薄膜的应用特性进行了基础研究.
2实验
采用直流磁控溅射的方法在室温下氩气氛中制备金属膜,然后放到退火炉中进行热氧化退火,制备了纯二氧化钒薄膜和钨掺杂二氧化钒薄膜,靶材分别采用纯度为99.99%的金属钒靶和1.4%掺钨合金靶,基板采用FTO导电玻璃,该FTO导电玻璃采用钠钙玻璃作为基板,一面覆盖氟掺杂氧化锡(SnO2:F)薄膜,膜厚350nm,玻璃厚度2.2mm,薄膜的方块电阻约为14?/ ,FTO薄膜在400—700nm光谱范围内的透过率达到80%以上.具体工艺过程如下:将FTO导电玻璃基板依次放入有机溶剂氯仿和丙酮中超声清洗30min,再用无水乙醇和去离子水各超声清洗30min,然后用高纯氮气吹干.将吹干后的FTO导电玻璃基板放入真空溅射腔进行溅射.溅射前,首先将溅射腔抽成真空(腔内压强小于2.5×10?3Pa),此时通入氩气,氩气流量为80mL/min,最后使腔内工作气压稳定在4.1×10?1 Pa.设置直流溅射电压为400V,溅射电流2.0A,室温下溅射2.5min.
采用上述工艺分别在FTO基板上溅射金属钒膜和钨钒共溅合金膜后,分别将两种样品放入SX2-4-10箱式电阻炉中进行退火热氧化处理,温度为410?C,退火2h.样品在热氧化退火过程中炉内不需要通入任何气体,而是在空气中进行,以达到降低制备成本的目的.
样品的结构和定性分析采用北大青鸟集团生产的BD90型X射线衍射仪(XRD)和美国Perkin-Elmer公司的PHI-5000C ESCA型X射线光电子能谱(XPS)分析仪.表面形貌分析采用美国FEI 公司生产的NoVa TM NanoSEM430型超高分辨率热场发射扫描电子显微镜(SEM).采用美国Perkin Elmer公司的Lambda9型UV/VIS/NIR分光光度计(280—3200nm)分别测量了样品在25?C和80?C 时的600—2000nm范围的透过率,以及1100nm下的升温和降温过程中的透过率,并绘制了透过率随温度的变化曲线.
3结果与讨论
为了获得最佳工艺参数,在同等磁控溅射工艺参数下制备多个样品,分别在不同的退火温度和退火时间下进行后退火处理.结果表明,在不同的退火条件下复合薄膜的光学性能也各不相同.表1给出了不同退火温度下,退火2h制备的样品的相变温度,室温下1100nm处的透过率T NIR,以及在1100nm处相变前后的透过率变化量?T NIR.实验表明,退火时间过短或者退火温度过低时,由于薄膜的晶化度不够,氧化不充分,薄膜颜色较深,导致薄膜透过率降低;而过高的退火温度和过长的退火时间导致薄膜过氧化,表面的VO2薄膜容易转变为V2O3和V2O5,使得相变温度升高,同时相变前后的红外透过率变化量降低.经过反复实验,最终确定410?C,退火2h为最佳退火条件.
图1给出了VO2薄膜和掺钨VO2薄膜的XPS 对照图谱.从宽程扫描谱图1(a)可以观察到明显的钒和氧原子峰,结合能284.7eV为C1s峰,以此对表面电荷效应引起的结合能位移进行校正.图1(b)是V2p-O1s的高精度扫描谱,对照XPS数据库,可以确定峰位515.5和524.0eV分别对应V2p3/2和V2p1/2,薄膜中的钒主要以+4价钒离子形式存在;图1(c)和图1(d)分别给出了W4d和W4f的扫描谱,峰位247.6eV对应W4d,峰位37.5和35.2eV分别对应W4f5/2和W4f7/2,说明掺钨薄膜中的钨元素主要以+6价存在.此外,在241.2eV峰位出现了Ar2p对应峰,这是因为在氩气气氛中低温溅射金属
膜时掺入了Ar,留在晶界和晶格间隙位置,在随后的退火处理过程中,Ar会不断地向外释出,金属钒不断被氧化形成VO2薄膜,而存在于晶格间隙位置的Ar不容易向外释放而保留下来,造成Ar掺杂.根据应力理论,间隙中Ar的存在对VO2薄膜形成张应力,从而对相变温度的降低产生贡献[30].从图1(b)可以看出,V的结合能由516.08eV偏移到515.5eV,V2p结合能降低.导致结合能变化的原因可能存在多种因素,如得失电子、原子所处化学环境、成键情况等.由于W掺杂,引入了两个负电荷,使得周围的电子云密度增加,从而降低了结合能.此外,在W原子取代V原子与其他原子成键时,电子结构会发生变化,能级发生调整以达到能量最低,从而在低于半导体导带底产生施主能级,降低了禁带宽度,也会降低结合能.因此W 掺杂VO2薄膜具有更低的相变温度.
