磁控溅射金属薄膜的制备
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磁控溅射法制备薄膜材料的步骤如下：1.靶材选择：选择可以溅射制备薄膜的材料作为溅射靶材。
这些材料通常是单质金属、合金或化合物，如金、银、铜、铝、氧化物等。
2.基底处理：将制备薄膜的基底进行清洗和表面处理，以保证薄膜的附着力和质量。
3.靶材安装：将靶材安装在溅射器的靶架上。
4.真空抽气：将溅射室进行抽气，以建立良好的真空环境。
这可以防止杂质、气体和水分对薄膜质量的影响。
5.溅射气体调节：调节溅射气体（通常是氩气）的流量和压力，以维持合适的工作气氛。
6.加热基底：通过加热基底，可以提高薄膜附着力和晶体质量。
7.确定溅射条件：根据需要制备的薄膜材料，调节溅射功率、工作气氛和溅射时间等参数，以保持溅射过程的稳定和合适的溅射速率。
8.溅射过程：通过加大靶架上的电流，激发高能粒子与靶材相互作用，使靶材表面的原子蒸发并沉积在基底上。
9.薄膜测量：制备完成后，进行薄膜的物理、化学性质的测试和表征，如薄膜的厚度、表面形貌、晶体结构、成分等。
磁控溅射法制备薄膜材料具有以下优点：1.良好的控制性：可以通过调节溅射参数（如功率、压力等）来控制薄膜的结构和性质。
2.高纯度材料：由于溅射过程中没有反应，制备的薄膜材料具有高度的化学纯度。
3.多种材料选择：不仅可以制备金属薄膜，还可以制备合金、氧化物、硅等其他材料的薄膜。
4.优异的附着性：磁控溅射法制备的薄膜与基底之间具有较好的附着性，可以在多种基底上制备。
5.溅射速率高：与其他制备薄膜的方法相比，磁控溅射的溅射速率较高，制备时间较短。
磁控溅射法制备薄膜材料的应用非常广泛。
例如，浮法玻璃制备中使用的氧化物和金属薄膜、电子器件制造中的金属和半导体薄膜、太阳能电池中的透明导电膜、光学镀膜中的金属和二氧化硅薄膜等。
此外，磁控溅射法还可以用于制备多层薄膜、纳米结构薄膜以及复合薄膜等特殊结构的材料。
总结起来，实验磁控溅射法制备薄膜材料是一种简便、可控性强且应用广泛的方法。
磁控溅射法的工作原理
(R, A)n1MnnO3n+1
二、锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应
1.钙钛矿锰氧化物基本的晶格
一般泛指的锰氧化物(Manganites)是基于钙钛矿结构来说 的，它的通式可以写为：(R, A)n1MnnO3n+1(其中R 为稀土元素, A 为碱土元素) ，通常也称作Ruddlesden-Popper(RP)相。在 RP化合物中，“n”代表MnO6 八面体顺着晶体[001]方向堆 垛的层数。如图1所示，单层 n = 1 的(R,A)2 MnO4化合物具有 二维的K2NiF4 结构，由一层MnO6八面体层和一层(R/A，O）交替 堆垛组成。n =2的双层(R,A)3Mn2O7和n = 3的三层(R,A)4Mn3O10化合 物分别有两层MnO6 八面体和三层 MnO6八面体与一层 (R/A，O）交 替堆垛组成。n =∞的化合物 (R,A)MnO3 具有无穷层的三维钙钛 矿结构。其中结构为(R,A)Mn2O7和 (R,A)MnO3的部分化合物表现出 CMR效应。
极化度 、电场E、诱导偶极矩m三者之间的关系:
E
拉曼和红外是否活性判别规则: (1) 相互排斥规则: 凡具有对称中心的分子，具
有红外活性(跃迁是允许)，则其拉曼是非活性(跃迁是 禁阻)的;反之，若该分子的振动对拉曼是活性的，则 其红外就是非活性的。
层状晶格图形如下
2. CMR效应 CMR效应存在于钙钦矿结构的掺杂锰氧化物中。不
同于GMR和TMR依赖于人工制备的纳米结构，钙钦矿锰 氧化物的CMR效应是大块材料的体效应。由于其磁电 阻值特别巨大，为了区别于金属多层膜中的GMR效应， 人们将这种钙钦矿结构中的磁电阻效应冠之以超大磁 电阻效应(eolossalMagnetoresistanee)，简称CMR效 应。CMR的一个显著特征是在磁相变的同时伴随着金 属到绝缘态的转变，并且磁电阻的陡然变化通常发生 在居里点()附近，一旦温度偏离居里点，磁电阻迅速 下降。这种极大的磁电阻效应实际上暗示了锰氧化物 材料中自旋一电荷间存在着强烈的关联性。现在己经 确认，锰氧化物具有电子的强关联特性，其CMR机理， 与铜氧化物的高温超导电性是一样的，是多电子强关 联系统中十分有趣和困难的问题。
ITO 工艺流程
ITO 工艺流程ITO（Indium Tin Oxide）工艺是一种广泛应用于电子显示器、太阳能电池等领域的透明导电薄膜。
