磁控溅射法制备的纳米金薄膜的工艺条件和结构分析_许小亮
磁控溅射薄膜镀层制备与表征研究
磁控溅射薄膜镀层制备与表征研究随着工业化水平的不断提高，新材料的应用越来越广泛，其中薄膜材料作为一种性能优异的材料，近年来得到了广泛的关注和研究。
在薄膜材料的制备方法中，磁控溅射被认为是一种比较有效的薄膜制备方法。
本文将着重介绍磁控溅射薄膜镀层制备和表征研究的相关内容。
一、磁控溅射薄膜镀层制备原理磁控溅射薄膜镀层制备是通过利用磁控溅射技术，在高真空环境下将材料蒸发成为原子或离子状，然后通过惰性气体的激发及其它的物理化学反应，将蒸发的材料沉积于基片上的方法。
具体过程如下：首先，将待镀材料放入溅射室，将气压降至10^-4Pa以下，然后通过加热或电弧加热等方法使得材料蒸发形成离子或原子状，然后利用磁场的作用将离子或原子束引向基片上，同时惰性气体如氩气等也被引入到系统中，惰性气体分子与离子或原子束碰撞后又被激发形成粒子，并沉积在基片表面上，形成具有一定厚度和微结构的薄膜。
二、磁控溅射薄膜镀层的优点相比于其它的薄膜材料制备方法，磁控溅射薄膜镀层有以下优点：1、镀层质量高：利用磁控溅射技术，可以获得镀层晶粒尺寸小，致密度高，硬度大，附着力好的高品质薄膜。
2、复合性强：磁控溅射技术可以实现多种材料的共存，从而得到具有复合性的多层或者多元合金薄膜材料。
3、设备易于升级：磁控溅射设备可以通过增加离子束源、改变溅射源材料、改变惰性气体、控制磁场等手段来控制沉积过程的影响参数，实现设备的升级和优化。
三、磁控溅射薄膜镀层的表征方法对磁控溅射薄膜材料的表征主要是基于以下性能指标进行的：1、厚度：利用显微镜、探针仪等手段测量薄膜材料的厚度。
2、结构：采用X射线衍射、扫描电镜等方法对薄膜材料的结构进行重点的分析。
3、物理性能：主要包括镀层抗磨性、耐腐蚀性、硬度等性能，可以通过微纳硬度测试仪、摩擦磨损试验等方法进行。
4、光学性能：包括反射率、透过率、折射率等指标，可以利用特定实验装置进行测量。
四、磁控溅射薄膜在应用领域的前景磁控溅射薄膜技术在实际应用中，可以制备出耐磨、耐腐蚀、隔热等材料，应用广泛，主要可以应用于电子、光电、医药、汽车、航空等领域，并有着广阔的发展前景。
磁控溅射制备多层金属膜的研究
磁控溅射制备多层金属膜的研究多层金属膜是在超薄膜技术领域中的一种材料，因其具备良好的物理和化学性质而被广泛应用。
其中，磁控溅射制备多层金属膜是一种常见的制备方法。
本文将探讨该方法的原理、优缺点以及在应用中的局限性和改善措施。
一、磁控溅射制备多层金属膜的原理磁控溅射制备多层金属膜主要是通过在真空条件下，利用一个磁场和离子轰击来实现的。
具体过程为：在真空室中，将金属样品（被称为“靶材”）放置在磁控溅射枪的正极下，而在负极放置一个基板（一般是用作多层膜的衬底材料）。
接着，通过加热或通过强制气泵进行真空抽吸，使得室内压强降低至10^-8∼10^-7Pa。
在真空室中加入高纯惰性气体（如氩气），并在金属靶材上加加高频电场，电场将激发氩气原子，氩离子朝着金属靶材飞去，当氩离子撞击到靶材表面时，将激发出一些靶材的原子或分子。
这些气体化学物质再以离子的形式沉积到基板上形成了多层金属膜。
二、磁控溅射制备多层金属膜的优缺点磁控溅射制备多层金属膜的主要优点是好的成膜质量和较高的制备效率。
由于真空反应室的高度减少设备杂质的污染，同时溅射过程中的惰性气体也有助于稳定制备，从而保证了膜层的纯度和光滑性。
然而，磁控溅射制备多层金属膜还存在一些不足之处。
例如很难制备大面积的薄膜，制备条件需要控制得非常精确，过程中还要严格监测膜的成分均匀性和厚度分布。
另外，对于某些金属制备，过程中会出现电弧跳闸和目标表面冲孔现象，因此需要更耐用的靶材。
三、在应用中的局限性和改善措施磁控溅射制备多层金属膜在应用中的局限性也很明显，比如难以制备大面积薄膜和部分不能制备高沟槽纵向结构等。
在此基础上，一些晶体和热膨胀系数相差较大的金属材料制备多层膜，也存在困难。
为解决上述问题，需要对磁控溅射制备多层金属膜技术进行技术创新和改进。
例如改进靶材材料，采用更加稳定的加热条件来保持材料的稳定性；通过射流控制和微射流等技术，使流线更加均匀，提高成膜质量和成膜效率；增加气体类型和控制放电速率等措施，对制备特殊纵向结构进行研究，并提高内在紧张度控制等方面进行改进和创新。
《磁控溅射制备非混溶系纳米晶Cu-Ta、Cu-Nb薄膜及其性能研究》范文
《磁控溅射制备非混溶系纳米晶Cu-Ta、Cu-Nb薄膜及其性能研究》篇一一、引言随着现代科技的快速发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质在众多领域展现出巨大的应用潜力。
其中，非混溶系纳米晶薄膜因其优异的力学、电学及磁学性能，在微电子、传感器、磁存储等领域具有广泛的应用前景。
磁控溅射技术作为一种成熟的薄膜制备方法，具有制备过程简单、薄膜质量高、成分可控等优点，被广泛应用于制备非混溶系纳米晶薄膜。