表1不同退火温度下,退火2h制备的样品相变温度和在波长为1100nm时的光学性能
退火温度/?C
相变温度/?C室温下透过率T NIR/%高低温下透过率变化量?T NIR/% VO2/FTO W掺杂VO2/FTO VO2/FTO W掺杂VO2/FTO VO2/FTO W掺杂VO2/FTO 380614428242022 390584030262224 400533535302527 410503541352528 420563845381820
图1VO2和W掺杂VO2薄膜的XPS图谱
图2(a)给出了FTO样片的XRD图谱.从图2(a)中可以清楚地观察到8个四方金红石结构SnO2晶体对应的衍射峰,分别为26.597?,33.889?,37.968?,51.795?,54.780?,61.908?,65.994?和78.744?,分别对应SnO2的(110),(101),(200), (211),(220),(310),(301)和(321)晶面(pdf No.77-
0447).可以确定:FTO 由多晶SnO 2组成,F 以替换O 原子的方式掺杂,并没有产生新的相,也没有改变SnO 2的金红石结构.在FTO 表面上生长VO 2薄膜后的XRD 见图2(b).除了SnO 2对应的8个峰以外,在2θ=25.123?处出现一个很强的衍射峰,对照ICSD 卡,确定为VO 2(110)晶面的衍射峰(pdf No.81-2393).
图2(a)FTO 的XRD 图谱;(b)VO 2/FTO 的XRD 图谱;(c)W 掺杂VO 2/FTO 的XRD 图谱
SnO 2(110)晶面具有高密度缺陷和呈现复杂的表面重建现象,也具有更高的表面能.室温下在SnO 2(110)晶面沉积金属钒膜有助于减少SnO 2(110)的表面态和缺陷[31].在温度410?C 下热氧化2h 的退火处理过程中,氧离子不断进入金属钒膜形成钒氧化物,同时随着氧的不断进入也填充了SnO 2(110)表面的氧空位,使得SnO 2(110)的表面态和缺陷不断减少,最后在FTO 表面形成二氧化钒为主的钒氧化物.XRD 表明,在高温退火处理过程中没有形成V ,Sn,F 的混合氧化物,说明VO 2薄膜没有和FTO 基板发生化学反应,而是在FTO 表面择优取向(110)生长了VO 2薄膜.
从W 掺杂VO 2薄膜的XRD 图谱可以观察到,W 掺杂VO 2薄膜中没有产生新相,VO 2(110)晶面的衍射峰出现在2θ=25.016?,没有改变薄膜的(110)取向.由于W 原子半径大于V 原子半径,W 原子替代V 原子后,衍射峰的晶面间距变大,导致峰位(110)对应的2θ值变小.
图(3a)是FTO 表面形貌SEM 图,显示出颗粒分布比较均匀的多孔薄膜,晶粒之间边界清晰,平均直径30nm 左右.VO 2/FTO 薄膜的表面形貌如图3(b),显示与FTO
表面形貌相似的晶粒排列,晶粒尺寸明显增大,观察到晶粒尺寸大小不规则,约30—100nm.W 掺杂对颗粒的形貌产生了较大影响,W 掺杂VO 2薄膜的SEM 图(图3(c))表明,薄膜结晶程度进一步提高,晶粒尺寸变得均匀、一致,表面平整度显著提高(图4所示).由于SnO 2和钒氧化物都具有较低的固溶度,高温(410?C)退火处理过程中FTO 和VO 2的界面扩散程度不会太深,金红石结构的FTO 晶体颗粒与VO 2具有相似的晶体结构和相近的晶格参数,从而促进了VO 2以及W 掺杂VO 2薄膜在FTO 膜层上择优取向生长.
图3
(a)FTO 的SEM 图;(b)VO 2薄膜的SEM 图;(c)W 掺杂VO 2薄膜的SEM 图
图4
(a)VO 2薄膜,(b)W 掺杂VO 2薄膜表面平整度对比
FTO,VO 2薄膜和W 掺杂VO 2薄膜在600—2000nm 范围内的透过率曲线如图5所示.FTO 在高温(80?C)和低温(25?C)情况下透过率变化不大.FTO 的可见光透过率在80%以上,近红外波段的透过率保持在70%以上,随着波长增加,透过率迅速下降,2000nm 处下降到10%.因此VO 2/FTO 复合膜的透过率受此限制.可见光及近红外波段VO 2薄膜起主导作用,VO 2/FTO 复合膜在室温下900—1250nm 波段最大透过率可以达到约42%,红外波段受到FTO 限制,透过率呈现下降趋势,到2000nm 附近下降到10%以下,到2000nm 时透过率几乎为0.红外波段的高低温透过率变化量约25%.W 掺杂VO 2薄膜透过率曲线与VO 2薄膜相似,但总体透过率下降,近红外波段的最大透过率为37%左右,红外波段的高低温透过率变化量约28%.相变温度从原来的51?C 下降到35?C 左右,热滞回线宽度也得到了明显的改善.图6是1100nm 时透过率随温度的变化曲线.