以下是ITO工艺的基本流程：首先，需要准备ITO薄膜的基板。
常用的基板材料包括玻璃和塑料。
玻璃基板需要经过去污、清洗、消毒等工艺处理，以确保基板表面的干净和平整。
塑料基板则需要通过表面粗化等处理，以提高ITO薄膜与基板的粘附力。
接下来，将经过处理的基板送入ITO薄膜的制备设备中。
制备ITO薄膜的方法主要有物理蒸发、磁控溅射和化学气相沉积等。
其中，磁控溅射是较常用的方法，通过将含有高纯度的铟和锡的靶材置于真空室中，加入惰性气体并通电产生等离子体，使靶材表面金属离子得以喷射到基板上，形成ITO薄膜。
在薄膜制备过程中，需要控制多个参数以获得优质的ITO薄膜，如靶材的化学成分、离子轰击能量、溅射功率、气氛气压等。
通过调整这些参数，可以控制薄膜的厚度、均匀性和导电性能。
制备完毕的ITO薄膜需要经过退火处理。
退火是将薄膜加热至高温，使其晶格重新排列并提高结晶度和导电性能的过程。
退火温度和时间的选择取决于ITO薄膜的具体用途和性能要求。
获得退火后的ITO薄膜后，需要进行表面处理以提高其抗刮、耐腐蚀等性能。
这可以通过涂覆导电聚合物、氧化铟保护层等工艺来实现。
最后，经过所有工艺的ITO薄膜需要进行质量检验。
常见的检验项目包括膜厚测量、光学透射率测试、面阻测试等。
只有通过严格的质量检验，才能确保制备出优质的ITO薄膜。
总之，ITO工艺通过制备、退火、表面处理和质量检验等工艺步骤，最终得到透明导电薄膜。
这些薄膜广泛应用于电子显示器、太阳能电池等领域。
随着科技的发展，ITO工艺也在不断进步，新的材料和方法被引入以进一步提高ITO薄膜的性能和应用范围。
反应式磁控溅射技术的应用
反应式磁控溅射技术的应用反应式磁控溅射技术（reactive magnetron sputtering）是一种高端薄膜制备技术，近年来在各种领域得到越来越广泛的应用。
反应式磁控溅射技术利用磁场加速的离子轰击靶材的原理，将金属靶材制备成的薄膜过程中，向气体环境中加入反应气体，使其发生离子、分解或化学反应，从而制备出具有优异性能的复合薄膜。
反应式磁控溅射技术具有以下几方面的优点：一、生产的薄膜质量高反应式磁控溅射技术可以实现高纯度、均匀结构、低应力、良好附着力的薄膜，使得其在光学、电学、磁学、力学等方面具有高精度和稳定性能。
例如：利用这种技术生产的铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池薄膜具有优异的电化学性能和稳定性，是目前太阳能电池领域最为热门的材料之一。
二、生产过程可控性强由于反应式磁控溅射技术的制备过程可以在真空环境下通过控制气体流量、反应气体种类、离子轰击靶材速度和能量等多个参数实现精确控制。
这种可控性强的生产过程，可以使得制备的薄膜的结构、成分、形貌都可以精确控制和调整，满足不同行业和应用领域的需求。
三、生产成本低反应式磁控溅射技术的生产成本相比其他制备方法来说是比较低的。
正因为如此，该技术已经得到了广泛的应用。
其原因在于，该技术制备过程不需要高温、高压，真空成本相比其他技术也要低很多，材料的损失较少。
同时该技术的耗材也相对较少，能够在短时间内收回投资。
在现代产业与科技快速发展的大背景下，反应式磁控溅射技术的应用也越来越广泛。
以下是反应式磁控溅射技术在不同领域的应用：一、光电行业反应式磁控溅射技术可以制备出高精度、高性能的光学镀膜，例如太阳能电池、LED（Light Emitting Diode）薄膜等等。
这些器件需求的光学性能在实现中都需要使用反应式磁控溅射技术。
二、机械制造业反应式磁控溅射技术玻璃薄膜可用于机械制造业中，例如制造高要求的切割刀片。
材料的高耐磨性、高精度等特性，可以为切削过程提供长期可靠服务。
射频磁控溅射法制备ZnO薄膜
ZnO薄膜的XRD图 薄膜的XRD 图2 ZnO薄膜的XRD图
XRD图显示： 图显示： 图显示
（1）样品均出现了2θ≈34.75°的较强的(002)衍射峰，说明薄 膜具有垂直于基片平面较好的c轴择优取向 （2）2、3、 4号样品中出现了2θ≈72.5°的微弱的(004)衍射 峰，在4号样品中出现了2θ≈32.2°的微弱的(100)衍射峰，其 中(004)峰为(002)晶面的次级衍射峰。 （3）在衬底温度从RT升至250℃的过程中，(002)衍射峰相对 强度随衬底温度升高而增加，薄膜c轴择优取向变好，而当温 度超过250℃以后，(002)峰相对强度变小。
