磁控溅射法制备ZnO薄膜的研究
何五九
佳木斯大学材料科学与工程学院黑龙江省佳木斯市 154007 摘要：采用直流反应磁控溅射的方法，通过改变溅射功率、改变工作压强、改变衬底温度以及退火处理等方法，在玻璃衬底上制备ZnO薄膜，衬底上预先渡有透明的ITO导电薄膜，因此制备的样品可以直接作为阳极荧光屏用于场发射平板显示器。通过X射线衍射法、扫描电镜及原子力显微镜对样品的结构、形貌特性进行了测试，利用场发射、荧光光谱仪对样品的阴极射线发光特性和光致发光进行了测试和分析。研究了ZnO薄膜的结构状况、成分、点缺陷浓度等因素与其发光特性之间的关系，找到制备较好薄膜的实验条件，实验表明，在溅射功率为150W、工作压强为4Pa、衬底温度为250度及进行退火处理的条件下，生成的薄膜颗粒比较大、比较致密、平整度较好，即容易生成结晶质量比较好的薄膜，而高的结晶质量和一致的c轴取向性观察到有好的紫外光及蓝绿光发射，薄膜对光的透过率一般在80%以上，是比较好的透明薄膜。同时，在上述较好的实验条件下，分别以N2、NH3作为掺杂剂，对氧化锌进行p型掺杂，结果发现在用NH3为掺杂剂时，有氮元素的掺入但不稳定。对于稀磁性半导体材料的研究，基于氧化锌的研究比较少，尝试了掺钒氧化锌薄膜的制备，结果表明钒元素成功的被掺入氧化锌薄膜，但其磁性的研究需要进一步探索。
关键词：氧化锌、磁控溅射、场发射平板显示、光致发光、掺杂、稀磁性
Magnetron sputtering of ZnO thin
films prepared by the research
HEWujiu
Jiamusi university school of materials science and engineering Jiamusi in HeiLongjiang
province.154007
Abstract: using dc reactive magnetron sputtering method, by changing the sputtering power, changing the pressure of work, change the substrate temperature and annealing treatment methods, such as the preparation of ZnO thin films on glass substrate, substrate in advance crossing the ITO transparent conductive films, so the preparation of the sample can be directly used as anode screen in field emission flat panel display. By X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (sem) and atomic force microscope structure, the morphology characteristics of samples were tested, using field emission and fluorescence spectrometer cathode ray emitting characteristics of samples and light luminescence were tested and analyzed. Studied the condition of ZnO thin film structure, composition and the concentration of point defects and their luminescence properties, the relationship between the preparation to find a better film experimental conditions, the experimental results show that the sputtering power is 150 w, work
pressure is 4 pa, the substrate temperature is 250 degrees and annealing processing conditions, the generated film particles is larger, more dense, flatness is better, that is easy to generate the crystal quality of a good film, and the crystallization of high quality and consistent c axis orientation is observed to have good ultraviolet light and blue green light emission, film light transmittance is in commonly 80%, is a better transparent film. At the same time, in the better experimental conditions, respectively with N2, NH3 as dopant, to p-type doped zno, found that when using NH3 as the doping agent, nitrogen doped but not stable. For dilute magnetic semiconductor materials research, based on the research of zinc oxide is less, try the vanadium doped ZnOthin film preparation, the results show that the success of vanadium element was doped zno thin film, but its magnetic studies need further exploration.
Keywords:zinc oxide, magnetron sputtering, field emission display, photoluminescence, doping, dilute magnetic
目录
一、引言
1.1、显示技术及其发展
1.2、平板显示材料的研究及其应用进展
1.3、稀磁性半导体材料研究进展
二、理论基础
2.1、ZnO的性质及应用
2.1.1、ZnO的基本性质
2.1.2、ZnO的应用
2.2、ZnO薄膜的制备及掺杂
2.2.1、ZnO薄膜的制备