掺杂可以改变材料的禁带宽度,进而影响材料的光学特性.由于禁带宽度主要取决于薄膜中的原子组成和成键状态,但也受到杂质和缺陷的影响,
材料中的缺陷和外部的掺杂可显著改变载流子浓度进而影响材料的带隙.W 原子取代一个V 原子的晶格位置后,将会在半导体的导带中引入两个负电荷,被束缚在W 6+杂质周围,破坏了原本晶格点阵的周期性,在低于半导体导带底产生施主能级,降低了禁带宽度,从而在更低的温度下实现半导体到金属态的转变.由于W 原子的掺杂导致常温下半
导体态VO 2禁带中受热激发产生的载流子浓度增加,载流子对红外光的屏蔽作用致使VO 2薄膜在常温下对红外光透过率下降[32].
图5FTO,VO 2/FTO 和W 掺杂VO 2/FTO 的透过率随波长的变化曲线
图6VO 2薄膜和W 掺杂VO 2薄膜的透过率随温度的变化曲线
4结论
本文给出了一种低成本、易于实现的VO 2薄膜制备方法.利用钨钒合金作为靶材,在室温下采用直流磁控溅射的方法在FTO 表面沉积掺钨的金属钒薄膜,然后在410?C 下的空气气氛中热氧化2h 制备了(110)择优取向的
W
掺杂
VO 2/FTO 复合薄膜.由于FTO 和VO 2具有相似的晶体结构和
相近的晶格参数,在FTO表面制备的薄膜所受应力较小,FTO薄膜起到了缓冲层的作用,并提供了有利的成核条件及取向诱导作用,在FTO基板上更容易获得化学配比单一、纯度高、择优取向的VO2薄膜.掺钨VO2/FTO复合薄膜中,由于钨以W6+和替换V的方式存在,掺钨没有改变VO2薄膜的取向,而是有效地降低了薄膜的相变温度,更接近于室温(约为35?C),热滞回线宽度收窄到4?C左右,相变前后的红外透过率变化量达到28%,进一步改善了VO2/FTO复合薄膜的红外开关特性.SEM 分析表明,掺钨VO2/FTO复合薄膜相比未掺杂的VO2/FTO复合薄膜,结晶度明显提高,薄膜致密,一致性好,适合于大面积薄膜的制备.由于FTO薄膜的导电特性和良好的导热特性,在FTO上成功地沉积接近室温相变特性的W掺杂VO2薄膜对光电薄膜器件的设计与开发具有较大的应用价值.
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Preparation of W-doped VO2/FTO composite thin ?lms by DC magnetron sputtering and
characterization analyses of the?lms?
Tong Guo-Xiang1)2)Li Yi1)2)?Wang Feng1)Huang Yi-Ze1)Fang Bao-Ying1) Wang Xiao-Hua1)3)Zhu Hui-Qun1)Liang Qian1)Yan Meng1)Qin Yuan1)
Ding Jie1)Chen Shao-Juan1)Chen Jian-Kun1)
Zheng Hong-Zhu1)Yuan Wen-Rui1)
1)(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China)
2)(Shanghai Key Laboratory of Modern Optical Systems,Shanghai200093,China)
3)(Department of Computer and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)
(Received9June2013;revised manuscript received4July2013)
Abstract
In order to obtain low phase transition temperature and superior thermochromic optical material,W-doped VO2/FTO composite thin?lms are prepared by depositing metallic vanadium on FTO(F:SnO2)conductive glass substrate in argon atmosphere at room temperature and then annealed in air ambient.XPS,XRD and SEM are used for analyzing the structures and surface morphologies of the?lms.The results indicate that no mixed oxides of V,W and F are produced during high-temperature thermal oxidation.W is doped by replacing V https://www.360docs.net/doc/c89092093.html,pared with the pure VO2/FTO composite thin?lm prepared using the same process,the crystal orientation of W-doped VO2thin?lm is not changed and still retains preferred crystal orientation in the(110)direction.The phase transition temperature drops down to about35?C,and the thermal hysteresis loop narrows to4?C.The variation of IR transmittance between the high temperature and the low temperature reaches28%.SEM results show that the crystallinity of the thin?lm is improved signi?cantly,showing smooth,compact and uniform surface morphology.This brings about many new opportunities for optoelectronic devices and industrial production.
Keywords:W-doped,VO2,FTO conductive glass,magnetron sputtering
PACS:81.05.?t,42.70.?a,68.55.?a,74.62.Dh DOI:10.7498/aps.62.208102 *Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2006AA03Z348),the Foundation for Key
Program of Ministry of Education China(Grant No.207033),the Key Science and Technology Research Project of Shanghai Committee,China(Grant No.10ZZ94),the Shanghai Leading Academic Discipline Project,China(Grant No.S30502),the Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission,China(Grant No.12YZ094),the Shanghai Talent Leading Plan,China,and the State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks,China.