所谓磁控溅射就是在二极溅射的基础上附加一个磁场利用电子在正交电磁场中作螺旋线轨迹运动进一步提高真空溅射镀膜的效率和质量以金属靶材为阴极阳极接地也可以是正电位两极间通入工作气体在此以氩气ar为工作气体当两极间施加高压时电极间的ar发生电离电离产生的电子向阳极作加速运动而ar向阴极作加速运动撞击阴极靶材
二、ZnO薄膜的应用 ZnO薄膜的应用
光电显示领域中的透明电极 太阳能光电转换领域中的异质结 各种压电、压光、 各种压电、压光、电声与声光器件
气敏元件
三、ZnO薄膜的研究进展 薄膜的研究进展
Hang Ju Ko等人利用分子束外延(MBE)方法制备了高 质量的ZnO薄膜；Zhang等人利用分子束外延方法在Al2O3 上制备了 ZnO的发光二极管；Su等人利用等离子体协助分 子束外延(P-MBE)方法制备了ZnO/ZnMgO 单量子阱，结合 理论计算所得在导带和价带中的第一亚带能量分别是 49meV和11meV；Chang等人利用分子束外延生长n-ZnO， 而利用金属有机化学气相沉积p-GaN，发现 n-ZnO/p-GaN 异质结具有发光二极管特性；Gangil等人利用等离子增强的 MOCVD在Al2O3上制备出了N掺杂p型ZnO薄膜，载流子浓 度范围为1013 ~ 1015 cm-3，电阻率为10-1 ~
aja磁控溅射原理
aja磁控溅射原理引言：aja磁控溅射是一种常用的薄膜制备技术，它利用磁场控制金属靶材上的离子轰击，使其表面的金属原子得以溅射并沉积在基底上，从而形成具有特定功能的薄膜。
本文将详细介绍aja磁控溅射的原理、过程以及应用领域。
一、aja磁控溅射的原理aja磁控溅射利用磁场控制离子轰击金属靶材，并将溅射的金属原子沉积在基底上，形成薄膜。
其原理主要包括以下几个方面：1.磁控电子枪磁控电子枪是aja磁控溅射系统中的核心部件之一。
它通过电子束轰击金属靶材，产生高速离子束。
电子束在磁场的作用下呈螺旋状运动，从而使得离子束具有较高的平行度和能量分散度。
2.靶材靶材是aja磁控溅射中的溅射来源，通常由金属或合金制成。
靶材的选择取决于所需薄膜的成分。
在溅射过程中，电子束轰击靶材表面，使其金属原子从靶材上解离并沉积在基底上。
3.基底基底是薄膜沉积的载体，可以是玻璃、硅片、金属等材料。
基底的选择取决于所需薄膜的应用领域和性能要求。
4.工作气体工作气体在aja磁控溅射过程中起到两个作用：一是辅助形成离子束，二是稀释蒸发的金属原子。
常用的工作气体有氩气、氮气等。
二、aja磁控溅射的过程aja磁控溅射的过程可分为以下几个步骤：1.真空抽取在溅射过程开始前，需要将溅射室抽取至一定真空度，以确保溅射过程的稳定性和薄膜质量的提高。
2.离子轰击开启磁控电子枪，使电子束轰击金属靶材，产生离子束。
离子束的能量和流强可以通过调节电子枪的电压和电流来控制。
3.溅射沉积离子束轰击靶材表面，使金属原子从靶材上解离并沉积在基底上。
离子束的角度和位置可以通过调节磁场来控制，从而实现对薄膜的控制。
4.薄膜成长通过不断重复离子轰击和溅射沉积的过程，薄膜逐渐增厚，直到达到所需的厚度。
5.薄膜质量检测薄膜成长结束后，可以通过一些表征手段对薄膜的质量进行检测，如扫描电子显微镜、X射线衍射等。
三、aja磁控溅射的应用领域aja磁控溅射技术在多个领域都得到了广泛应用，主要包括以下几个方面：1.光电子器件aja磁控溅射可以制备光电子器件中的薄膜材料，如透明导电膜、光学膜等。
磁控溅射法制备五氧化二钒薄膜的表面粗糙度研究
磁控溅射法制备五氧化二钒薄膜的表面粗糙度研究作者：张吴晖卢文壮杨斌杨凯杨旭来源：《航空兵器》2017年第02期摘要：V2O5是一种具有热致相变特性的新型非线性光学材料，被广泛应用于激光致盲防护领域。
V2O5薄膜的表面粗糙度是影响其性能的重要因素。
本文采用磁控溅射镀膜的方法在蓝宝石表面制备V2O5薄膜，通过控制氧氩比以及衬底温度，探究V2O5薄膜表面粗糙度与这两个因素之间的关系。
实验表明，衬底温度较低（约300℃）时，表面粗糙度较小，且随氧含量变化不大；衬底温度较高（400℃以上）时，随着氧含量的增加，表面粗糙度变大。
同时，当氧分压一定时，随着衬底温度的提高，薄膜的表面粗糙度也增大。
关键词：磁控溅射；氧氩比；衬底温度；V2O5薄膜；表面粗糙度；激光防护技术中图分类号：TJ760.5；TN213 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0060-050引言基于相变原理的激光防护技术可以实现全波段激光致盲防护，热致相变材料也因其具有高损伤阈值、低防护阈值以及快速响应的特性，在激光致盲防护领域具有巨大的潜在应用价值。