本文将重点研究磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜的性能。
二、实验方法1. 材料选择与制备本实验采用磁控溅射法，选用高纯度的Cu、Ta和Nb靶材作为溅射源。
通过调整溅射功率、气氛压强、基底温度等参数，制备出不同成分比例的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜。
2. 薄膜性能表征利用X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构；使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察薄膜的形貌和微观结构；利用四探针法测量薄膜的电导率；使用维氏硬度计测试薄膜的硬度；利用磁学测量系统分析薄膜的磁性能。
三、实验结果与讨论1. 薄膜结构与形貌XRD结果表明，通过磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的结晶度。
SEM和TEM观察显示，薄膜表面平整，晶粒尺寸均匀，无明显缺陷。
2. 电学性能四探针法测量结果表明，Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的电导率，且随着Ta或Nb含量的增加，电导率呈现一定的变化趋势。
这主要归因于薄膜中金属元素的电子结构和化学键合方式的改变。
3. 力学性能维氏硬度计测试结果显示，磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的硬度，且硬度随成分比例的变化而变化。
这主要归因于薄膜中金属元素的原子间结合力和晶格结构的差异。
4. 磁学性能磁学测量系统分析表明，Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜在室温下具有较好的磁性能，如高饱和磁化强度、低矫顽力等。
磁控溅射薄膜制备工艺及其应用研究
磁控溅射薄膜制备工艺及其应用研究磁控溅射是一种常用的物理气相沉积技术，其中使用电弧或磁控电子束等带电粒子轰击靶材表面，使靶材表面的原子脱离并沉积在基底上形成薄膜。
磁控溅射薄膜制备工艺具有制备高质量、高纯度、均匀厚度的薄膜以及控制薄膜成分、微结构和物理性质等方面的优点，因此应用研究非常广泛。
一、磁控溅射薄膜制备工艺磁控溅射薄膜制备工艺的主要装置包括磁控溅射靶材、磁控溅射室、真空系统、基底传送装置等。
在制备过程中需要首先制备好靶材，通常使用高纯度的金属材料或化合物作为靶材。
在磁控溅射室内设置靶材和基底，通过抽真空将压力降低到一定程度，然后加入惰性气体（如氩气），使用外加磁场引导电子轨迹和控制电子束的进入角度，利用电子轰击靶材表面并将原子从靶材中溅射出来，然后沉积在基底上形成薄膜。
二、磁控溅射薄膜制备技术的应用1. 硬质涂层磁控溅射薄膜制备技术广泛应用于制备硬质涂层，如钛氮、碳氮、氮化铝等涂层，这些涂层具有非常好的耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性，可用于汽车发动机零部件、针头、刀具等领域。
2. 光学涂层磁控溅射薄膜制备技术还可以制备光学涂层，如反射镜膜、中间反射膜、透镜膜、滤波镜。
这些涂层具有高透明度、低散射和高反射率等特点，广泛应用于光学器件、显示器件、激光器件等领域。
3. 生物医学领域磁控溅射薄膜制备技术还可以制备生物医学材料，如医用钢、医用钛、金属合金等薄膜，这些薄膜具有良好的生物相容性和生物可降解性，可用于人工骨骼、人工关节和牙科修补材料等方面。
4. 电子器件磁控溅射薄膜制备技术还可以制备电子器件材料，如导电膜、隔离膜、介质膜等，这些薄膜具有优良的电学性能和化学稳定性，可用于半导体器件、光电子器件等领域。
5. 其他应用除了以上应用之外，磁控溅射薄膜制备技术还可以用于制备防腐蚀、阻燃和防弹涂层，磁记忆材料、人工晶体、存储介质、光电子元器件、传感器等领域。
三、磁控溅射薄膜制备技术的优势和发展方向磁控溅射薄膜制备技术具有许多优势，如具有高质量、高可控性、高纯度、良好的附着性、高重复性等，与传统的化学气相沉积、离子束沉积、溅射沉积等技术相比具有明显的优势。
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
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1.33Pa 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～0.1A/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。
实验名称：磁控溅射制备金属薄膜