?Corresponding author.E-mail:liyi@https://www.360docs.net/doc/c89092093.html,
磁控溅射镀膜原理和工艺设计
磁控溅射镀膜原理及工艺 摘要：真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术，在现实生产生活中有着广泛的应用。真空镀膜技术有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。这里主要讲一下由溅射镀 膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。 关键词：溅射；溅射变量；工作气压；沉积率。 绪论 溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用二极溅射设备如右图。 通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定在阴 极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶一定距 离。系统抽至高真空后充入（10～1）帕的气体（通 常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极 间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作 用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶 面逸出的靶原子称为溅射原子，其能量在1至几十 电子伏范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。 其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的 成就之一。它以溅射率高、基片温升低、膜-基结 合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点， 成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透 明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均 匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方 案。 1磁控溅射原理 溅射属于PDV（物理气相沉积）三种基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）中的一种。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区
磁控溅射法制备薄膜材料综述
磁控溅射法制备薄膜材料综述 摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。 关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响 Brief Introduction to Thin Films by Magnetron Sputtering Abstract: The thickness of thin films is from the nano to the micron level.With its size effect, the films are widely used in the defense, telecommunication, aviation, aerospace, electronics and other fields.It can be prepared by many ways,of which the sputtering is used mostly.And magnetron sputtering is popular.The principle and characteristics of magnetron sputtering, and how substrate temperature, sputtering power, sputtering pressure and sputtering time influence the the properties of the films during the preparing process are introduced in this paper. Key Words: magnetron sputtering; principles; conditions; lnfluence 1 引言 薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微 米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广 泛应用。薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类[1]。物理方法主要包 括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积 （CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。 溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂 量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。溅射法根据激发溅射离子和沉积 薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两 种。本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。 2 磁控溅射法 2.1磁控溅射基本原理
关于磁控溅射发展历程的综述
磁控溅射 1852年，格洛夫（grove）发现阴极溅射现象，自此以后溅射技术就开始建立起来了！磁控溅射沉积技术制取薄膜是上世纪三四十年代发展起来的，由于当时的溅射技术刚刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在1pa以上，因此溅射镀膜技术一度在产业话的竞争中处于劣势。1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置。1974年，j.chapin发现了平衡磁控溅射。这些新兴发展起来的技术使得高速、低温溅射成为现实，磁控溅射更加快速地发展起来了，如今它已经成为在工业上进行广泛的沉积覆层的重要技术，磁控技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要的影响。 磁控溅射的发展历程： 溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面生长成薄膜。 溅射沉积技术的发展历程中有几个具有重要意义的技术创新应用，现在归结如下： （1）二级溅射： 二级溅射是所有溅射沉积技术的基础，它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究，由于该方法要求工作气压高（>1pa）、基体温升高和沉积速率低等缺点限制了它在生产中的应用。 （2）传统磁控溅射（也叫平衡磁控溅射）： 平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点，使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点，它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密，使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀膜。 （3）非平衡磁控溅射： B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”，它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷，适用于大面积镀膜。