V2O5作为一种具有半导体态-金属态相变的热致相变材料，相变温度在257℃。
处于半导体状态的V2O5薄膜具有很高的透射率以及高电阻率，激光的热效应会使其在短时间内发生相变，相变后的V2O5薄膜的透射率急剧下降，从而截止激光的透射。
该过程可逆，能够兼顾接收信号和抗激光致盲。
磁控溅射镀膜技术具有溅射速率快、溅射制备的薄膜与基片的附着力强、低温下即可制备、制备过程中工艺参数易控制等优点，是制备V2O5薄膜最常用的方法。
V2O5薄膜的表面粗糙度会直接影响其折射率、消光系数以及电阻率等，从而影响V2O5薄膜的红外透射率、相变特性以及激光破坏阈值，因此對薄膜的粗糙度研究显得尤为重要。
1V2O5薄膜的制备实验V2O5薄膜制备实验选用蓝宝石作为基片，规格为Φ30 mm×2 mm。
薄膜磁控溅射实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过磁控溅射技术制备不同材料薄膜，研究其制备过程中的工艺参数对薄膜质量的影响，并对薄膜的表面形貌、晶体结构、成分及性能进行分析。
二、实验原理磁控溅射技术是一种物理气相沉积方法，通过将靶材加热至一定温度，使其表面产生自由电子，然后在电场的作用下，自由电子与气体分子发生碰撞，产生等离子体，等离子体中的离子和电子被加速并轰击靶材表面，使靶材表面原子蒸发并沉积在衬底上形成薄膜。
三、实验设备与材料1. 实验设备：- 磁控溅射系统- 扫描电子显微镜（SEM）- X射线衍射仪（XRD）- X射线光电子能谱仪（XPS）- 红外光谱仪（IR）- 薄膜厚度测量仪2. 实验材料：- 靶材：Al、TiO2、ZnO等- 衬底：玻璃、硅等- 氩气、氮气等惰性气体四、实验步骤1. 清洗衬底：使用丙酮、乙醇、蒸馏水等清洗剂对衬底进行清洗，并在烘箱中干燥。
2. 装置准备：将靶材安装在磁控溅射系统上，设置靶材与衬底的距离、溅射气压、溅射时间等参数。
3. 磁控溅射：启动磁控溅射系统，进行溅射实验，制备薄膜。
4. 薄膜性能测试：使用SEM、XRD、XPS、IR等设备对薄膜的表面形貌、晶体结构、成分及性能进行分析。
五、实验结果与分析1. 薄膜表面形貌：SEM结果表明，Al、TiO2、ZnO等薄膜表面均匀，无明显缺陷。
2. 晶体结构：XRD分析表明，薄膜具有良好的晶体结构，晶粒尺寸较小。
3. 成分分析：XPS结果表明，薄膜中各元素含量符合预期。
4. 薄膜性能：- 硬度：Al、TiO2、ZnO等薄膜的硬度较高，具有良好的耐磨性能。
- 导电性：Al薄膜具有良好的导电性，适用于电子器件。
- 介电性能：TiO2、ZnO等薄膜具有良好的介电性能，适用于电容器等器件。
六、实验讨论1. 溅射气压对薄膜质量的影响：溅射气压越高，薄膜密度越大，晶粒尺寸越小，但溅射气压过高会导致薄膜表面出现缺陷。
2. 溅射时间对薄膜质量的影响：溅射时间越长，薄膜厚度越大，但溅射时间过长会导致薄膜内部应力增大，影响薄膜性能。
《磁控溅射镀膜技术》课件
要点二
溅射参数与工艺条件
溅射参数和工艺条件对磁控溅射镀膜的沉积速率、膜层质 量、附着力等有着重要影响。主要的溅射参数包括工作气 压、磁场强度、功率密度等，工艺条件包括基材温度、气 体流量和组成等。通过对这些参数的优化和控制，可以获 得具有优异性能的膜层。
磁控溅射镀膜设备
03
与系统
磁控溅射镀膜设备的组成
多元靶材磁控溅射
技术
研究多种材料同时溅射的工艺技 术，实现多元材料的复合镀膜， 拓展镀膜材料的应用范围。
磁控溅射与其他技术的结合应用
磁控溅射与脉冲激光沉积技术结合
01
通过结合两种技术，实现快速、大面积的镀膜，提高生产效率
。
磁控溅射与化学气相沉积技术结合
02
利用化学气相沉积技术在磁控溅射的基础上进一步优化镀膜性
磁控溅射机制
在磁场的作用下，电子的运动轨迹发生偏转，增加与气体分子的碰撞概率，产 生更多的离子和活性粒子，从而提高了溅射效率和沉积速率。
磁控溅射镀膜的工艺流程
要点一
工艺流程概述
磁控溅射镀膜的工艺流程包括前处理、溅射镀膜和后处理 三个阶段。前处理主要是对基材进行清洗和预处理，确保 基材表面的清洁度和粗糙度符合要求；溅射镀膜是整个工 艺的核心部分，通过控制溅射参数和工艺条件，实现膜层 的均匀、致密和附着力强的沉积；后处理主要包括对膜层 的退火、冷却和清洗等处理，以优化膜层性能。
纳米薄膜的制备与应用
总结词
纳米薄膜因其独特的物理和化学性质在许多 领域具有巨大的应用潜力。
详细描述
磁控溅射技术可以用于制备纳米级别的薄膜 ，如纳米复合材料、纳米陶瓷、纳米金属等 ，这些薄膜在催化剂、传感器、电池等领域 有广泛应用。