2.2.2、ZnO的掺杂
2.2.3、ZnO的稀磁性
2.3、ZnO薄膜发光机理的研究
2.3.1、光电显示呢材料的分类
2.3.2、材料发光的基本原理
2.3.3、阴极射线激发材料的发光过程
2.3.4、ZnO薄膜发光机理的研究
2.4、ZnO薄膜的应用前景
三、实验及测试方法
3.1、溅射镀膜
3.1.1、溅射镀膜的工作原理
3.1.2、溅射镀膜的特点
3.1.3、溅射镀膜的分类
3.2、磁控溅射镀膜
3.2.1、磁控溅射的原理
3.2.2、磁控溅射的特点
3.3、直流反应磁控溅射实验仪器及操作
3.3.1、设备的主要技术参数
3.3.2、设备的构成
3.3.3、仪器的操作规程
3.4、测试方法
3.4.1、结构分析
3.4.2、形貌分析
3.4.3、场致发光测试
3.4.4、光致发光测试
3.4.5、光吸收谱测试
四、实验及结果分析
4.1、溅射功率对ZnO薄膜的影响
4.1.1、溅射功率对ZnO薄膜的结构的影响
4.1.2、溅射功率对ZnO薄膜的形貌的影响
4.1.3、小结
4.2、工作压强对ZnO薄膜结构特性的影响
4.2.1、工作压强对ZnO薄膜结构特性的影响
4.2.2、工作压强对ZnO薄膜形貌结构的影响
4.2.3、工作压强对ZnO薄膜场致发光的影响
4.2.4、工作压强对ZnO薄膜的影响光致发光的影响 4.2.5、工作压强对ZnO薄膜吸收谱的影响
4.2.6、小结
4.3、衬底温度对ZnO薄膜的影响
4.3.1、衬底温度对ZnO薄膜结构特性的影响
4.3.2、衬底温度对ZnO薄膜的形貌结构影响
4.3.3、衬底温度对ZnO薄膜场致发光的影响
4.3.4、衬底温度对ZnO薄膜光致发光的影响
4.3.5、小结
4.4、退火处理对ZnO薄膜的影响
4.4.1、退火处理对ZnO薄膜结构特性的影响
4.4.2、退火处理对ZnO薄膜的形貌结构影响
4.4.3、退火处理对ZnO薄膜场致发光的影响
4.4.4、退火处理对ZnO薄膜吸收谱的影响
4.4.5、小结
4.5、ZnO薄膜掺杂
4.5.1、N2作为掺杂剂的掺杂
4.5.2、NH2作为掺杂剂的掺杂
4.5.3、小结
4.6、ZnO薄膜的稀磁性研究
4.6.1、掺V的ZnO薄膜的制备
4.6.2、对掺V的ZnO薄膜的测试分析
4.6.3、小结
五、结论
六、参考文献
一、引言
1.1、显示技术及其发展
知识经济时代就是以知识的生产、传播和应用为社会发展动力的时代，知识传播速度将成为社会和经济发展的关键因素。目前知识的传播手段主要有印刷品、互联网络，互联网络的广泛普及，信息和知识传播实现了实时性，可随时随地的交流。而这些过程的终端设备与人的对话是靠显示器完成的。由于平板式显示器厚度薄、重量轻、电压低、功耗低、无闪烁抖动、环境性能好等优点，多用于工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各方面，成为电子信息工业的一大支柱产业。
随着电子、材料等工业的进步，显示技术的发展首先体现在显示器件的发展。电子显示器分为主动发光型利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色并直接显示；非主动发光型本身不发光，而是利用信息来调制外光源从而使其达到显示的目的。阴极射线管显示器、等离子体显示器、场致发射平板显示器、发光二极管显示器等属于主动发光型；液晶显示器、电化学显示器、悬浮颗粒显示器等属于非主动发光型。
新型电子显示器要向小型化、轻量化、低压驱动、低功耗和平板型的方向发展。
1.2平板显示材料的研究及其应用进展
平板显示器的优异性能，使之不仅能够与传统显示器件争夺市场，而且不断开拓处新的应用领域。它的种类很多，常见的有液晶显示器、等离子体显示器、电致发光显示器、发光二极管、有机材料发光和场致射显示器等与阴极射线管相比，具有重量轻、体积小、功耗低
等优点。在大屏幕显示、便携式计算机等领域得到广泛应用。但它们的总体显示性能还达不到阴极射线管的水平。
1.2.2、场致发射显示
冷阴极场致发射显示是一种新型的主动发光型平板显示器件，冷阴极场致发射显示是利用阴极射线发光来显示信息的，如图1-2所示，阴极作为电子源，它所发射的电子撞击阳极上的发光材料形成发光点，多个发光点构成一个像素，通过驱动电路控制这些像素的发光点，可实现高分辨率图像显示。场发射平面显示不但具有阴极射线管的高亮度、大视角和逼真的色彩，而且还具有厚度小、相应速度快、高分辨率、耐高温、具有相对低的工作电压、高亮度、宽视角、好的色彩饱和度和功耗低的优点。这种兼有阴极射线管和平板显示器件优点的自发光型显示器，被认为是最理想的平板显示器之一。
图1--2 FED
结构示意图
由于场发射平板显示器件中阳极与阴极之间的空间较小，采用传统涂敷式荧光屏工作时，受电子束轰击，容易产生放气、分解、溅射等过程，污染了场发射阴极，使其发射效率降低，进而缩短其工作寿命。于是，对阳极荧光层进行了最优化研究，即将发光材料制成荧光薄膜不存在漫反射效应、有更高的对比度和清晰度、荧光薄膜散热快、能承受更高的驱动电压，而且亮度更高；另外，致密的荧光薄膜能很好地附着在透明基片上并保证表明光滑，可消除由于电弧击穿而导致的荧光粉颗粒烧伤或脱落现象，具有更小的放气率。荧光薄膜的研究具有广阔的附着前途。
但是场致射显示器是工作在低电压、高电流、处于真空环境的特点，因此要满足以下几个要求：
（1）、荧光材料应在较低的驱动电压下具有较高的发光效率；
（2）、荧光层表面必须具有一定的导电性，以承受较高的电流密度(10--100μA/cm2)；
（3）、必须适应真空环境，有较低的放气率，尤其不能释放有害于阴极的气体；
（4）、适当的余辉时间。
1.2.2、光电显示
ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，具有优异的光学和电学特性，具备了发射蓝光或紫外光的优越条件，而且原料易得、价廉、无毒，制备方法多样，成为目前最具开发潜力的薄膜材料之一，有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件。
1.3、稀磁性半导体材料研究进展
近几年，稀磁性半导体材料由于将载流子的荷电性和自旋集于一身，有望用来制作新型功能器件。ZnO基材料体系中铁磁行为在理论上的发现意外着人民有可能制备出新型ZnO透明铁磁材料，因此对Ⅲ-Ⅴ族化合物中的ZnO磁性方面受到人民的重视。使ZnO材料体系获得实际应用，关键在于提高材料的居里点至室温和稳定其磁性。对ZnO薄膜材料而言，掺杂元素的种类和含量对其磁性能有主要影响。
二理论基础
2.1、ZnO的性质及应用
2.1.1、ZnO的基本性质
2.1.1.1、ZnO薄膜的晶体结构
ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体材料，室温下禁带宽度为3.3~~3.4eV左右，与许多Ⅱ-Ⅵ族化合物不同，ZnO在自然条件下的结晶是单一稳定的六方纤锌矿结构。图2-1为ZnO晶体结构示意图，ZnO是有O原子组成的双原子面以ABABAB交替形式沿（001）方向排列成的晶体。ZnO的晶格常数为a=0.325nm，c=0.512nm。