实验名称：磁控溅射制备金属薄膜一、实验目的1．了解磁控溅射镀膜的基本原理；2．了解磁控溅射镀膜设备的操作方法；3．熟悉磁控溅射镀膜的工艺；4．了解金属薄膜制备及应用。
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。
磁控溅射的工作原理如图，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+和新的电子（二次电子）；新电子飞向基片，Ar+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域内，并且在该区域中电离出大量的Ar+来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。
随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。
由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。
图1 工作原理图磁控溅射是一种常用的成膜方法，主要特点是：1、可以在低温下实现薄膜的沉积；2、膜厚可控性和重复性好；3、薄膜与基片的附着力强；4、膜层纯度高；5、可以制备特殊材料的薄膜，可溅射几乎所有的无机固体材料，不受熔点的限制；6、使用不同材料同时溅射或者采用反应溅射方法可以制备组分均匀的混合膜、化合膜。
缺点：成膜速度比蒸发镀膜低、基片温升高、易受杂质气体影响、装置结构复杂。
按照电压信号及是否通反应气体分类，磁控溅射可分为以下三类：1．直流溅射：溅射导电性良好的材料，如金属。
2．射频溅射：溅射导电性能较差的材料，如氧化物或有机物等。
磁控溅射法研制防紫外纳米铝膜涤纶织物
磁控溅射法研制防紫外纳米铝膜涤纶织物徐晓峰,陈小立,郭玉良,朱 泉,孙 兵,朱美芳(东华大学,上海201620)摘 要:以涤纶织物为基底,高纯铝为靶材,利用磁控溅射法制备纳米铝薄膜。
探讨了溅射气压、时间、功率和漫反射率对薄膜沉积速率和紫外线透过率的影响。
试验结果表明,用该方法制备的铝膜涤纶织物,对350～400n m波段的紫外线屏蔽效果良好,透过率较镀膜前降低1.54～2.28倍。
关键词:染整;紫外线;纳米结构;薄膜;织物;聚对苯二甲酸乙二酯纤维中图分类号:TS1901645 文献标识码:A 文章编号:1000-4017(2007)12-0010-03Ultrav i olet sh i eld i n g A l f il m prepared by magnetron sputter i n gXU Xiao2feng,CHE N Xiao2li,G UO Yu2liang,Z HU Quan,S UN B ing,ZHU Mei2fang(D onghua U niversity,Shanghai201620,China)Abstract:The A I fil m o f nano2struc tu re is p rep a red by m agne tr o n sp u tte ri ng o n po l ye s te r fab ri c.The i nfl uence o f sp u tte ri ng a t2 m o sp he ri c p re s su re,ti m e,pow e r ra ti o,d i ffu s i vity o n depo s iti o n ra te and tran sm ittance w a s d iscu sse d.The A I fil m depo s ited o n po l ye ste r sub s tra te ha s bee n com p a red w ith comm o n po l ye s te r sub s tance.The re su lts i nd i ca te tha t sh i e l d i ng effec t o f u ltra2 vi o l e t ray o f the A I fil m po l ye s te r sub s tance is w e ll and tran sm ittance is re duced1.54～2.28ti m e s i n350～400nm.Key words:dye i ng and fi n ish i ng;u ltravi o l e t ray;nano struc tu re;fil m;fab ri c;po l ye s te r fi be r0 前言过度的紫外线辐射对人体是有害的,因此,研究制备能有效屏蔽对人体有害紫外线的织物越来越受到人们的重视。
脉冲磁控溅射制备纳米薄膜的研究
脉冲磁控溅射制备纳米薄膜的研究纳米科技在现代科学与技术的发展中起到了重要的作用。
而在纳米科技领域中，纳米薄膜技术的应用十分广泛。
目前，纳米薄膜技术已经应用到了诸如电子器件、节能建筑材料、光学器件、生物传感器等领域。