其他领域的应用研究
一种磁控溅射制备纳米多孔金属薄膜的方法[发明专利]
![一种磁控溅射制备纳米多孔金属薄膜的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b38a378e970590c69ec3d5bbfd0a79563c1ed48a.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201410737555.4(22)申请日 2014.12.05C23C 14/14(2006.01)C23C 14/35(2006.01)C23C 14/58(2006.01)B82Y 30/00(2011.01)(71)申请人国家纳米科学中心地址100190 北京市海淀区中关村北一条11号(72)发明人李晓军 刘颖 赵修臣 褚卫国江鹏 宋志伟(74)专利代理机构北京品源专利代理有限公司11332代理人巩克栋 侯桂丽(54)发明名称一种磁控溅射制备纳米多孔金属薄膜的方法(57)摘要一种制备纳米多孔金属薄膜的方法，通过磁控溅射工艺制备。
本发明的方法制作工艺简单，并可以常温下制备出纳米多孔金属薄膜；所制备的多孔金属薄膜具有超薄、比表面积大、活性高、膜层均匀、易于微器件集成等特点，可以应用于催化、新能源领域，并可以直接作为超级电容器材料制备微型电容电极。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图3页(10)申请公布号CN 104451547 A (43)申请公布日2015.03.25C N 104451547A1.一种制备纳米多孔金属薄膜的方法，其特征在于，通过磁控溅射工艺制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在衬底上溅射金属薄膜；(2)将制得的金属薄膜去除腐蚀电位低的合金元素。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在溅射金属薄膜之前，先溅射沉积Cr或Ti膜；优选地，所述Cr或Ti膜厚为5-15nm，优选为10nm；优选地，溅射沉积Cr或Ti膜的条件为：磁控溅射设备沉积腔室的本底真空度为5×10-5-10×10-5Pa，优选为7×10-5Pa；溅射功率为50-150W，优选为100W；溅射气压为0.2-1.0Pa，优选为0.5Pa；溅射时间为5-15min，优选为8min。
薄膜实验指导书
薄膜制备实验指导书实验一磁控溅射法制备金属薄膜一、实验目的1、了解磁控溅射实验原理2、学会操作磁控溅射仪3、了解影响薄膜质量的因素二、基本原理1、薄膜制备过程溅射沉积是一种物理气相沉积法，利用带有电荷的离子在电场中加速具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶材。
溅射过程是轰击粒子与靶原子之间能量传递的结果。
在轰击离子能量合适的情况下，在与靶材表面的原子碰撞过程中，靶材表面原子将获得足够的动能脱离固体表面，这些溅射出来的靶材原子带有一定的动能沿着一定的发向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积（如图1）。
在上述过程中，离子的产生过程与等离子体的产生或气体的辉光放电过程密切相关。
图1气体辉光放电需要的击穿电压：log bd pL V L p b∝+ 其中，p ——腔体压力，L ——电极间距，b ——常数。
发生溅射需要超过一个阈值能量，当能量较小时发生反弹或表面吸附，而能量较大时，会发生离子注入。
溅射过程中激发产生的二次电子可进一步与气体原子碰撞，引发电离或辉光， 几种常用气体的电离能见表格1表格1对于以氩离子做为入射离子的情况，入射能量略大于阈值时，产额随能量的平方增加；超过100eV,随能量线性增加；超过750eV,产额将略有增加；1000eV时产额最大（如图2）。
选择不同的电离原子，产额有所差异，其中稀有气体有较大的溅射产额。
图2对不同材料溅射产额与垂直入射氩离子的离子能图345keV离子射向银，铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子原子序数的函数关系所谓磁控溅射，就是通过在靶材的周围和后面设置磁场，限制二次电子于靶前面，增加轰击率和电离速率，提高溅射效率。
有很多因素影响沉积薄膜的质量，包括电压、真空背底气压、氩气溅射气压、氧分压、流量大小、衬底温度，溅射方式，若是射频溅射，偏压的大小也有一定的影响。