图2--1 纤锌矿ZnO晶体的原子点阵示意图
表2---1
ZnO粉末多晶衍
射的主要峰值
图2--2 ZnO粉末多晶的XRD衍射图
表2-1为ZnO粉末多晶的XRD衍射的主要峰值，图2-2是ZnO粉末多晶的XRD衍射图。从图2-2可知ZnO粉末多晶的主要衍射面为（101）、（100）和（002）晶面，当薄膜C轴择优取向，其XRD衍射图上只出现（002）峰。
2.1.1.2、ZnO的优点
Ⅰ、ZnO薄膜的生长温度一般低于700，比GaN（生长温度1050℃）要低得多，这有利于降低对设备的要求和能耗。
Ⅱ、ZnO薄膜在室温下光致发光和受激辐射有较低的阀值功率，有较高的能量转换效率。
Ⅲ、ZnO有较高的激子复合能为60meV，结晶完整的ZnO晶体在室温下激子仍然不会分解，理论上有可能实现室温下较强的紫外受激发射，制备出有较好性能的探测器、LED等光电子器件。
Ⅳ、ZnO有很好的成膜特性，能在较低的温度（200--650℃）下制备出较好的晶体质量的ZnO薄膜。
Ⅴ、ZnO薄膜的原料丰富、成本低、无毒、对环境无污染，是环保型材料。
2.1.1.3、ZnO中的缺陷
氧化锌的一个重要缺点在于稳定性不高。
A、点缺陷
氧化锌的本征点缺陷共有六种形态：氧空位Vo；锌空位Vzn；锌位氧Ozn；氧位锌Zno；间隙位氧Oi；间隙位锌Zni。
B、线缺陷（位错）
位错是由于在各种引力作用下晶面间的滑移造成的，位错线就是已滑移区域未滑移区域的分界线，按照滑移的性质可以分为刃位错、螺旋位错、复合位错。
C、晶界
晶界上会俘获大量的电子，从而在界面上产生势垒，并且在两个相邻的区域中产生耗尽带，降低材料的导电性能。
2.1.1.4、薄膜的光学性能
ZnO薄膜在室温下的禁带宽度为3.3eV（370nm）左右，对紫外线有强烈的吸收。
2.1.2、ZnO薄膜的应用
ZnO是一种应用广泛的耳朵功能材料。在透明电极、体声波器件、表面声波器件、压敏电阻、湿敏、气敏传感器和太阳能电池等领域内均有应用。近年来，随着短波光电子器
件的产业化的同时，ZnO的研究也越来越受到人民重视。
2.2、ZnO薄膜的制备及其掺杂
2.2.1、ZnO薄膜的制备
磁控溅射法是目前研究最多、最成熟的一种ZnO薄膜制备方法。如图2-3，溅射是利用荷能粒子轰击靶材，使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底表面的一种工艺。根据靶材在沉积过程中是否发生化学变化，可分为普通溅射和反应溅射。若靶材是Zn与环境气氛中的氧气发生反应生成ZnO则是反应溅射；若靶材是ZnO陶瓷，沉积过程中无化学变化则为普通溅射。
图2-3磁控溅射工作室示意图
2.2.2、ZnO表面的p型掺杂
氧化锌的p型掺杂必须满足：较大的擦浓度、较浅的受主能级，这样才能够对Vo、Zni 进行有效的补偿。
主要方法有:
Ⅰ族元素的掺杂
人们对Ag、Cu、Au、Li进行了一定的研究。利用扩散技术制备出ZnO：M（Ag、Cu、Au）薄膜。研究表面，在氧化锌薄膜中Ⅰ族元素的掺杂能级很深，掺杂浓度也不高，因此作为受主掺杂不理想。
B、Ⅴ族元素的掺杂
在V族元素的掺杂中，人们对N、P、As进行了研究，特别是N作为活性原子掺杂，得到了性能较好的P-ZnO，利用施主-受主共掺杂的技术，还可以进一步增加N的浓度。
2.2.3、ZnO薄膜的稀磁性
结合磁学与电子学两大领域的自旋电子学以及自旋电子学组件的研究与应用，将是未来科学发展的主流方向之一，而稀磁性半导体薄膜为目前广为研究的自旋电子材料。
2.3、ZnO发光机理的研究
2.3.1、光电显示材料的分类
光电显示材料按其发光机理可分发光模式（主动显示）和非发光模式（被动模式类。
2.3.1.1发光模式光电显示材料
阴极射线发光显示材料、点致发光材料、带电粒子激发的发光材料、光致发光材料、热致发光材料。
2.3.1.2、非发光模式光电显示材料
在非农发光模式或被动模式中，必须有环境光，同时利用你给的材料在信号主要下光学性质（如折射率、吸收率等）或其他性质的变化，使环境光与材料互相作用后，输出光发生了与信号对应的变化而实现信息显示。这种材料包括液晶显示材料、电致变色显示材料和电泳成像显示材料等。
2.3.2、材料发光的基本原理
研究目的是将氧化锌薄膜作为阴极射线发光材料，用于场发射平板显示器。
当固体从外界以某种形式（光、电及高能粒子）吸收能量，固体中原子的电子将从低能态激发到高能态，分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子（空穴）和电子，此时固体被激发。处以激发态的电子会自发地或受激地从激发态跃迁到基态，可能将吸收的能量以光的形式辐射出来，这一过程为辐射复合，即发光。体系也可以以无辐射的形式（如发热）将吸收能量散发出来，这一过程为无辐射复合。辐射性复合对于固体发光至关重要；而非辐射性复合会产生声子，对固体发光有害。
2.3.2.1、辐射性复合
带---带间复合发光这种复合可分为不通过声子的复合（直接跃迁）和必须通过声子为媒介的复合（间接跃迁）两种。在这类复合中，导带底的电子落到价带，与空穴复合，初态与终态的能量差以光的形式辐射，其跃迁模型如图2--7所示。
图2---7带---带
间复合发光模型
2.3.2.2、非辐射性复合
非辐射性复合主要是由于跃迁能量转换为低能声子而形成。有以下几种形式：
A、阶段地发出声子的复合
若在禁带中含有若于能量不同的杂质或缺陷能级，能级间能量很小，则在复合过程中，导带电子可能会在这些能级间发生阶段性跃迁，通过产生一系列声子的产生实现复合过程。
B、俄歇过程
在电子与空穴的复合过程中，多余的能量未以光辐射形式出现，而是被导带电中的其他电子吸收。吸收能量的电子被激发到导带的高能状态，其后逐渐放出声子，回到导带的下端。发生于存在晶格缺陷的晶体中。
C、表面复合
在晶体的表面，通常缺陷密度远高于晶体内部,因此在表面引起的各种非辐射性复合的几率也比内部高得多，因此荧光薄膜的发光效率和可靠性不仅与材料结构有关，也与表面状态有关。所以荧光层表面力求平整、致密，以减少非辐射性复合，提高发光效率。
2.3.3、阴极射线激发材料发光的过程
由阴极射线激发材料的发光过程可以概括为：阴极发出的电子轰击阳极上的荧光物质，荧光物质产生电子空穴对，电子空穴对在荧光物质中扩散，将能量传递各地活性中心，若这些活性中心所构成的局部能级受激辐射可见光光子的条件，则可发出可见光。其中活性中心被称为发光中心。这些活性中心可以是间隙杂质原子，也可以是某一原子空位或是荧光物质的缺陷。
2.3.4、ZnO薄膜发光机理的研究
2.3.4.1、ZnO荧光薄膜的发光的分类
A、晶态Zn0受激发光过程
关于晶态Zn0荧光粉受激绿带发光有许多不同的解释，现结合复合发光的能带理论来概括介绍几种Zn0发光模型。
图2-11 Liu模型
(1) liu模型:对于Zn0荧光粉，一般认为金属原子是过剩的。过剩的Zn