脉冲磁控溅射技术作为一种重要的纳米薄膜制备技术，在纳米科技中扮演着重要的角色。
脉冲磁控溅射技术是一种通过高速运动的离子与目标材料相互作用并沉积在基底上的制备纳米薄膜的方法。
该技术是在磁场下，气体放电后，使得金属离子在高速作用下轰击目标材料的表面，并在基底上沉积出薄膜。
相比于传统的溅射技术，脉冲磁控溅射技术具有以下优点：1. 高沉积速度：脉冲磁控溅射技术在相同的条件下，制备出的纳米薄膜比传统的溅射技术具有更高的沉积速度。
2. 沉积质量好：由于轰击目标材料的离子具有较高的动能，薄膜的沉积质量得到了保证。
3. 精密调控：脉冲磁控溅射技术可以通过改变离子束的能量、角度和频率等参数来达到精密调控，产生定向和控制性较好的纳米薄膜。
纳米薄膜在现代科学与技术的领域中起到了至关重要的作用。
而在纳米薄膜的制备技术中，脉冲磁控溅射技术的应用则更加广泛和深入。
首先，脉冲磁控溅射技术可以制备出纳米厚度的薄膜，不仅可以满足基本性质的需求，而且还可以在结构、电子、光学甚至是表面化学等方面得到有效调控；其次，脉冲磁控溅射技术可以在不同基底上进行制备，极大地扩展了其应用范围；最后，脉冲磁控溅射技术采用无污染无毒的制备方法，对于生物医用材料、环境保护等方面具有重要意义。
虽然脉冲磁控溅射技术在纳米薄膜制备领域中呈现出巨大的优势，但是在实际应用中还存在一些问题。
首先，脉冲磁控溅射技术对于基底材料的要求较高，需要选取适合的基底材料才能达到最佳的制备效果；其次，脉冲磁控溅射技术制备过程中难以避免的离子轰击可能会对材料的性质和结构造成一定影响，需要针对不同的材料进行相应的优化处理。
综上所述，脉冲磁控溅射技术作为一种重要的纳米薄膜制备技术，具有较高的沉积速度、精密调控以及优良的沉积质量。
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
磁控溅射法制备薄膜材料实验报告实验报告：磁控溅射法制备薄膜材料一、引言薄膜材料广泛应用于电子器件、光学器件等领域，其性能直接影响着器件的性能。
磁控溅射法是一种常用的制备薄膜材料的方法，通过在真空环境下，利用磁控电子束或离子束轰击源材料的表面，使源材料蒸发并沉积在基底上，从而得到所需的薄膜材料。
本实验旨在通过磁控溅射法制备一种特定的薄膜材料，并对其形貌、结构和成分进行表征。
二、实验方法1.实验仪器与材料本实验使用的主要仪器设备有磁控溅射设备、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）。
实验材料包括源材料、基底材料和溅射气体。
2.实验步骤（1）将源材料加载到磁控溅射设备的靶位上，并安装好基底材料。
（2）将真空室抽气至高真空状态，确保实验环境稳定。
（3）开启溅射气体，调节其流量和压力，使其保持合适的工作状态。
（4）通过操纵磁控溅射设备的参数，包括溅射功率、工作距离等，进行溅射，沉积薄膜材料在基底上。
（5）制备完成后，将样品取出，进行表征。
三、实验结果与分析通过SEM观察，薄膜材料的表面形貌均匀，没有明显的颗粒和裂纹，呈现出光滑的特点。
通过透射电子显微镜（TEM）的观察，薄膜材料的厚度约为100 nm，呈现出均匀的结构。
通过XRD分析，薄膜材料的晶体结构为立方晶系，晶面取向较好。
通过对XRD图谱的解析，还可以得到薄膜材料的晶格常数、晶粒大小等信息。
通过能谱仪的分析，可以确定薄膜材料的成分。
实验结果显示，制备的薄膜材料主要由目标材料的原子组成，没有掺杂物的存在。
四、讨论与改进通过磁控溅射法制备的薄膜材料，表面形貌均匀且结构良好，符合预期需求。
但是，在实验过程中，我们发现了一些问题，如薄膜材料的制备速率较慢、材料的含气量较高等。
为了解决这些问题，我们可以在实验过程中进行参数的优化，如调节溅射功率、溅射时间等，以提高制备速率；同时可以加入适量的氩气来降低材料的含气量。
此外，在薄膜材料的表征上，我们只是使用了SEM、XRD和能谱仪等仪器进行了一些基本的表征，对于材料的电学、光学等特性并没有进行深入的研究。
05磁控溅射法制备的TiN纳米晶薄膜的结构特性
磁控溅射法制备的TiN纳米晶薄膜的结构特性摘要：利用直流磁控溅射法在Si(111)衬底上制备TiN纳米晶薄膜，沉积温度和时间对薄膜的微观结构形态的影响分别用FE-SEM和AFM来表征。
TiN薄膜的结气的混合气体沉积所得的薄膜存在(200)的构用XRD来分析。
开始时在Ar和N2择优取向，后来当沉积温度增加到500℃时其择优取向变为(111)-(200)。
在N2气沉寂的薄膜开始表现出(111)的择优取向，但是随着时间的增加转变为(200)- (111)的择优取向。
TiN薄膜中结构的转变归因于一种或者是多种因素共同造成，例如应变能、表面自由能、表面扩散和吸附原子流动；每一种因素的影响依赖于实验过程的情况。
薄膜的晶粒大小利用XRD测的。
通过FE-SEM观察到在Ar+N2 气下沉积的TiN薄膜分别存在金字塔形状和柱状晶粒的形态。