在制备薄膜时需要查阅资料获得各个参数，或者自行研究尝试，在表征测试后得到最好的实验条件。
2、薄膜表征（1）SEM：扫描电子显微镜扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopic）的制造是依据电子与物质的相互作用。
射频磁控溅射制备HfLaO薄膜结构和光学性能研究
射频磁控溅射制备HfLaO薄膜结构和光学性能研究李智;苗春雨;马春雨;张庆瑜【摘要】HfLaO films doped with different La contents, varying from 17% to 37%, were deposited using RF magnetron sputtering. The structure, thermal stability, surface morphology, and optical properties of HfLaO films were investigated by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscope (AFM) and spectrophotometry. The results indicate that as-deposited HfLaO with 25%-37% La films are amorphous. With the increase of La contents, the crystallization temperature for HfLaO films is increased. The HfLaO film with 37% La remains amorphous even after annealed at 900 °C. The AFM images show amorphous HfLaO films, which imply a good thermal stability have a relatively smooth surface. The average transmittance in the visible range is above 82% for all the films. The amorphous structure yields films of significantly higher transparency than the polycrystalline structure does. The refractive indices of the films are determined to be in the range 1.77-1.87. As the La concent increases the refractive indices of the films are initially increased and then decreased. The optical band gap of the HfLaO films decreases to 5.9eV (La 17%),5.87eV(La 25%), 5.8eV(La 33%), 5.77eV(La 37%), respectively.%采用射频磁控溅射技术制备HfLaO薄膜,利用X射线衍射(XRD)分析了薄膜的微结构,通过紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透过谱,计算了薄膜的折射率和禁带宽度,利用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌.结果表明:沉积态HfLaO(La:25％～37％)薄膜均为非晶态,随着La掺入量的增加,HfLaO薄膜的结晶化温度逐渐升高,HfLaO(La-37％)薄膜经900℃高温退火后仍为非晶态,具有优良的热稳定性,AFM形貌分析显示非晶薄膜表面非常平整.随着 La 掺入量的增加,HfLaO薄膜的透射率先降后增,在可见光范围薄膜均保持较高的透射率(82％以上).HfLaO薄膜的折射率为1.77-1.87.随着La掺入量的增加,HfLaO薄膜的折射率呈先增后降的变化趋势,同时HfLaO薄膜的Eg逐渐降低,分别为5.9eV(La～17％)、5.87eV(La～25％)、5.8eV(La～33％)和5.77eV(La～37％).