磁控溅射技术和透明导电薄膜讲义教材
《磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜及其性能研究》
《磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜及其性能研究》一、引言透明导电氧化物薄膜作为一种重要的功能材料，在光电、电磁、热学等领域具有广泛的应用。
近年来，随着科技的发展，透明导电氧化物薄膜的制备技术也在不断进步。
其中，磁控溅射法因其制备工艺简单、薄膜质量高、可重复性好等优点，成为制备透明导电氧化物薄膜的常用方法之一。
本文将详细介绍磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜的过程，并对其性能进行研究。
二、磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜2.1 实验材料与设备实验材料主要包括靶材（如氧化锡、氧化铟等）、基底（如玻璃、石英等）以及氩气等。
实验设备为磁控溅射镀膜机，该设备具有高真空度、高溅射速率、低损伤等特点。
2.2 制备过程（1）将基底清洗干净，放入磁控溅射镀膜机中；（2）将靶材安装在磁控溅射镀膜机的靶材托盘上；（3）将氩气通入磁控溅射镀膜机内，调整气压至合适范围；（4）开启磁控溅射镀膜机的电源，调节溅射功率和溅射时间；（5）当靶材表面开始发生溅射现象时，基底上的透明导电氧化物薄膜开始沉积；（6）在设定的时间结束后，关闭电源，停止溅射。
2.3 工艺参数优化在实验过程中，可以通过调整磁控溅射镀膜机的工艺参数（如溅射功率、溅射时间、工作气压等），来优化透明导电氧化物薄膜的制备过程。
在实验过程中，需要控制好各参数的配合关系，以获得最佳的薄膜质量和性能。
三、性能研究3.1 结构性能研究通过X射线衍射（XRD）技术对制备的透明导电氧化物薄膜进行结构分析。
通过XRD图谱可以确定薄膜的晶体结构、晶格常数等参数。
此外，还可以利用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌，分析薄膜的致密性和颗粒大小。
3.2 电学性能研究通过四探针法测量透明导电氧化物薄膜的电阻率、方块电阻等电学性能参数。
同时，还可以通过霍尔效应测试等方法研究薄膜的载流子浓度、迁移率等电学性质。
通过这些研究，可以评估薄膜的导电性能及其在器件中的应用潜力。
3.3 光学性能研究通过紫外-可见光分光光度计（UV-Vis）测量透明导电氧化物薄膜的光学性能参数，如透光率、反射率等。
直流磁控溅射制备ZAO透明导电薄膜及性能研究
Ｚ ＡＯ薄 膜具 有很 好 的可 见光 透 过性 ， 其 可 见 光透 射 率
在 ９ ０ 左 右 。同时 ， Ｚ ＡＯ 薄 膜 还 是 很 好 的 发 光 材
料 ］ ， 调 节材 料结 构可 发 出不 同波 长 的光 ， 以满 足不 同
领域 光 电器 件 的 需 求 。Ｚ ｎ Ｏ ：ＡＩ（ Ｚ Ａｏ） 更 是 被认 为 迄今 为 止最佳 Ｉ Ｔ Ｏ 薄 膜替代 品 。二 者 相 比 而言 ， Ｚ ＡＯ 薄膜 不仅 具有 与 Ｉ ＴＯ 可 比拟 的 电学 和光 学 特 性 ， 而 且 有储 量 丰富 、 易 于 制造 、 成 本 较低 、 无毒、 稳定性好 （ 特 别是 在 氢等 离 子体 中 ） 等 优 点口 ］ ， 使 其 在 太 阳 能 电池 、
１ 引 言