(70:30) 和纯N2气下沉积的TiN 利用薄膜的AFM图像计算薄膜的平均粗糙度。
结果表明在纯N2(70:30)混合气体下沉积的薄膜。
薄膜的平均粗糙度小于在在Ar+N21.IntroductionTiN薄膜由于具有超硬及较好的化学稳定性而广泛应用于摩擦涂层和防扩散涂层。
TiN纳米晶薄膜由于具有纳米级尺寸和表面的影响相较于块状纳米晶薄膜存在更大的硬度和长度。
对于TiN薄膜在结构，功能型应用而言，控制薄膜的微观结构特征，例如粒度、形状、质地、多孔性、密度、填料因子以确保TiN 薄膜的可靠性是很重要的。
物理气相沉积技术，例如磁控溅射、磁过滤阴极弧、离子镀和等离子体基离子注入均可制备TiN薄膜。
在物理气相沉积技术中沉积参数和热处理对于TiN薄膜的微观结构特性影响较大。
举个例子，在磁控溅射中，对于控制沉积参数例如沉底温度、压强、功率、衬底和能量及粒子流量可以进一步影响薄膜的晶粒生长和结晶性质，而这归根结底将影响薄膜的微观结构和性质。
构造模型可以描述沉积薄膜的结构。
这些模型提供了在所期待的温度下沉积薄膜有与预测相同微观结构的优质图像。
磁控溅射技术在纳米厚度薄膜制备中的应用
磁控溅射技术在纳米厚度薄膜制备中的应用现代科学技术的快速发展，使得纳米材料和纳米技术成为了当前研究的热点。
而在纳米材料制备中，磁控溅射技术已经成为了一种很重要的方法。
这种技术主要是利用电弧放电的方式在气氛下进行的，得到的薄膜具有纳米级厚度和高质量。
本文将详细介绍磁控溅射技术在纳米厚度薄膜制备中的应用。
磁控溅射技术简介磁控溅射技术是一种利用电子束或离子束使靶材物质从表面剥离的方法。
该过程中，利用电场加速粒子，使它们连续轰击靶材的表面，将其剥离而掉落在衬底上的方法，从而达到薄膜制备的目的。
在磁场的作用下，电子束离开靶材表面后，因为受到磁场的作用而受到迅速离开，然后将离子束合并到靶材表面上，这种方法成为磁控溅射技术。
制备纳米厚度薄膜的过程磁控溅射技术的制备过程主要包括以下几个步骤。
首先，将靶材和衬底放置于真空室中，减少氧气的含量，因为氧气会使薄膜中夹杂气体含量增加；其次，使用电极对靶材进行电流冲击离子化处理；然后，在衬底上加一定电压诱导离子束的轰击；最后，通过特定的控制条件获得合适的薄膜厚度。
应用场景纳米厚度薄膜在各个领域得到广泛的应用。
在光电信息、环境污染检测设备、医疗器械、新型功能涂料和生物材料等领域，都发现了纳米厚度薄膜的应用。
举个例子，利用纳米薄膜制备的生物材料，可以在人体血管中构建出高效、不易阻塞的支架，而且具有良好的生物相容性。
在电子元器件制造中，纳米薄膜的应用极为广泛，可以制备出备有理想性能的膜电容器和微芯片等元器件。
磁控溅射技术在纳米厚度薄膜制备中的优势和其他制备方法相比，磁控溅射技术在纳米厚度薄膜制备中有着不小的优势。
第一，可以得到高质量、高均匀性、高稳定性和纳米级厚度的薄膜；第二，可以实现多元合金化薄膜的制备，且具有很强的材料可控性；第三，不在薄膜制备过程中需要非常复杂的化学反应，只需用普通靶材及没有污染的种类，具备对环境不污染，也无需刻蚀技术等特殊处理，提高了制备的可重复性和产业化化程度；最后，所需设备不大，投资成本相对较低。
磁控溅射法制备金属薄膜的工艺参数
λ =360nm的紫外线透过率分析
35
1h 2h 3h
30
1.5Pa 2.5Pa 3.5Pa
30
25
透过率T (%)
透过率T (%)
20
20
15
10
10
5
0
1
2
3
4
1
2
3
压强 (Pa)
时间 (h)
对于360nm的紫外线来说，锌薄膜的溅射参数压强的改变导致 的透过率的变化不具有明显规律性；但是随溅射时间的变长， 膜厚增加，透过率明显减小。各种条件下的透过率均很低。
直流溅射 极限真空度4.0×10-4 Pa，氩气气流量20 cm3/min，镀膜时间5 min，实验偏压无。
锌靶材镀膜
压强 Pa/时 h 1.5/1 1.5/2 1.5/3 2.5/1 2.5/2 2.5/3 3.5/1 3.5/2 3.5/3 Zn 膜的厚度/nm 23.4 25.2 357.6 217.9 246.7 421 132.8 362.4 357.1 24.5 26.5 355.2 222.3 249 374.6 129.8 352.8 351.7 23.4 25.4 355.1 223.1 243 395.8 133.5 357.3 356.7 平均值/nm 23.76667 25.7 355.9667 221.1 246.2333 397.1333 132.0333 357.5 355.1667
溅射参数（温度℃ - 压强 Pa- 功 率 W） 25-0.5-180 25-1.0-180 25-1.5-180 25-1.0-130 25-1.0-80 50-1.0-180 100-1.0-180
平均值/nm 14.6 11.2666667 8.5 9.16666667 7.83333333 9.53333333 9.23333333