原子处于晶格的间隙位置，基质晶格的原子由于受到填隙Zn原子的微扰而使禁
带内出现相应的发光中心能级，如图2-11所示。当Zn0荧光薄膜被激发时，基
质吸收能量将价带电子激发到导带，分别在导带和价带形成电子一空穴对(过程
I)。随着电子和空穴的迁移扩散，产生受激电离的发光中心(过程II和III)，它与
受激电子复合而发光(过程Ⅳ)。
Vanheusden模型:Vanheusden等通过观察氧空位离化(Vo+、Vo ++过程与自由载流子浓度及Zn0绿带发光之间的关系，认为Zn0绿带发光取决于单离子化氧空位(Vo+）的形成，该模型能级结构如图2-12所示。Zn0受轰激后会在价带形成空穴(过程I)，然后氧空位上的电子与之复合并发光(过程II)，同时伴随形成Vo+
图2--12Vanheusden模型
( 3 ) Bylander模型:这个模型认为Zn0的绿带发光是由施主一受主对引起的。在Zn0晶体中，填隙Zn原子是施主，而锌的空位则成为受主，二者在Zn0禁带内分别形成施主能级和受主能级。当电子激发时，施主电子被激发到激发态而后迁移和受主空穴复合，称之为施主一受主对复合发光(如图2-13)。
图2--13 Bylander模型
2.3.4.2、发光机理研究
以往人们主要研究掺入激活剂物质的Zn0的发光特性，认为Zn0的发光中心是掺入Li或Cu等杂质形成的局域能级，而根据目前的文献报道，未掺杂的Zn0同样具有发光特性。未掺杂Zn0的发光特性必然与其自身形成的局部能级有关，归根与其结晶状况、化学配比以及本征缺陷等因素密切相关。氧化锌中的主要缺陷有位错和化学计量比偏离等，如空位(氧空位和锌空位)、填隙原子(氧填隙原子和锌填隙原子)和替位原子(氧占锌位和锌占氧位)。然而对于Zn0具体的发光中心的解释尚未达成共识。并且根据目前的研究状况，可知，Zn0发光的谱线范围十分丰富，包括红、橙、黄、绿、蓝、紫、紫外多种谱带，Zn0薄膜的必然具有较为复杂的能带结构。
2.4、ZnO薄膜的应用前景
Zn0薄膜是一种多功能的半导体材料，具有光电、压电、气敏、压敏、透明导电、发光等多种特性，因此可以应用于多种领域。在其发光方面，它的两大特性，一是室温下光泵浦紫外光的发射;二是在光子或阴极射线激发下的蓝一绿光的发射。研究Zn0紫外光发射的应用方向，使将其制备成为紫外激光器，这对于提高光记录密度和光信息的存取速度将起到非常重要的作用。利用其受激发射蓝绿光的本领，Zn0薄膜可以作为场发射平板显示器的低压荧光层，或者应用于真空荧光显示器件，这对于显示器件的小型化及平板化都有十分重要的意义。
三、实验方法
3.1裁射镀膜
3.1.1裁射镀膜的工作原理
A、靶材的溅射
当带有几十电子伏以上动能的粒子或粒子束照射固体表面，靠近固体表面的原子获得入射粒子部分能量，进而从表面逃逸出来，这种现象称为溅射。
溅射过程需要在真空条件中进行，溅射时通进少量惰性气体(如氢气)，利用低压惰性气体辉光放电产生离子(如Ar' )。辉光放电是溅射的基础，溅射过程是在辉光放电中产生的。辉光放电产生的惰性气体离子经过偏压加速后轰击靶材(阴极)，其中一部分在靶材表面发生背散射，再次返回到真空室中，大部分离子进入样品内部。
进入靶材内部的离子与靶材原子发生弹性碰撞，并将一部分动能传给靶材原子，当靶材原子的动能超过由其周围存在的其它原子所形成的势垒时，靶材原子会从晶格阵点中被碰出，产生离位原子，并进一步和附近的靶材原子依次反复碰撞，产生所谓的碰撞级联。当这种碰撞级联到达靶材表面时，如果靠近靶材表面的原子的动能远远超过表面结合能，这些样品原子就会从靶材表面放出并进入真空室中。
B、溅射粒子的迁移
进入真空的靶材原子一部分被散射回靶材;一部分被电子碰撞电离，或被亚稳原子碰撞电离，产生的离子加速返回靶材，或产生溅射作用或在阴极区损失掉;还有一部分溅射出的
靶材原子以核能中性粒子的形式迁移到基片上。
为了减小迁移过程中由于溅射粒子与溅射气体碰撞而引起的能量损失，靶材与基片之间的距离应该与粒子的平均自由程大致相等。
C、溅射粒子在基片上成膜
迁移到基片的粒子经过吸附、凝结、表面扩散以及碰撞等过程，形成稳定的晶核，然后再通过不断的吸附使晶核长大成小岛，到长大后互相聚结，最后形成连续状的薄膜。
溅射过程中还可以同时通进少量活性气体，使它和靶材原子在衬底上形成化合物薄膜，称为反应溅射。
3.1.2裁射镀膜的特点
溅射镀膜的主要特点是每个溅射粒子到达基片时所带的能量非常大，从而使溅射膜层呈现出其特殊性。这些高能溅射粒子在成膜的过程中一方面使膜表面的温度升高;一方面使膜的表面结构发生变化;此外还会产生一系列其它的现象及特点，如，膜层和基片的附着力增加、形成准稳态相的膜层(例如类似金刚石相的碳膜和非晶态膜等)、引起膜层中杂质气体的混入、引起缺陷的产生以及内应力的增加等等。其中缺陷的产生以及内应力的增加可以通过适当的增加基片温度来消除。而膜层与基片之间良好的附着性能恰恰是好的荧光层所必具备的条件之一，这也是我们选用溅射方法制备Zn0荧光层的原因之一。
相对于传统的真空蒸镀法，溅射镀膜的优点表现在以下几个方面:
A膜层和基体的附着力强;
B可以方便的制备高熔点物质的薄膜;
C在很大面积上可以制取均匀的膜层:
D膜的致密性、平整性好，膜的纯度较高;
E容易控制膜的成分，可以制备不同成分和配比的合金膜;
F便于工业化生产，易于实现连续化、自动化操作等。
溅射镀膜的缺点主要为:
A.必须按需要预先制备各种成分的靶;
B.靶的卸装不太方便;
C.靶的利用率不高。
3.13溅射镀膜的分类
溅射镀膜的方法多种多样，按照电极的结构、电极的相对位置以及溅射镀膜的过程可以分为二极溅射、三极溅射(包括四极溅射)、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等。按照溅射方式的不同可分为直流溅射、射频溅射(13.56MHz )、偏压溅射和反应溅射等。
3.2磁控溅射镀膜
3.2.1磁控溅射的原理
通常的溅射方法溅射效率不高。磁控溅射可以有效的增加气体的离化率，提高溅射
效率。
磁控溅射的基本原理是利用磁场来改变电子的运动方向，将电子的运动限制在邻近阴极的附近，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高电子与工作气体的电离率，有效地利用电子能量，使粒子轰击靶材引起的溅射更加有效。