Ｚ ｎ Ｏ 及其 掺 杂 体 系 的 薄 膜 研 究 是 近 年 来 研 究 的 热点 ， 向Ｚ ｎ Ｏ 中掺入 的 Ａ１ 替位 Ｚ ｎ后就 产生 了一个 多 余 的价 电子 ， 因 此 掺 杂 Ａｌ 元 素 的结 果 是 增 加 了 净 电 子， 使Ｚ ＡＯ薄膜 具 有很 好 的导 电性 ＿ １ ］ 。此 外 ， Ｚ ＡＯ 薄 膜因其禁带宽度较 宽， 吸 收短 波 限 小 于 可 见 光 ， 使 得
数， 在普 通玻 璃衬 底上 制 备 了 Ｚ ｎ Ｏ： Ａ１ （ Ｚ Ａ０） 透 明导
百分 比 ２ Ｏ ， 退 火温度 ４ ０ ０ ℃， 获得 薄膜 样 品 最低 方 块 电阻 １ １ Ｑ ／ 口， 薄膜 具 有 最 好 的发 光 性 能 ， 适 合 作 为 薄
膜 太 阳电池 的透 明导 电 电极 。
的 晶体 结构 、 表 面形貌 、 光 电性 能进 行表 征 分 析 。通过
正 交分析 法得 出直流 磁 控 溅 射 法 制备 ｚ ＡＯ 薄 膜 的 最
磁控溅射技术及其应用PPT课件
基于 TiO2光催化作用的自清洁玻璃亦将成为一个巨大的新兴产业。玻璃表 面所镀的TiO2膜或其他半导体膜还能分解空气中的有机物，以净化空气，且 催化空气中的氧气使之变为负氧离子，从而使空气变得清新，同时能杀灭玻 璃表面的细菌和空气中的细菌。
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·
谢谢聆听
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• 打弧：当靶材表面化合物层电位足够高时，进而发生击穿，巨大的电流 流过击穿点，形成弧光放电，导致局部靶面瞬间被加热到很高的温度， 发生喷射出现“打弧”现象。
• 靶中毒和打弧导致了溅射沉积的不稳定，缩短了靶材的使用寿命！ • 解决办法：最为有效解决直流反应溅射靶中毒和打弧问题的方式是改变
溅射电源，如采用射频，中频脉冲电源。
• 随着工业薄膜制备的需求和表面技术的发展，新型磁控溅射技术 如高速溅射、自溅射等成为目前磁控溅射领域新的发展趋势。
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二、磁控溅射镀膜技术原理
1、直流二级溅射
• 直流二级溅射镀膜就是利用低 气压辉光放电产生的氩气正离 子在电场作用下高速轰击阴极 靶材,把靶材中的原子或分子 等粒子溅射出而沉积到基片或 者工件表面,形成所需的薄膜 层。但是溅射镀膜过程中溅射 出的粒子的能量很低,导致成 膜速率不高。
提高溅射的效率和沉积速率 •缺 点 ： 不 适 用 于 较 大 的 工 件 和 装 炉 量
易生成多孔粗糙柱状结构薄膜
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三、磁控溅射镀膜技术发展
2、非平衡磁控溅射技术
•非 平 衡 磁 控 溅 射 技 术 部 分 解 决 了 平 衡 磁控溅射的不足,使阳极基片沉浸在等 离子体中,减少了粒子移动的距离。 •“ 非 平 衡 ” 是 对 溅 射 靶 表 面 磁 场 分 布 而言，有两种结构，一种是边缘强一种 是中部强。这样溅射出来的原子和粒子 沉积在基体表面形成薄膜，且等离子体 以一定的能量轰击基体，起到辅助沉积 的作用，大大地改善了膜层的质量
磁控溅射镀膜原理及工艺PPT学习教案
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。
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膜材料、功率、阴极的数量以及膜层的种类的
不同，通常的运行范围是每分钟90 ~ 400（大
约为2.286
~
10.16
米）英寸之间。 第17页/共44页
2.1.5 距离与速度及附着力