磁控溅射法制备PVD薄膜晶格结构分析
磁控溅射法制备PVD薄膜晶格结构分析
阿苏娜;李国新;王广海
【期刊名称】《材料导报：纳米与新材料专辑》
【年(卷),期】2008(000)001
【摘要】对物理气相沉积（PVD）薄膜材料和固体金属材料进行了XRD扫描分析。
结果表明，PVD薄膜晶体与固体金属晶体未出现明显变化，但衍射峰呈现宽化。
由于磁控溅射技术制备出的PVD薄膜晶粒是堆层沉积，致使PVD薄膜出现晶格
不完整性，即存在各种晶格缺陷和晶格畸变。
PVD薄膜晶格缺陷是导致薄膜材料
电性能变化的主要原因。
【总页数】2页(P215-216)
【作者】阿苏娜;李国新;王广海
【作者单位】北京理工大学宇航科学技术学院,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】TB383
【相关文献】
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牟威圩;施朝淑
4.反应磁控溅射法沉积的氟化类金刚石薄膜的结构分析 [J], 江美福;宁兆元
5.磁控溅射法沉积SiNx非晶薄膜的生长机制及结构分析 [J], 邬洋;衣立新;王申伟;杜玙瑶;黄圣;冀国蕊;王永生
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磁控溅射法制备薄膜材料实验报告
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 1.33Pa 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～0.1A/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。
磁控溅射法制备薄膜实验报告
浙江理工大学物理实验报告薄膜技术及应用姓名：刘彬学号：200920101017班级：应用化学物理实验室实验名称：Cu3N薄膜的制备组别：1 日期：2010年12月20日成绩一、实验目的1．熟悉磁控溅射法的原理及其操作。
2．了解Cu3N薄膜的晶体结构与其制备工艺参数之间关系。
二、实验试剂及仪器JGP560CC型磁控溅射仪三、实验原理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和新的电子；新电子飞向基片，Ar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域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。
随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。
由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。
磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。
入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。
在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。
四、实验过程：利用JGP560CC型磁控溅射仪，采用射频磁控溅射方法，按照表1中的工艺参数在玻璃基底上成功制备了Cu3N薄膜。
溅射时所用靶材为99.99%Cu靶，靶的直径为5cm，厚度2.5mm；靶和基片之间的距离为65mm；溅射所用气体是99.999%高纯氮气和氩气。
将基底在放入真空室之前，分别用丙酮和酒精超声波清洗，溅射前将真空室气压抽至2×10-5Pa，并通人氩气预溅射5min以清洗靶面；随后通入适量反应气体N2，两种气体的流量分别使用质量流量计控制，总气压为1 Pa。
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磁控溅射法制备的纳米金薄膜的工艺条件和结构分析*许小亮1,2,王 烨1,2,赵亚丽1,2,牟威圩1,2,施朝淑1,2(1.中国科学院中国科学技术大学结构分析重点实验室,安徽合肥230026;2.中国科学技术大学物理系,安徽合肥230026)摘 要: 通过直流溅射沉积法在玻璃衬底上制备了不同生长条件下的纳米金薄膜,利用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)对其进行表面形貌分析。
XRD图显示Au膜具有(111)面择优取向;AFM 图显示,在不同的生长阶段Au膜具有不同的表面微结构。
总结了不同的工艺条件对薄膜晶粒生长的影响,这项研究对实现金属薄膜的可控性生长有重要意义。