并且在上世纪90年代前期，在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统（CFUBMS），采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束，使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。 （4）脉冲磁控溅射： 由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜（尤其是氧化物薄膜）时，经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来，随着脉冲中频电源的研发成功，使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶；利用中频电源，采用中频对靶或者孪生靶，进行中频磁控溅射，有效地解决了靶中毒严重的现象，特别是在溅射绝缘材料的靶时，克服了溅射过程中，阳极消失的现象。 （5）磁控溅射技术新型应用： 磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上，再根据应用的需要，对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。
磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展-郭聪
磁控溅射制膜技术的原理及应用和发展 郭聪 （黄石理工学院机电工程学院黄石 435000） 摘要：磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。探讨了磁控溅射技术在非平衡磁场溅射、脉冲磁控溅射等方面的进步，说明利用新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等，并进一步取代电镀等传统表面处理技术。阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。 关键词：非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射薄膜制备工艺应用 中图分类号：O484.1 0 前言 薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、锗、绝缘体玻璃、陶瓷等。从导电性考虑，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料；从化学组成来考虑，可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。制备薄膜的方法有很多，归纳起来有如下几种：1）气相方法制模，包括化学气相淀积（CVD）,如热、光或等离子体CVD和物理气相淀积（PVD），如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等； 2）液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等； 3）其他方法制膜，包括喷涂、涂覆、压延、印刷、挤出等。[1] 而在溅射镀膜的发展过程中，新型的磁控溅射技术能够实现薄膜的高速沉积、高纯薄膜制备、提高反应溅射沉积薄膜的质量等。辉光等离子体溅射的基本过程是负极的靶材在位于其上的辉光等离子体中的载能离子作用下，靶材原子从靶材溅射出来，然后在衬底上凝聚形成薄膜；在此过程中靶材表面同时发射二次电子，这些电子在保持等离子体稳定存在方面具有关键作用。溅射技术的出现和应用已经经历了许多阶段，最初，只是简单的二极、三极放电溅射沉积；经过30多年的发展，磁控溅射技术已经发展成为制备超硬、耐磨、低摩擦系数、耐蚀、装饰以及光学、电学等功能性薄膜的一种不可替代的方法，脉冲磁控溅射技术是该领域的另一项重大进展。利用直流反应溅射沉积致密、无缺陷绝缘薄膜尤其是陶瓷薄膜几乎难以实现，原因在于沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变。利用脉冲磁控溅射技术可以克服这些缺点，脉冲频率为中频10~200kHz，可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺，实现高速沉积高质量反应薄膜。 1 基本原理 磁控溅射(Magnetlon Sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射镀膜采用在靶材表面设置一个平行于靶表面的横向磁场，磁场由置于靶内的磁体产生。在真空室中，基材端接阳极极，靶材端接阴极，阴极靶的下面即放置着一个强力磁铁。溅射时持续通入氩气，使之作为气体放电的载体(溅射气体)，同时通入氧气，作为与被溅射出来的锌原子发生反应的反应气体。在真空室内，电子e在电场E的作用下，在加速飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子(二次电子)e。Ar+计在电场作用下加速飞向阴极靶，以高能量轰击Zn靶表面使其发生溅射，溅射出来的锌原子吸收Ar离子的动能而脱离原晶格束缚，飞往基材方向，途中与O 2 发生反应并释放部分能量，最后反应产物继续飞行最终沉积在基材表面。我们需要通过不断的实验调整工艺参数，从而 使得溅射出来的历原子能与O 2 充分反应，制得纯度较高的薄膜。另一方面，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作回旋运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在
用磁控溅射制备薄膜材料的概述
用磁控溅射制备薄膜材料的概述 1.引言 溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是一种重要的薄膜材料制备的方法。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合利用磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，以此改进溅射的工艺。磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。 2.溅射技术的发展 1852年，格洛夫(Grove)发现阴极溅射现象，从而为溅射技术的发展开创了先河。采用磁控溅射沉积技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的，但在上世纪70年代中期以前，采蒸镀的方法制取薄膜要比采用磁控溅射方法更加广泛。这是凶为当时的溅射技术140刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在lpa以上但是与溅射同时发展的蒸镀技术由于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术一度在产业化的竞争中处于劣势溅射镀膜产业化是在1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由J．Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射成为现
实，磁控溅射更加快速地发展起来。 溅射技术先后经历了二级、三级和高频溅射。二极溅射是最早采用，并且是目前最简单的基本溅射方法。二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。 然而像这种传统的溅射技术都有明显的缺点： 1）．溅射压强高、污染严重、薄膜纯度差 2）．不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，基片温升高、淀积速率低 3）．灯丝寿命低，也存在灯丝对薄膜的污染问题 3.磁控溅射的原理： 磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。具有低温、高速两大特点。 电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内： F=－q(E+v×B) 电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。 具体地说来磁控溅射系统在真空室充入0.1～1OPa压力的惰性气