为了得到最大的沉积速率并提高膜层的附着 力，在保证不会破坏辉光放电自身的前提下， 基片应当尽可能放置在离阴极最近的地方。溅 射粒子和气体分子（及离子）的平均自由程也 会在其中发挥作用。当增加基片与阴极之间的 距离，碰撞的几率也会增加，这样溅射粒子到 达基片时所具有的能力就会减少。所以，为了 得到最大的沉积速率和最好的附着力，基片必 须尽可能地放置在靠近阴极的位置上。
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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。
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2.1.4 传动速度
玻璃基片在阴极下的移动是通过传动来进行
的。低传动速度使玻璃在阴极范围内经过的时
间更长，这样就可以沉积出更厚的膜层。不过，
为了保证膜层的均匀性，传动速度必须保持恒
《磁控溅射镀膜技术》课件
基本步骤和流程
沉积过程的影响。
3
溅射沉积
4
开启磁控溅射系统，控制溅射功率、 溅射时间和沉积速率。
准备工作
清洗基板，装载靶材和目标材料。
预处理
通过表面处理方法优化基板表面，提 高沉积质量。
优势和特点
1 高沉积速率
2 良好的附着力
磁控溅射镀膜技术
磁控溅射镀膜技术是一种高效、精确的薄膜沉积技术，利用磁场和离子束将 材料蒸发并沉积到基板上。
定义和原理
磁控溅射镀膜利用磁场产生的影响力将靶材表面的原子或分子击出，并通过离子束进行沉积。它基于磁 控电子密云的原理。
1 磁场作用
通过磁场控制离子束的 运动，实现靶材表面原 子的击出。
2 离子束沉积
提高沉积效率、减少材料浪费和能耗。
总结和展望
磁控溅射镀膜技术是一项极为重要的薄膜制备技术，具有广泛的应用前景和发展空间。持续的科技创新 将进一步推动其发展。
基板
用于接收沉积的薄膜，可以是 玻璃、硅基片等。
发展现状和趋势
磁控溅射镀膜技术在各个领域得到广泛应用，随着纳米科技的发展，其在导电膜、光学薄膜等方 面仍有进一步发展的潜力。
1 纳米制备
应用纳米材料和纳米结构进行高性能薄膜制备。
2 多功能薄膜
开发具备多种功能的复合薄膜，如防反射、传感等。
3 绿色环保
离子束具有高速度和高 能量，可实现高效的薄 膜沉积。
3 磁控电子密云
通过磁场调节电子密云， 优化离子束的特性和运 动。
应用领域
光学薄膜
用于制备反射镜、透镜等光学元件，提高光 学系统性能。
防护涂层
用于制备防腐、抗磨损等涂层，延长材料寿 命。
《磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜及其性能研究》
《磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜及其性能研究》一、引言透明导电氧化物（TCO）薄膜作为一种具有优异光学性能和电学性能的材料，广泛应用于光电显示、太阳能电池等领域。
随着科技的发展，对TCO薄膜的性能要求日益提高，制备工艺的优化和性能研究显得尤为重要。
磁控溅射法作为一种常用的制备TCO薄膜的方法，具有制备工艺简单、薄膜质量高等优点。
本文将详细介绍磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜的工艺流程、实验方法及薄膜性能的研究。
二、磁控溅射法制备透明导电氧化物薄膜1. 实验材料与设备实验材料主要包括靶材（如氧化锡（SnO2）或氧化铟（In2O3）等）、基底（如玻璃或石英等）、溅射气体（如氩气等）。
实验设备主要包括磁控溅射镀膜机、真空泵等。