关键词: 晶粒生长;纳米金;表面形貌;磁控溅射中图分类号: O782.9文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2006)08-1216-041 引 言纳米金颗粒薄膜的非线性光学研究在国际上引起高度重视,这是因为入射光可在金属颗粒间产生的很强的近场表面等离子激元(SP)共振增强效应[1,2],具备102~106倍的局域增强效果[3,4]。
但既往研究中的金薄膜是处于高度无序状态的准连续颗粒薄膜,而没有开展对有序微晶体系薄膜的研究。
这是因为技术上还没有做到对薄膜取向度和晶粒尺寸的可控性生长[5]。
根据已有的SP理论,组成薄膜的颗粒大小及其结晶度对SP有很大的影响,因此实现纳米金颗粒薄膜的可控性生长对于推动SP的研究是十分重要的。
从一般理论模拟的结果[6~14]来看,薄膜的生长可分为3个阶段:晶粒的成核与核生长过程、正常晶粒生长过程和反常晶粒生长过程[6]。
这3个阶段之间并没有严格的界限,只是在特定阶段时某种过程占主导地位。
各晶粒相互接触,晶界形成后,晶粒开始柱状生长,横向直径由早期在衬底表面上发生的成核过程决定[7,8]。
随着薄膜厚度的增加,柱状晶粒的平均直径不断增加,这就是薄膜的正常晶粒生长过程[9]。
当晶粒半径可以和薄膜厚度相比拟时,正常晶粒生长将会停滞,这被称为厚度效应[10]。
整体上所有晶粒的平均尺寸将继续增长,主要是反常晶粒的生长[11,12],速率更快,这是吸收了周边的正常晶粒所致,这种生长状态将持续到正常晶粒全部被吸收。
薄膜晶粒的优势取向生长是由晶粒间自由表面能和接触面能的差异造成的[13]。
晶粒的正常生长过程对晶粒的优势取向生长及薄膜的织相结构并没有影响;而在反常生长阶段,具有优势取向的晶粒边界迁移能力更强,会以相对更快的速度生长,并吸收周围的晶粒,生长成为大晶粒,形成薄膜的最优取向和织相结构[14]。
2 实 验本实验采用直流磁控溅射仪制备Au膜,用洁净的载玻片作为衬底,靶材为纯度5N的金靶,本底真空控制在10-3~10-2Pa,起辉电压0.26kV,电流25mA。
溅射过程中,功率控制在6.5~10W,所生长的薄膜厚度分别为3、6、12和24nm。
本实验的目的是总结不同的工艺条件对薄膜生长的影响,而影响纳米金属颗粒的可控性生长的主要因素有:溅射气体压强,衬底温度,薄膜厚度以及溅射功率和溅射电流等,我们将实验样品分组,进行组合式分析。
具体的实验参数见表1。
表1 纳米金薄膜的不同生长条件Table1Different grow th conditions of the nano-Au film s样品号厚度(nm)A r气压(Pa)温度( )功率(W) 13,6,12,24 3.02008.72120.5, 1.0,3.0, 6.0200 6.5 312 3.0RT,150,200,250,30010.0利用XRD和AFM对各种样品进行了结构和表面形貌分析。
3 实验结果及分析对3组样品分别作了X射线衍射谱研究(图1~ 3)。
谱中的4个峰分别对应于Au薄膜的(111)、(200)、(220)、(311)面。
研究指出:具有面心立方结构(f.c.c.)的金属薄膜,其晶粒的自由表面和底部的表面自由能在(111)面上达到最小值[13],这表明金膜本身的性质决定它有(111)的优势取向。
结合本实验的XRD测试结果,薄膜厚度为24nm(3.0Pa,200 ,8.7 W)时,各特征峰的相对强度比为I(111) I(200) I(220)*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50472008);安徽省人才开发基金资助项目(2003Z021);安徽省高新技术基金资助项目(04022001)收到初稿日期:2005-11-09收到修改稿日期:2006-04-12通讯作者:许小亮作者简介:许小亮 (1960-),男,江苏南京人,教授,博士,主要从事纳米光电功能材料的研究。
I (311)=9.2 2.5 1.3 1,而金膜在没有优势取向生长时(r ando m orientation)各特征峰的相对强度比应为I (111) I (200) I (220) I (311)= 3.2 1.6 1 1.1,由此金膜样品有比较明显的(111)面取向优势。
图1 第1组样品XRD 图Fig 1XRD patterns of series 1samples图2 第2组样品XRD 图Fig 2XRD patterns of series 2samples图3 第3组样品XRD 图Fig 3XRD patterns of series 3samples由此得到(111)峰半高宽(FWH M )B 的值,通过谢乐公式:D =0.94B cos计算出薄膜晶粒直径。
表2、3、4列出了不同厚度,不同Ar 气压以及不同沉积温度所制备薄膜的晶粒大小情况。