【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2011(025)012【总页数】6页(P1281-1286)【关键词】HfLaO薄膜;磁控溅射;热学稳定性;光学性能【作者】李智;苗春雨;马春雨;张庆瑜【作者单位】大连大学机械工程学院,大连116622;大连理工大学物理与光电工程学院,大连116023;大连理工大学物理与光电工程学院,大连116023;大连理工大学物理与光电工程学院,大连116023【正文语种】中文【中图分类】O484;TN386随着超大规模集成电路集成度的提高, 半导体器件的特征尺寸按摩尔定律不断缩小. 高性能CMOS器件的栅介质层等效氧化物厚度(EOT)减小到1 nm以下时, 传统SiO2栅介质受隧穿效应的影响, 栅漏电流过大, 因此需要寻找新型高k栅介质材料来限制隧穿效应的影响, 从而能够在保持和增大栅极电容的同时, 使栅介质层仍保持足够物理厚度.HfO2具有较高的介电常数、较大的禁带宽度和良好的热稳定性, 有希望成为替代传统SiO2的新型高 k材料. 但是 HfO2结晶温度较低(约为 400～600℃), 结晶态HfO2栅介质薄膜对器件性能具有不利影响[1-3]. 近年, 为了提高 HfO2薄膜的结晶化温度, 研制与开发以 HfO2为基的多元系栅介质薄膜材料已成为研究热点之一. 稀土氧化物 La2O3电学性能优越[4], 具有较高的介电常数(k～30)、宽的带隙(5.8eV)、大的导带偏移量(2.3eV)且结晶温度较高(大约1100℃). 有研究者提出在HfO2中掺入稀土元素La后形成Hf1-xLaxOy薄膜, 以提高HfO2的结晶温度.国外已采用不同方法制备出 Hf1-xLaxOy薄膜, 如原子层沉积法[5]、磁控溅射法[6-7]和化学气相沉积法[8]等. 目前, 国内对Hf1-xLaxOy薄膜的研究尚处于摸索阶段, 有关 Hf1-xLaxOy薄膜制备工艺的研究报道较少. 本文采用射频反应磁控溅射技术, 通过改变La、Hf两种金属靶材的入射功率, 在 Ar、O2混合气体中制备出不同La 掺入量的HfLaO薄膜.1 试验部分1.1 样品制备薄膜制备是在 JGPG450型高真空磁控溅射系统上完成的, 溅射时靶面的法线方向与基片的法线方向近乎成45°, 金属Hf靶、金属La靶的纯度均为99.99%. 基片采用石英片和 n型 (100)取向的单晶Si片. Si基片清洗处理方法如下: 将Si片放入丙酮、乙醇、去离子水中分别用超声波清洗5 min, 然后在5%HF溶液中浸泡1 min, 除去自然氧化物层, 再在乙醇中用超声波清洗5 min, 经去离子水冲洗, 用干燥N2吹干后, 快速放入真空室, 在Ar和O2混合气氛下沉积薄膜. 真空室抽至本底真空度8.0×10-4 Pa. Ar和O2表观质量流量分别为30、5 cm3/min, 溅射过程中的工作气压均为1 Pa. 金属Hf靶的溅射入射功率为 120 W, 金属 La靶的溅射入射功率变化为40～100 W, 沉积温度为室温. 本文采用同样方式沉积了氧化铪和氧化镧薄膜以进行对比研究. 沉积的HfLaO薄膜在氮气气氛中进行退火处理, 退火温度在700～950℃, 升温速率为15℃/min, 退火时间为30 min, 退火后的样品自然冷却至室温.1.2 薄膜表征采用 X射线衍射(XRD)分析表征薄膜结构, 在D/Max2400衍射分析仪上进行. X射线源为CuKα辐射, 波长λ= 0.15418 nm. 采用EPMA-1600 型电子探针扫描显微镜进行薄膜成分分析. 在CSPM5500型原子力显微镜((AFM)上进行薄膜表面形貌观察, 采用轻敲扫描模式, 扫描频率为 2 Hz,扫描范围为2 μm×2 μm. 通过透射光谱研究薄膜光学性能, 采用 Lambda 35UV/VIS 光谱仪测薄膜透射光谱, 通过拟合光谱确定折射率、消光系数、光学禁带宽度等薄膜的光学参数.2 结果与讨论2.1 HfLaO薄膜成分与沉积速率通过能量色散X射线(EDX)特征能谱仪测量了不同工艺条件下制备的 Hf1-xLaxOy 薄膜的成份, 根据Hf峰和La峰的积分强度及其电离截面可以得到薄膜中的[La]/[La+Hf]原子含量比. EDX分析结果表明(图 1), 随着 La靶射频入射功率的增大, 薄膜中[La]/[La+Hf]增大, 分别为0、17%、25%、33%、37%. Hf1-xLaxOy 薄膜中La/Hf原子比与预先设置的La靶与 Hf靶功率比基本接近, 说明通过调节靶材功率能够较好地控制薄膜的掺杂量. 