实验一 真空蒸发和磁控溅射制备薄膜
实验一 真空蒸发和磁控溅射制备薄膜 姓名：许航 学号：141190093 姓名：王颖婷 学号：141190083 系别：材料科学与工程系 专业：材料物理 组号：A9 实验时间：3月16号 本实验主要介绍真空蒸发、磁控溅射两种常用而有效的制备薄膜的工艺，以便通过实际操作对典型的薄膜工艺的原理和基本操作过程有初步的了解。 一、 实验目的 1、 通过实验掌握磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的基本原理，了解磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的过程 2、 独立动手，学会利用磁控溅射、真空蒸发技术制备薄膜 3、 通过本实验对真空系统、镀膜系统以及辉光放电等物理现象有更深层次的了解 二、 实验原理 薄膜作为一种特殊形状的物质，与块状物质一样，可以是非晶态的，多晶态的和单晶态的。它既可用单质元素或化合物制作，也可用无机材料和有机材料制作。近年来随着薄膜工艺的不断进步和完善，复合薄膜和功能材料薄膜也又很大的发展，因此薄膜技术和薄膜产品已在机械、电子、光学、航天、建材、轻工等工业部门得到了广泛的应用，特别是在电子工业中占有极其重要的地位。例如光电极摄像器件、各种集成电路器件、各种显示器、太阳能电池及磁带、磁头等各种转化器、传感和记录器、电阻器、电容器等都是应用薄膜。目前，薄膜工艺不仅成为一门独立的应用技术，也是改善材料表面性能和提高某些工艺水品的重要手段。 1、 真空蒸发制备薄膜原理 真空蒸发镀膜是把待镀膜的衬底或工件置于高真空室内，通过加热使成膜材料气化（或升华）而淀积到衬底上，从而形成一层薄膜的工艺过程。 因为真空蒸发镀膜的膜层质量与真空室的真空度、膜料蒸发温度和衬底的温度都有很大的关系，因而在实验过程务必严格控制各个环节。下面讨论一下影响蒸发镀膜质量的主要因素和成膜的原理。 （1）、真空度 为了同时保证膜层的质量和生产效率及成本，通常要选择合理的真空度。在镀膜过程中，抽真空后处在同一温度下的残余气体分子相对于蒸发出的膜料分子（原子）可以视作静止，可以得到膜料分子（原子）在残余分子中运动的平均自由程： '2 1()n r r λπ=+ p n k T = n 为残余气体分子的密度，r’为残余气体分子半径，r 为蒸发膜料分子的半径，p 为残余气体的压强，k 为玻尔兹曼常数。若蒸发源到衬底的距离为L （cm ），为使得膜料分子中的大部分不与残余气体分子碰撞而直接到达衬底表面，则一般可以取平均自由程10L λ≥，这样：
磁控溅射镀膜技术的发展
第46卷第2期2009年3月 真空VACUUM Vol.46,No.2Mar.2009 收稿日期：2008-09-03 作者简介：余东海（1978-），男，广东省广州市人，博士生 联系人：王成勇，教授。 *基金项目：国家自然科学基金（50775045）；东莞市科技计划项目（20071109）。 磁控溅射镀膜技术的发展 余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤 （广东工业大学机电学院，广东 广州 510006） 摘 要：磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅 射技术与也取得了进一步的发展。 非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。 关键词：镀膜技术；磁控溅射；磁控溅射靶中图分类号：TB43 文献标识码：A 文章编号：1002-0322（2009）02-0019-07 Recent development of magnetron sputtering processes YU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian (Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China ) Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrial fields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes. Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target 溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光 放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。 溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（＜0.1Pa ）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下 也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低 气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。 磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积
磁控溅射技术的基本原理
张继成吴卫东许华唐晓红 中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳 材料导报, 2004, 18(4): 56-59 介绍磁控溅射技术的基本原理、装置及近年出现的新技术。 1 基本原理 磁控溅射技术是在普通直流(射频)溅射技术的基础上发展起来的。早期的直流(射频)溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高(2～10Pa)。为了提高成膜速率和降低工作气压，在靶材的背面加上了磁场，这就是最初的磁控溅射技术。 磁控溅射法在阴极位极区加上与电场垂直的磁场后，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨迹是一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴（阳）极，从而减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高。 2 基本装置 (1) 电源 采用直流磁控溅射时，对于制备金属薄膜没有多大的问题，但对于绝缘材料，会出现电弧放电和“微液滴溅射”现象，严重影响了系统的稳定性和膜层质量。为了解决这一问题，人们采用了射频磁控溅射技术，这样靶材和基底在射频磁控溅射过程中相当于一个电容的充放电过程，从而克服了由于电荷积累而引起的电弧放电和“微液滴溅射”现象的发生。 (2) 靶的冷却 在磁控溅射过程中，靶不断受到带电粒子的轰击，温度较高，其冷却是一个很重要的问题，一般采用水冷管间接冷却的方法。但对于传热性能较差的材料，则要在靶材与水冷系统的连接上多加考虑，同时需要考虑不同材料的热膨胀系数的差异，这对于复合靶尤为重要（可能会破裂损坏）。 (3) 磁短路现象 利用磁控溅射技术溅射高导磁率的材料时，磁力线会直接通过靶的内部，发生刺短路现象，从而使磁控放电难以进行，这时需要在装置的某些部分做些改动以产生空间凝
实验磁控溅射法制备薄膜材料
实验磁控溅射法制备薄 膜材料 GE GROUP system office room 【GEIHUA16H-GEIHUA GEIHUA8Q8-
实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉
光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流 气体放电体系，在阴阳两极之间 由电动势为的直流电源提供电压 和电流，并以电阻作为限流电 阻。在电路中，各参数之间应满 足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。
磁控溅射镀膜技术的发展_余东海