表2 不同厚度金薄膜的晶粒直径Table 2Crystal diameter o f Au films at differentthickness厚度(nm)B (F WH M )( )D (nm)3 2.3590 3.55936 1.12397.4777120.604213.9122240.522816.0843表3 不同Ar 气压下制备的金薄膜的晶粒直径Table 3Crystal diameter o f Au films at differ ent Arpressures气压(Pa)B (FWH M )( )D (nm)0.50.713511.78311.00.601213.78743.00.569714.75476.00.645113.0275表4 不同衬底温度下制备的金薄膜的晶粒直径Table 4Cry stal diameter of A u films at differentg row th tem peratures温度( )B (FWH M )( )D (nm)RT 1.19417.04461500.698812.02942000.691012.16713000.657512.7804为了得出晶粒尺寸D 随薄膜厚度H 、工作气压P 、衬底温度T 和溅射功率W 的变化,对这些数据进行Bo ltzmann 拟合,从图4可以看到,在薄膜晶粒生长初期,晶粒尺寸大小D 和薄膜厚度H 相当,近似为线性增大,在薄膜较厚的情况下,晶粒尺寸D 的变化率随薄膜厚度H 的增加而逐渐变小,并且逐步趋向一个稳定的值(约16nm),这说明此时从底层晶粒延续的纵向生长已经停止,在旧晶粒顶上由于核化而生长出新的晶粒,新晶粒的生长过程和底层晶粒相同。
图4 晶粒尺寸与薄膜厚度的拟合曲线Fig 4Simulatio n of crystal diameter and film thick -ness由图5,薄膜晶粒尺寸D 随溅射Ar 气压P 的增大是先增大后减小,在3Pa 左右达到最大值。
这种变化规律主要受两个相互制约的因素影响:(1)工作Ar气压P 升高,粒子之间的碰撞增多,Ar +对Au 原子的散射作用增强,A u 颗粒损耗的能量大,到达衬底的几率变小却粒子能量低,导致溅射沉积速率下降,Au 原子有足够的时间结晶,结晶度高,晶粒平均尺寸D 增大;(2)继续升高工作Ar 气压P ,Ar +数增多,它们的影响超过了粒子间相互碰撞的影响,使溅射率和沉积速率提高,导致薄膜结晶度降低,晶粒平均尺寸D 也相应地减小。
图5 晶粒尺寸与工作气压的拟合曲线Fig 5Simulation of cr ystal diam eter and Ar pressure 由图6,随着衬底温度T 升高,薄膜晶粒的平均尺寸D 也增大。
这是因为当衬底温度较高时,Au 原子轰击到玻璃衬底上后,过剩的能量较衬底温度低时增加,因此Au 原子在衬底基片表面更容易移动到平衡位置,有利于Au 颗粒的生长,晶粒尺寸D 增大。
另一方面,因为薄膜的最大厚度为20nm 左右,由吸附原理,以化学吸附为主,薄膜内部有化学势垒,需要热激发,当衬底温度T 升高时,薄膜的化学吸附性越好,因此结晶也越好,有利于晶粒的生长,晶粒尺寸D 随之增大。
图6 晶粒尺寸与衬底温度的拟合曲线Fig 6Sim ulation of cry stal diam eter and temperature 当其它条件不变时,随着溅射功率的增大(由6.5W 变化到8.7和10.0W),晶粒变小(由14.7547nm 变为13.9122和12.1671nm)。
因为溅射功率越大时,Au 颗粒溅射速率越高;溅射速率较高时,薄膜处于非稳定态,在表面出现结构缺陷的几率较大,因此薄膜的结构特性相对较差,结晶度较低,导致薄膜晶粒平均尺寸D 较小;反之,当Au 颗粒溅射速率较低时,薄膜更接近于稳定态,成膜的结构特性相对较好,薄膜的结晶度较高,则薄膜晶粒平均尺寸D 较大。
不过,和前面几项影响因素相比较,溅射功率对薄膜晶粒尺寸D 的影响并不显著。
用原子力显微镜(AFM)观察衬底温度为200 时生长的不同厚度的Au 膜的表面形貌(如图7),当薄膜厚度还是6nm 时,Au 膜基本上已经处于连续的状态,此时晶粒已经开始相互接触,并呈柱状生长(如图7(a))。
这时的晶粒顶端呈球缺状,薄膜表面凸凹有致,粗糙度较大,晶粒呈纤维状,横向直径远小于纵向高度,除了个别晶粒外,大多数晶粒的截面都显得比较小,这表明自由表面积(顶部的面积)和晶界面积的比值还很小,此时晶粒生长主要驱动力为晶界表面能gb ,薄膜正处于正常晶粒生长过程中。
当膜厚增加到12nm 时,Au 膜的晶粒排列变的非常紧凑,自由表面更加平整,横向直径较6nm 厚的薄膜样品大了很多,此时的自由表面积和晶界面积比值显然比图7(a)所示样品要大。
晶界和自由表面接触处的沟槽非常清晰,根据M ullins [15]的分析,自由表面能和晶界表面能需满足张力平衡。
也有个别晶粒间的晶界不明显,拥有这种晶界的两晶粒将要融为一体,长成更大的晶粒。
晶粒尺度随厚度明显增加,截面呈各种形态(如图7(b)),大多为多边形。