对于一般的溅射方法，在冷阴极辉光放电中，由于离子轰击阴极(靶材)表面，会从阴极表面放出二次电子。这些二次电子在阴极位降的电场作用下被加速，沿直线运动，进入负辉光区，其在运动的过程中和中性的气体分子发生电离碰撞，产生自持的辉光放电所需的离子，由此维持放电的正常进行。其中从阴极表面释放的二次电子的平均自由程随电子能量的增大而增大，随气压的增大而减小。在低气压下，离子在远离阴极的地方产生，因此它们的热壁损失较大。同时，有很多电子可以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失不能被碰撞引起的次级发射电子抵消，所以离化率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子，辉光放电不能维持。增大加速电压，电子的平均自由程也同时被增大，不能有效的增加离化效率，因而不能通过增加加速电压来维持辉光放电。虽然增加气压可以提高离化率，但是，在较高的气压下，溅射出的粒子与气体碰撞的机会也增大，实际的溅射率也很难有很大的提高。利用这种辉光放电的一般的直流二级溅射，通常在2--10Pa的压力范围内进行溅射镀膜。如果压力低于2Pa，放电不能维持。但是如果在阴极位降区施加和电场垂直的磁场，则电子既在与电场、又在与磁场垂直的方向上产生回旋前进运动，其轨迹为一圆滚线。如图3-1
所示。这样使电离碰撞的次数增加，即使在较低的溅射电压和较低的气压下，也能维持放电。
对于磁场的布置，如果磁场采用与靶面平行的均匀磁场，虽然可以实现在较低的气压下维持放电，但是电子没有受到轴向力的收束力，电子会从阴极两端逃逸，电子的利用率不高，因此得不到较高的离子电流密度和较高的沉积速率。因此，在高速磁控溅射装置中，采用不均匀磁场，磁力线为弯曲的结构，如图3-2所示，这样在磁场互不垂直的空间中，回旋电子会受到电磁场的作用力，将其拉回到相互正交的电磁场空间。因此，电子可以受到有效的收集作用，电离碰撞的频率极高，容易获得非常大的轰击靶的离子电流密度，得到极高的膜沉积速率。此外，由于磁控溅射装置中电子的这种特殊的运动方式，电子在完全丧失其动能之前，不会到达阳极(基片)，因而可以抑制由于电子轰击而引起的基片温度的升高，降低基板温度。
图3---1 磁控溅射装置中靶
表面电子的运动轨迹
图3--2平面磁控电极
3.2.2磁控溅射的特点
A、可获得较大的离子轰击电流，靶表面的溅射刻蚀速率和基片上膜的沉积速率都很高，因而沉积速率高、产量大;
B、低能电子与气体原子的碰撞几率高，气体的离化率大，溅射的功率效率高;
C、过高的入射离子能量使靶过分加热，溅射效率降低;
D、向基片的入射能量低，避免了基片温度的过度升高;
E、由于高速磁控溅射电极采用不均匀磁场，等离子体产生局部收聚效应，致使靶上局部位置的溅射刻蚀速率极大，靶上产生显著的不均匀刻蚀。靶的利用率不高;
F、对于高导磁率的靶材，磁控溅射放电难于进行，因为磁力线会直接通过靶的内部发生磁短路现象。
3.3直流反应磁控溅射试验装置
实验采用CS-300型磁控溅射镀膜机来制备薄膜。
3.3.1设备的主要技术参数
真空室:280 X 280mm
靶位:3个
装片:6片((100mm )
极限真空度:≤5x10-4pa（75 X 10-6托)
恢复真空度:≤ 5 x 10-3 Pa( 3.75 X 10-5托)
抽气时间≤30分钟
工作烘烤温度:0∽500℃，可调、可控
磁控靶电参数:电压0∽800V，电流0∽3. 5A，可调
大电流电极:3个250 A
最大电功率:2. 8KW
样品架转速:0∽500r/min连续可控可调
耗水量:8升/分
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
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
磁控溅射薄膜金属的制备 黎明 烟台大学环境与材料工程学院山东烟台111 E-mail:1111111@https://www.doczj.com/doc/c39342312.html, 摘要: 金属与金属氧化物在气敏、光催化与太阳能电池等方面有着极为重要的应用，通过磁控溅射法制备的金属氧化物薄膜，具有纯度高、致密性好、可控性强、与基底附着性好等优点，因此磁控溅射技术被广泛应用于工业化生产制备大面积、高质量的薄膜。我们通过磁控溅射法制备了氧化铜纳米线阵列薄膜，并研究了其气敏性质；除此之外，我们还通过磁控溅射法制备了TiO2/WO3复合薄膜，研究了两者之间的电荷传输性质 关键词：磁控溅射;气敏性质;光电性质 Magnetron sputtering metal film preparation LiMing Environmental and Materials Engineering, Yantai UniversityShandong Yantai111 E-mail:1111111@https://www.doczj.com/doc/c39342312.html, Abstract:GAasMetal and metal oxide have important applications in gas-sensing, photocatalyst and photovoltaics, etc. The metal oxide film prepared by magnetron sputtering technique possesses good qualities, such as high purity, good compactness, controllability and excellent adhesion. Therefore magnetron sputtering technique is widely used to prepare large area and high quality films in industrial production. In our work, CuOnanowires (NWs) array films were synthesized by magnetron sputtering. Their gas-sensing properties were also investigated. Except this, WO3/ TiO2nanocomposite films were synthesized by magnetron sputtering and their dynamic charge transport properties were investigated by the transient photovoltage technique. KeyWords :Gmagnetron Sputtering, Photo-electric Properties, Gas-sensing Properties 1绪论 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。
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）。
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