2. 实验方法（1）基底处理：将基底清洗干净，并进行预处理，以提高薄膜与基底的附着力。
（2）靶材制备：将靶材固定在磁控溅射镀膜机的靶位上。
（3）真空环境：将镀膜机腔体抽至高真空状态，以去除腔体内的杂质和气体。
（4）溅射镀膜：在磁控溅射镀膜机中，通过调节溅射功率、气体流量、基底温度等参数，实现TCO薄膜的制备。
三、薄膜性能研究1. 光学性能通过紫外-可见光谱仪测试TCO薄膜的透光率，分析薄膜的光学带隙、光学常数等性能。
同时，还可以通过SEM（扫描电子显微镜）观察薄膜的表面形貌，分析薄膜的光散射性能。
2. 电学性能采用四探针法或霍尔效应测试仪等设备测试TCO薄膜的电阻率、载流子浓度和迁移率等电学性能参数。
通过分析这些参数，可以评估TCO薄膜的导电性能和稳定性。
四、结果与讨论1. 实验结果通过磁控溅射法制备的TCO薄膜具有较高的透光率和较低的电阻率，满足光电显示、太阳能电池等领域的应用需求。
此外，薄膜的表面形貌良好，光散射性能较低。
在实验过程中，通过调整溅射功率、气体流量、基底温度等参数，可以实现对TCO薄膜性能的优化。
2. 结果讨论（1）溅射功率对TCO薄膜性能的影响：随着溅射功率的增加，薄膜的结晶性和致密度提高，从而提高了薄膜的透光率和导电性能。
《磁控溅射工艺简介》课件
与旋涂法、喷涂法等技术相比，薄膜质量更均匀、富于粘附力
3 制备材料种类广泛
可以沉积多种单金属材料、合金材料、复合材料
磁控溅射工艺设备和材料
1
靶材
靶材的物理性质是影响溅射沉积物及制备薄膜质量的主要因素
2
溅射设备
常见的溅射设备有平板型、同轴型、磁控隔离型、真空电弧离子镀等
3
衬底
影响沉积物与衬底之间的结合力，应匹配靶材和涂料。
磁控溅射工艺的工艺流程来自前处理沉积过程表面清洗和处理，消除表面缺陷。
喷射气体来形成气体击穿，形成 高能粒子撞击靶材表面所产生的 离子，将靶材材料沉积于衬底上
后处理
包括退火、薄膜表面处理、测厚 回火硬化等。
磁控溅射工艺的发展前景
工艺创新
磁控溅射正在不断被改进，通过改变靶材材料、改 变沉积时间以及扩大系统的尺寸，工艺将日益得到 完善和成熟。
新材料制备挑战
难以制备的材料，如功能性陶瓷、石墨烯等，成为 新的探索方向和研究热点，磁控溅射将在材料制备 技术中继续发挥重要作用。
磁控溅射工艺的应用领域
微电子领域
微电子元器件、TFT-LCD中的透明电极、光存储 器芯片存储材料
太阳能电池领域
提高太阳能电池转换效率的反射膜
表面工程领域
镀膜、切削刀具镀层、防护涂料
生物医学领域
医用材料表面涂层，如人工心脏瓣膜
磁控溅射工艺的优点
1 制备工艺简单
工艺流程简单、设备负荷小、较易实现工业生产
磁控溅射工艺简介
磁控溅射是一种全球广泛应用的薄膜制备技术，它通过高能离子轰击靶材表 面，使原子或离子从靶材表面剥离并沉积在制备基材上，达到薄膜沉积的目 的。
磁控溅射工艺的原理和特点
磁控溅射原理详细介绍课件
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控制系统
用于控制溅射过程， 包括真空度、电流、 电压等参数的监测和 控制。
磁控溅射的工作原理
气体放电
在真空室内，通过施加 高压电场，使气体产生 电离，产生等离子体。
粒子轰击
等离子体中的离子在电 场作用下加速飞向阴极 靶材，对靶材表面进行
轰击。
溅射
轰击导致靶材表面原子 或分子从表面射出，形
成溅射粒子。
沉积
溅射粒子在基片上沉积 形成薄膜。
磁控溅射的优缺点
高沉积速率
由于高密度的等离子体，使得溅射速 率较高。
低温沉积
可在较低的温度下实现沉积，适用于 某些热敏材料。
磁控溅射的优缺点