第46卷第2期2009年3月 真 空 VACUUM Vol.46,No.2Mar.2009 收稿日期：2008-09-03 作者简介：余东海（1978-），男，广东省广州市人，博士生 联系人：王成勇，教授。 *基金项目：国家自然科学基金（50775045）；东莞市科技计划项目（20071109）。 磁控溅射镀膜技术的发展 余东海，王成勇，成晓玲，宋月贤 （广东工业大学机电学院，广东 广州 510006） 摘 要：磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅 射技术与也取得了进一步的发展。 非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。 关键词：镀膜技术；磁控溅射；磁控溅射靶中图分类号：TB43 文献标识码：A 文章编号：1002-0322（2009）02-0019-07 Recent development of magnetron sputtering processes YU Dong-hai,WANG Cheng-yong,CHENG Xiao-ling,SONG Yue-xian (Guangdong Universily of Technology,Guangzhou 510006,China ) Abstract:Magnetron sputtering processes have been widely appleed to thin film deposition nowadays in various industrial fields due to its outstanding advantages,and the technology itself is progressing further.The unbalanced magnetron sputtering process can improve the plasma distribution in deposition chamber to make film quality better.The medium -frequency and pulsed magnetron sputtering proceses can efficiently avoid the hysteresis during reactive sputtering to eliminate target poisoning and arcing,thus improving the stability and depositing rate in preparing thin compound films.Higher utilization of target can be obtained by improved target design,and the high -speed sputtering and self -sputtering provide a new field of applications in magnetron sputtering coating processes. Key words:coating technology;magnetron sputtering;magnetron sputtering target 溅射镀膜的原理[1]是稀薄气体在异常辉光 放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，把靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。 溅射镀膜最初出现的是简单的直流二极溅射，它的优点是装置简单，但是直流二极溅射沉积速率低；为了保持自持放电，不能在低气压（＜0.1Pa ）下进行；不能溅射绝缘材料等缺点限制了其应用。在直流二极溅射装置中增加一个热阴极和辅助阳极，就构成直流三极溅射。增加的热阴极和辅助阳极产生的热电子增强了溅射气体原子的电离，这样使溅射即使在低气压下 也能进行;另外，还可降低溅射电压，使溅射在低 气压，低电压状态下进行;同时放电电流也增大，并可独立控制，不受电压影响。在热阴极的前面增加一个电极（栅网状），构成四极溅射装置，可使放电趋于稳定。但是这些装置难以获得浓度较高的等离子体区，沉积速度较低，因而未获得广泛的工业应用。 磁控溅射是由二极溅射基础上发展而来，在靶材表面建立与电场正交磁场，解决了二极溅射沉积速率低，等离子体离化率低等问题，成为目前镀膜工业主要方法之一。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积 DOI:10.13385/https://www.360docs.net/doc/c89092093.html,ki.vacuum.2009.02.026
磁控溅射与真空技术
磁控溅射与真空技术 溅射时打火放电 1、可能靶材表面脏。 在低功率下长时间空溅，把靶材表面杂志打掉。然后慢慢加大功率。 2、靶与地之间有导电颗粒，导致高压下放电打火。 3、电源柜有问题，建议调换电源柜再观察。 扩散泵的常见故障及原因 由于真空设备长期运转及其它一些因素的影响，扩散泵的性能可能会逐渐变坏，现将使用中经常出现的一些问题如述如下; 1)极限真空变低，原因： a.系统中有渗漏； b.系统太脏； c.泵油污染； d.加热功率不够； e.冷却水不足； f.过量或过冷的冷却水； g.前级压力高；检查密封性能及前级管道是否有泄漏现象； h.快冷管内有水。 2) 抽气较慢，原因： a.加热功率低； b.油量不足； c.喷帽安装位置不当或受损。
3)进口压力波动，原因： a.加热器输入功率不当； b.油脱气； c.扩散泵进口前面系统有渗漏。 4)工作腔污染大，原因： a.前级压力高； b.在高于10-1Pa压力下长期工作； c.系统操作有误。 5) 返油率过大，原因： a. 顶喷嘴帽松动，间隙过大； b. 加热功率不对； 真空系统上测量规管座位置安排应遵循如下原则 ①不能将测量规管放在密封面较多的地方。因为每一个密封面都不可能保证绝对不漏气，密封面集中之处，必然是容易漏气的地方，测量值可能不准。 ②规管内壁各处，必须保证真空卫生。否则会造成测量不准。 ③规管应尽量接在靠近被测量的地方，以减少测量误差。 扩散泵的结构示意图和工作原理 当扩散泵油被电炉加热时，产生油蒸气沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械 泵提供的真空（Pa），故油蒸气流可喷出一长段距离，构成一个向出气口方向运动 的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器，即靠油的蒸发喷射凝结重复循环来实现抽气。由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸气流中便获得向下运动的动量向下飞去。由于射流具有高流速（约200m/s），高的蒸气密度，且扩散泵油分子量大（300～500），故能有效地带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走。
磁控溅射制备铝薄膜毕业论文
磁控溅射制备铝薄膜毕业论文 目录 第1章绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.1.2 薄膜研究的发展概况 (1) 1.1.3 薄膜的制备方法 (4) 1.1.4 薄膜的特征 (5) 1.1.5 薄膜的应用 (7) 第2章射频反应磁控溅射制备方法机理分析 (8) 2.1 射频反应磁控溅射法原理 (8) 2.1.1 直流辉光放电 (8) 2.1.2 射频辉光放电 (9) 2.1.3 射频原理 (9) 2.1.4 磁控原理 (11) 2.1.5 反应原理 (12) 2.2. 溅射机理 (13) 2.2.1 基本原理 (13) 2.2.2 基本装置 (13) 2.3 溅射的特点和应用 (15) 2.3.1 溅射的特点 (15) 2.3.2 溅射的应用 (16) 第3章实验 (17) 3.1 课题的研究线路 (17) 3.2 实验材料以及设备 (17) 3.3 实验仪器的原理 (18) 3.3.1 磁控溅射镀膜仪的原理 (18) 3.3.2 椭圆偏振测厚仪的原理 (19) 3.3.3 原子力显微镜的原理 (23) 3.3.4 表面预处理 (27) 3.3.5 薄膜制备 (28) 第4章实验结果及数据分析 (30) 4.1 薄膜测试与分析 (30) 4.1.1 衬底温度对于铝薄膜属性的影响 (30) 4.1.2 衬底温度对于铝薄膜生长的影响 (31)