磁控溅射镀膜简介 溅射薄膜靶材按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜相物理功能膜两大类。前者包括耐摩、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、固体润滑薄膜材料, 后者包括电、磁、声、光等功能薄膜材料靶材等, 具体应用在玻璃涂层(各种建筑玻璃、ITO透明导电玻璃、家电玻璃、高反射后视镜及亚克力镀膜), 工艺品装饰镀膜, 高速钢刀具镀膜, 切削刀具镀膜, 太阳能反光材料镀膜, 光电、半导体、光磁储存媒体、被动组件、平面显示器、微机电、光学组件、及各类机械耐磨、润滑、生物医学, 各种新型功能镀膜(如硬质膜、金属膜、半导体膜、介质膜、碳膜、铁磁膜和磁性薄膜等) 采用Cr，Cr-CrN等合金靶材或镶嵌靶材，在N2,CH4等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr,CrC,CrN等镀层。纯Cr的显微硬度为425～840HV，CrN为1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水溶液电镀铬。电镀会使钢发生氢脆、速率慢，而且会产生环境污染问题。 用TiN，TiC等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小，化学稳定性好，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高刀具、模具等的工作特性，又可以提高使用寿命，一般可使刀具寿命提高3～10倍。 TiN，TiC，Al2O3等膜层化学性能稳定，在许多介质中具有良好的耐蚀性，可以作为基体材料保护膜。溅射镀膜法和液体急冷法都能制取非晶态合金，其成分几乎相同，腐蚀特性和电化学特性也没有什么差别，只是溅射法得到的非晶态膜阳极电流和氧化速率略大。
在高温、低温、超高真空、射线辐照等特殊条件下工作的机械部件不能用润滑油，只有用软金属或层状物质等固体润滑剂。常用的固体润滑剂有软金属(Au,Ag,Pb,Sn等)，层状物质(MoS2，WS2，石墨，CaF2，云母等)，高分子材料(尼龙、聚四氟乙烯等)等。其中溅射法制取MoS2膜及聚四氟乙烯膜十分有效。虽然MoS2膜可用化学反应镀膜法制作，但是溅射镀膜法得到的MoS2膜致密性好，附着性优良。MoS2溅射膜的摩擦系数很低，在0.02～0.05范围内。MoS2在实际应用时有两个问题:一是对有些基体材料如Ag,Cu,Be等目前还不能涂覆;二是随湿度增加，MoS2膜的附着性变差。在大气中使用要添加Sb2O3等防氧化剂，以便在MoS2表面形成一种保护膜。 溅射法可以制取聚四氟乙烯膜。试验表明，这种高分子材料薄膜的润滑特性不受环境湿度的影响，可长期在大气环境中使用，是一种很有发展前途的固体润滑剂。其使用温度上限为5OoC，低于-260oC时才失去润滑性。 MoS2、聚四氟乙烯等溅射膜，在长时间放置后性能变化不大，这对长时间备用、突然使用又要求可靠的设备如防震、报警、防火、保险装置等是较为理想的固体润滑剂。 内容来源：宝钢代理商https://www.doczj.com/doc/c39342312.html, 欢迎多多交流！！！
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
实验一磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序； 2、制备出一种金属膜，如金属铜膜； 3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能； 4、掌握实验数据处理和分析方法，并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。 二、实验仪器 磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台；玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。 三、实验原理 1、磁控溅射镀膜原理 （1）辉光放电 溅射是建立在气体辉光放电的基础上，辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电时，两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述，以气压为的 Ne 为例，其关系如图 5 -1 所示。 图 5-1 气体直流辉光放电的形成 当两个电极加上一个直流电压后，由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限，开始时只有很小的溅射电流。随着电压的升高，带电离子和电子获得足够能量，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流逐步提高，但是电压受到电源的高输出阻抗限制而为一常数，该区域称为“汤姆森放电”区。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉，出现电压降低。进一步增加电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，该区称为“正常辉光放电”区。当离子轰击覆盖了整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区内的电压和电流密度，形成均匀稳定的“异常辉光放电”，这个放电区就是通常使用的溅射区域。随后继续增加电压，当电流密度增加到～cm 2时，电压开始急剧降低，出现低电压大电流的弧光放电，这在溅射中应力求避免。 （2）溅射
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
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
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
磁控溅射金属薄膜的制 备 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