• 广泛的应用范围：可应用于金属、非金属、化合物等多种 材料的沉积。
磁控溅射的优缺点
需要高真空环境
需要建立高真空环境，增加了设备成本和运行成本。
特性
高沉积速率、低基材温度、高附着力、大面积成膜等。
磁控溅射的物理过程
气体放电
在阴极和阳极之间施加高压直 流电或射频电场，使气体产生 电离产生等离子体。
靶材溅射
高速离子轰击靶材表面，将靶 材原子从表面溅射出来。
真空环境建立
通过机械泵和分子泵等设备将 真空室内气压降低到10^-5Pa 以下。
磁场控制电子运动
工作气体
选择适当的工作气体，如氩气、氮气等，以 获得所需的薄膜性能。
薄膜结构与性能表征
成分分析
通过光谱分析技术确定薄膜的元素组 成。
晶体结构
采用X射线衍射技术分析薄膜的晶体 结构。
表面形貌
通过扫描电子显微镜视察薄膜的表面 形貌。
物理性能
测量薄膜的硬度、弹性模量、热导率 等物理性能。
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电子在正交电磁场中的运动
2020/8/6
磁控溅射靶材结构图
2020/8/6
磁控溅射仪器结构图
2020/8/6
磁控溅射仪器外观
2020/8/6
大型多弧离子/磁控溅射镀膜机。可在较 大体积的工件表面镀制厚度均匀的金属 、合金、氧化物、氮化物、碳化物、硼 化物等防腐、耐磨、导电透明等多种功 能薄膜。
2020/8/6
透明导电薄膜种类
• 氧化铟锡（ITO） • 掺铝氧化锌（ZAO） • 多层结构：
ITO/Ag/ITO、TiO2/Ag/TiO2、ITO/ZnO、 SiO2/ITO
2020/8/6
ITO薄膜电学性能
• 电阻率 7×10-5~10-4Ω•cm 与金属铅导电能力接近。
2020/8/6
ITO薄膜光学性能
2020/8/6
其他性能
• 反射红外线（热镜） • 反射电磁波（>80%） • 吸收紫外线
2020/8/6
透明导电薄膜的应用
• 液晶显示器（LCD）
2020/8/6
• 触摸屏
2020/8/6
• 太阳能电池
2020/8/6
• 除霜防雾
2020/8/6
ห้องสมุดไป่ตู้ 保温、隔热
2020/8/6
2020/8/6
2020/8/6
磁控溅射技术的优点
• 薄膜与基底的结合力强。 • 镀膜均匀，可镀大面积薄膜。 • 镀膜种类丰富：各种金属(合金)薄膜
各种金属氧化物、碳化物、氮化物、硼 化物等薄膜 其它(如类金刚石薄膜等) 基底种类丰富：金属、玻璃、陶瓷、 有机玻璃(薄膜)等
2020/8/6
透明导电薄膜
• 厚度：几十～几百纳米 • 透明性：与玻璃接近 • 导电性：与金属接近
2020/8/6
• 薄膜的种类及应用 • 磁控溅射技术原理及应用 • 透明导电薄膜性能及应用
2020/8/6
• 薄膜： 在固体表面上镀上一层于基体材料不同
的薄层材料。 • 厚度通常在几微米以下。
2020/8/6
电学薄膜
2020/8/6
光学薄膜
2020/8/6
机械薄膜
2020/8/6
装饰薄膜
• 电磁屏蔽
2020/8/6
• 军事领域： 雷达隐身
2020/8/6
透明导电薄膜发展前景
• 材料的选择：开发新材料 • 应用：拓展新领域
2020/8/6
谢谢！
2020/8/6
2020/8/6
薄膜的制备手段
• 气相法： 化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积（PVD）——热蒸发 溅射 离子镀 分子束外延
• 液相法：化学镀、电镀、浸渍镀等。 • 其他方法：喷涂、涂敷等。
2020/8/6
溅射原理
2020/8/6
溅射示意图
2020/8/6
成膜示意图
2020/8/6
薄膜的生长