4.1.3 不同的气压对于铝薄膜生长的影响 (34) 结论 (40) 致 (41) 参考文献 (42) 附录X 译文 (43) 利用CO/SiC衬底上制备单层石墨薄膜 (43) 附录Y 外文原文 (48)
第一章绪论 1.1 薄膜概述 1．1．1 引言 人工薄膜的出现是20世纪材料科学发展的重要标志。自70年代以来，薄膜材料、薄膜科学、与薄膜技术一直是高新技术研究中最活跃的研究领域之一，并已取得了突飞猛进的发展。薄膜材料与薄膜技术属于交叉学科，其发展几乎涉及所有的前沿学科，其应用与推广渗透到了各相关技术领域。正是由于薄膜材料和薄膜技术的发展才极促进了微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息技术、传感器技术、航空航天技术和激光技术的发展，也为能源、机械、交通等工业部门和现代军事国防部门提供了一大批高新技术材料和器件。 薄膜是不同于其它物质(气态、液态、固态和等离子态)的一种新的凝聚态，有人称之为物质的第五态。顾名思义，薄膜就是薄层材料。它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面的气体薄层；也可理解为液态薄膜，如附着在液体和固体表面的油膜。我们这里所指的薄膜是固体薄膜，即使是固体薄膜，也可分为薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里所指的薄膜属于后者[1]。 薄膜的基底材料有绝缘体，如玻璃、瓷等；也有半导体，如硅、锗等；也各种金属材料。薄膜材料也可以是各种各样的，如从导电性来分，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体。从结构上来分，它可以是单晶、多晶、非晶(无定形)、微晶或超晶格的。从化学组成上来看，它可以是单质，也可以是化合物，它可阻是无机材料，也可以是有机材料。 1．1．2 薄膜研究的发展概况 薄膜科学是由多个学科交叉、综合、以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科，以“表面”及“界面”为研究核心，在有关学科的基础上，应用表面技术及其复合表面技术为特点，逐步形成了与其他学科密切相关的薄膜科
高真空磁控溅射镀膜系统介绍
高真空磁控溅射镀膜系统介绍 1.设备简介 ●名称：高真空磁控溅射镀膜系统 ●型号：JGP560 ●极限真空：6.60E-05 Pa ●最高可控可调温度：500℃（1个样品位） ●3个靶位，8个样品位 2.真空简介 ●真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。在“真空” 中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。 事实上，在真空技术里，真空系针对大气而言，一特定空间内部之部份 物质被排出，使其压强小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空 或真空状态。1真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单 位。目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。 ●我国真空区域划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空。 ●高真空的获得 油扩散泵的结构
●真空镀膜 ●真空镀膜实质上是在高真空状态下利用物理方法在镀件的表面 镀上一层薄膜的技术，它是一种物理现象。 ●真空镀膜按其方式不同可分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和现 代发展起来的离子镀膜。 3.磁控溅射镀膜原理介绍 ●磁控溅射法是一种较为常用的物理沉积法。磁控溅射是在真空室中，利
用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并利用环状磁场控制辉光放电，使溅射出的粒子沉积在基片上。磁控溅射可以方便地制取高熔点物质的薄膜，在很大面积上可以制取均匀的膜层。 ●磁控溅射工艺流程 在镀膜过程中，工艺的选择对薄膜的性能具有重要的影响，根据磁控溅射技术原理，结合设备的实际应用，制定工艺流程如图1 ●膜层的要求 磁控溅射膜层的沉积是物理气相沉积。膜层厚度范围为nm～μm数量级，膜厚＜550nm，对光有干涉作用，属于薄膜范畴，通常称薄膜技术。 太阳能集热管内管外壁镀膜是采用属于物理气相沉积技术的磁控溅射镀获得太阳光谱选择吸收薄膜。 ●磁控溅射镀 磁控溅射镀特点 溅射速率高，沉积速率高 磁控溅射阴极源是一个较为理想的可控源，沉积的膜层厚度与溅射源的功率或放电电流有较好的线性相关性，所以有较好的可控性， 能较好地实现批量生产产品的一致性和重复性。 溅射源采用靶材有广泛的选择性和组合性 溅射源可较理想地置于真空室内长时间稳定工作，获得纯正的膜层，确保膜层质量。
实验 磁控溅射法制备薄膜材料
实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流气 体放电体系，在阴阳两极之间由电 动势为的直流电源提供电压和电 流，并以电阻作为限流电阻。在电 路中，各参数之间应满足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持 一定，并逐渐提高两个电极之间的 电压。在开始时，电极之间几乎没 有电流通过，因为这时气体原子大 多仍处于中性状态，只有极少量的 电离粒子在电场的作用下做定向运 动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。
图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。 在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电。 在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象。这时，气体开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时，电路中的电流大幅度增加，同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿，因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显着下降，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。 电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时，辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后，在放电电流继续增加的同时，放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。 2. 磁控溅射： 平面磁控溅射靶采用静止电磁场，磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV)。时，则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速
实验磁控溅射法制备薄膜材料
实验磁控溅射法制备薄膜 材料 The final edition was revised on December 14th, 2020.
实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流气 体放电体系，在阴阳两极之间由电 动势为的直流电源提供电压和电 流，并以电阻作为限流电阻。在电 路中，各参数之间应满足下述关 系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保 持一定，并逐渐提高两个电极之间 的电压。在开始时，电极之间几乎 没有电流通过，因为这时气体原子 大多仍处于中性状态，只有极少量 的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过