磁控溅射薄膜金属的制备 黎明 烟台大学环境与材料工程学院山东烟台 111 E-mail 摘要: 金属与金属氧化物在气敏、光催化与太阳能电池等方面有着极为重要的应用，通过磁控溅射法制备的金属氧化物薄膜，具有纯度高、致密性好、可控性强、与基底附着性好等优点，因此磁控溅射技术被广泛应用于工业化生产制备大面积、高质量的薄膜。我们通过磁控溅射法制备了氧化铜纳米线阵列薄膜，并研究了其气敏性质；除此之外，我们还通过磁控溅射法制备了 TiO2/WO3复合薄膜，研究了两者之间的电荷传输性质 关键词：磁控溅射;气敏性质;光电性质 Magnetron sputtering metal film preparation LiMing Environmental and Materials Engineering, Yantai University Shandong Yantai 111 E-mail Abstract: GAas Metal and metal oxide have important applications in gas-sensing, photocatalyst and photovoltaics, etc. The metal oxide film prepared by magnetron sputtering technique possesses good qualities, such as high purity, good compactness, controllability and excellent adhesion. Therefore magnetron sputtering technique is widely used to prepare large area and high quality films in industrial production. In our work, CuO nanowires (NWs) array films were synthesized by magnetron sputtering. Their gas-sensing properties were also investigated. Except this, WO3/ TiO2 nanocomposite films were synthesized by magnetron sputtering and their dynamic charge transport properties were investigated by the transient photovoltage technique. Key Words : Gmagnetron Sputtering, Photo-electric Properties, Gas-sensing Properties 1绪论
磁控溅射法制备薄膜材料综述 材料化学张召举 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 正文 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。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。 磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中实际应用。这是由于磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。1974年Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶，对进人生产领域起了推动作用。 磁控溅射基本原理 磁控溅射是20世纪70年代迅速发展起来的一种高速溅射技术。对许多材料，利用磁控溅射的方式溅射速率达到了电子术蒸发的水平，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基板保持冷态，这对使用怕受温度影响的材料作为薄膜沉
磁控溅射法制备薄膜材 料实验报告 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
实验一磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序； 2、制备出一种金属膜，如金属铜膜； 3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能； 4、掌握实验数据处理和分析方法，并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。 二、实验仪器 磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台；玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。 三、实验原理 1、磁控溅射镀膜原理 （1）辉光放电 溅射是建立在气体辉光放电的基础上，辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电时，两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述，以气压为的 Ne 为例，其关系如图5 -1 所示。 图 5-1 气体直流辉光放电的形成 当两个电极加上一个直流电压后，由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限，开始时只有很小的溅射电流。随着电压的升高，带电离子和电子获得足够能量，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流逐步提高，但是电压受到电源的高输出阻抗限制而为一常数，该区域称为“汤姆森放电”区。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉，出现电压降低。进一步增加电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，该区称为“正常辉光放电”区。当离子轰击覆盖了整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区内的电压和电流密度，形成均匀稳定的“异常辉光放电”，
这个放电区就是通常使用的溅射区域。随后继续增加电压，当电流密度增加到～cm 2时，电压开始急剧降低，出现低电压大电流的弧光放电，这在溅射中应力求避免。（2）溅射 通常溅射所用的工作气体是纯氩，辉光放电时，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，这些被溅射出来的原子具有一定的动能，并会沿着一定的方向射向衬底，从而被吸附在衬底上沉积成膜。这就是简单的“二级直流溅射”。 （3）磁控溅射 通常的溅射方法，溅射沉积效率不高。为了提高溅射效率，经常采用磁控溅射的方法。磁控溅射的目的是增加气体的离化效率，其基本原理是在靶面上建立垂直与电场的一个环形封闭磁场，将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率，从而显着提高溅射效率和沉积速率，同时也大大提高靶材的利用率。其基本原理示意见图 5-2。 图 5-2 磁控溅射镀膜原理 磁控溅射能极大地提高薄膜的沉积速度，改善薄膜的性能。这是由于在磁控溅射时气体压力减小了，使薄膜中嵌入的气体杂质减少，薄膜表面气孔减少而密实，膜面均匀一致。 磁控溅射可以分为直流磁控溅射和射频磁控溅射，射频磁控溅射中，射频电源的频率通常在 5～ 30MHz。溅射过程中还可以同时通入少量活性气体（如氧气），使它和靶材原子在基片上形成化合物薄膜（氧化物薄膜），这就是反应溅射。 2、溅射装备 以平面溅射方式为例，如图 5-3 所示的溅射装置图。在真空室中，基片与圆形靶表面正对且用带孔挡板隔开，其中阴极靶用循环水冷却，基片架上附有加热或通冷却水装置。 四、实验内容 1、在教师指导下学生查阅有关文献，了解磁控溅射制备薄膜的原理； 2、在教师指导下，学习磁控溅射镀膜机的正确使用； 3、在教师指导下，按照实验程序进行薄膜制备实验；
溅射镀膜过程主要是将欲沉积成薄膜的材料制成靶材，固定在溅射沉积系统的阴极上，待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上。溅射系统抽至高真空后充入氩气等，在阴极和阳极之间加几千伏的高压，阴阳极之间会产生低压辉光放电。放电产生的等离子体中，氩气正离子在电场作用下向阴极移动，与靶材表面碰撞，受碰撞而从靶材表面溅射出的靶材原子称为溅射原子，溅射原子的能量一般在一至几十电子伏范围，溅射原子在基片表面沉积而后成膜。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。 磁控溅射技术是为了提高成膜速率在溅射镀膜基础上发展起来的，在靶材表面建立与电场正交的磁场，氩气电离率从０．３％～０．５％提高到了５％～６％，这样就解决了溅射镀膜沉积速率低的问题，是目前工业上精密镀膜的主要方法之一［１］。可制备成磁控溅射阴极靶材的原料很广，几乎所有金属、合金以及陶瓷材料都可以制备成靶材。磁控溅射镀膜在相互垂直的磁场和电场的双重作用下，沉积速度快，膜层致密且与基片附着性好，非常适合于大批量且高效率的工业化生产。 1磁控溅射的工艺流程 在磁控溅射过程中，具体工艺过程对薄膜性能影响很大，主要工艺流程如下［２］：（１）基片清洗，主要是用异丙醇蒸汽清洗，随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；（２）抽真空，真空须控制在２×１０４Ｐａ以上，以保证薄膜的纯度；（３）加热，为了除去基片表面水分，提高膜与基片的结合力，需要对基片进行加热，温度一般选择 在１５０℃～２００℃之间；（４）氩气分压，一般选择在０．０ｌ～ｌＰａ范围内，以满足辉光放电的气压条件；（５）预溅射，预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜，以免影响薄膜质量；（６）溅射，氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下，高速轰击靶材，使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜；（７）退火，薄膜与基片的热膨胀系数有差异，结合力小，退火时薄膜与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力。 2磁控溅射镀膜技术的发展 近年来磁控溅射技术发展非常迅速，代表性方法有非平衡磁控溅射、反应磁控溅射及高速溅射等等。 平衡磁控溅射技术：即最传统的磁控溅射技术，将永磁体或电磁线圈放到在靶材背后，在靶材表面会形成与电场方向垂直的磁场。在高压作用下氩气电离成等离子体，Ａｒ＋离子经电场加速轰击阴极靶材，靶材二次电子被溅射出，且电子在相互垂直的电场及磁场作用下，被束缚在阴极靶材表面附近，增加了电子与气体碰撞的几率，即增加了氩气电离率，使氩气在低气体下也可维持放电，因而磁控溅射既降低了溅射气体压力，同时也提高了溅射效率及沉积速率［３］。但传统磁控溅射有一些缺点，比如：低气压放电产生的电子和溅射出的靶材二次电子都被束缚在靶面附近大约６０ｍｍ的区域内，这样工件只能被安放在靶表面５０～１００ｍｍ的范围内。这样小的镀膜区间限制了待镀工件的尺寸，较大的工件或装炉量不适合传统方法。 非平衡磁控溅射技术：这种磁控溅射方法部分解决了平衡磁控溅射的不足，是将靶面的等离子体引到靶前２００～３００ｍｍ的范围内，使阳极基片沉浸在等离子体中，减少了粒子移动的距离，离子束起到辅助沉积的作用［４］。然而单独的非平衡磁控靶在基片上很难沉积出均匀的薄膜层， 为此研究人员开发出了多靶非平衡磁控溅射镀膜系统，弥补了单靶非平衡磁控溅射的不足。 反应磁控溅射：随着表面工程技术的发展，越来越多地用到各种化合物薄膜材料。可以直接使用化合物材料制作的靶材通过溅射来制备化合物薄膜，也可在溅射金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，通过发生化学反应制备化合物薄膜，后者被称为反应磁控溅射。一般来说纯金属作为靶材和气体反应较容易得到高质量的化合物薄膜，因而大多数化合物薄膜是用纯金属为靶材的反应溅磁控射来制备的［５］。 中频磁控溅射：这种镀膜方法是将磁控溅射电源由传统的直流改为中频交流电源。在溅射过程中，当系统所加电压处在交流电负半周期时，靶材被正离子轰击而溅射，而处于正半周期时，靶材表面被等离子体中的电子轰击而溅射，同时靶材表面累积的正电荷被中和，打弧现象得到抑制。中频磁控溅射电源的频率通常在１０～８０ｋＨｚ之间，频率高，正离子被加速的时间就短，轰击靶材时的能量就低，溅射沉积速率随之下降。中频磁控溅射系统一般有两个靶，这两个靶周期性轮流作为阴极和阳极，一方面减小了基片溅伤；另一方面也消除了打弧现象。 高速溅射与自溅射：随着工业发展和表面工程的需求，高速溅射与自溅射等新型磁控溅射成膜方法成为镀膜领域新的发展趋势。高速溅射能够缩短镀膜时间，提高沉积速率，当溅射速率非常高，以至于在没有惰性气体氩气的情况下也能维持辉光放电，这种溅射方法称为自溅射［６］。高速溅射与自溅射中，被溅射材料的离子、电子化以及减少甚至取消惰性气体，都明显影响薄膜的形成机理，因此，可以制备出特殊性能的薄膜材料。 ①基金项目：河南科技大学实验技术开发基金（ＳＹ１１１２００８）； 科研创新能力培育基金（２０１２ＺＣＸ０１７）。 作者简介：马景灵（１９７０—），女，河南科技大学副教授，博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｊｉｎｇｌｉｎｇ．ｓｔｕｄｅｎｔ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。 磁控溅射镀膜技术的发展及应用① 马景灵 任风章 孙浩亮 (河南科技大学材料科学与工程学院 河南洛阳 471023) 摘 要：近年来，随着新材料的开发，尤其是薄膜材料的发展和应用，带动磁控溅射沉积技术的飞速发展，在科学研究领域和工业生产中有着不可替代的重要作用。本文主要介绍了磁控溅射沉积技术的工艺过程及其发展情况，各种主要磁控溅射镀膜技术的特点，并介绍磁控溅射技术在各个领域的主要应用。关键词：磁控溅射 镀膜 辉光放电中图分类号：Ｇ４文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－９７９５（２０１３）１０（ｂ）－０１３６－０２ (下转138页)