从图 1还可看出薄膜沉积速率随溅射功率的增大几乎呈线性增长, 这是由于在溅射沉积过程中, 当 La靶溅射功率增大时, 靶面的溅射电流密度和自偏压都会增加, 使入射离子流密度和入射离子能量增大, 溅射产额增加,靶面溅射速率增大, 从而使薄膜沉积速率随之近似增长.2.2 HfLaO薄膜结构与热学稳定性图1 HfLaO薄膜的[La]/[La+Hf]原子比和沉积速率的变化Fig. 1 Change of the [La]/[La+Hf] atomic ratio in HfLaO films and the deposition rate as afunction of La sputtering power对于栅介质而言, 最理想的结晶学状态为非晶结构. 图2(a)为原位沉积不同La掺入量的HfLaO薄膜的XRD图谱, 可见, 原位沉积的氧化镧薄膜为非晶结构, 而原位沉积的HfO2薄膜已经结晶, 与标准粉末衍射图谱(JCPDS 74-1506)相比, 位于2θ=24.28°、28.26°、31.38°、34.36°、50.18°和55.56°处的衍射峰分别归属于单斜相 m-HfO2的(110)、(111)、(002)、(220)和(013)晶面. 当La掺入量为17%时, HfLaO薄膜除了结晶, 还发生相变, 生成了具有萤石结构立方相 c-LaHfOx. 当La掺入量从25%增加到37%时, 在谱图上除Si基片(200)衍射峰外没有出现任何特征衍射峰, 说明薄膜没有发生结晶, 结构呈非晶态, 这说明在HfO2薄膜中掺入适量的La可使其获得非晶的能力得到提高.图2 (a)不同La掺入量HfLaO薄膜的XRD图谱; (b)沉积态和经850℃退火后HfLaO(La～25%)薄膜的XRD图谱; (c) 经850℃和900℃退火后HfLaO (La～33%)薄膜的XRD图谱; (d)经900℃和950℃退火后HfLaO(La～37%)薄膜的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of (a) HfLaO with different La contents, (b) 25%La-HfLaO film as deposited and annealed at 850℃, (c) 33%La-HfLaO film annealed at 850℃ and 900℃, (d) 37%La-HfLaO film annealed at 900℃ and 950℃图2(b)、(c)、(d)是La掺入量分别为25%、33%和 37%时 HfLaO薄膜经不同温度退火处理后的XRD图谱. 可见, 沉积态 HfLaO(La: 25%～37%)薄膜均呈非晶态. HfLaO (La:25%)薄膜经850℃退火后,如图2(b)所示, 其衍射图谱中包括位于24o～38o之间非晶波包和位于2θ=29.78°、34.52°、49.62°弱衍射峰, 薄膜中非晶结构已开始向晶体转变, 薄膜结构呈现非晶与多晶共存. 随着 La掺入量的增加, HfLaO (La:33%)薄膜经850℃退火后, 如图2(c)所示,薄膜结构为非晶态, 经900℃退火的薄膜结构仍然呈现非晶与多晶共存. 当La掺入量增加到37%时,如图2(d)所示, 经900℃退火后, HfLaO薄膜仍呈现非晶态, 经950℃退火后, 薄膜已经晶化, 只生成具有萤石结构立方相 c-LaHfOx, 没有其它相生成, 其中(111)衍射峰的相对强度很大, 说明薄膜中(111)晶面择优生长.图3(a)为经过退火处理后HfLaO薄膜(La～25%、33%、37%)的立方相(111)晶向衍射峰图谱, 从图中可见, 经950℃退火处理后, HfLaO薄膜为稳定的萤石结构, 随着La掺入量的增加, XRD衍射峰位逐渐向小角方向移动, 由图 3(a)计算的晶面间距 d111分别为0.2978、0.3007和0.3029nm. 根据Scherrer公式:Dhkl=Kλ/(β·cosθ), 式中Dhkl为垂直于(hkl)晶面方向的平均晶粒尺寸, β为(hkl)晶面衍射峰的半高宽(Rad), K=0.89, λ=0.15406nm, θ为衍射角, 同时通过计算不同La掺入量的HfLaO薄膜垂直于(111)晶面的平均晶粒尺寸, 如图 3(b), 其值分别为D111(25%La)≈16.9nm 、D111(33%La)≈23.9nm 和D111(37%La)≈33.8nm. XRD分析结果表明, 随着La掺入量的增加, 经950℃退火处理的HfLaO薄膜的平均晶粒尺寸逐渐增大.图3 (a) 经950℃退火处理后HfLaO薄膜立方相(111)晶向衍射峰图谱以及(b)晶面间距和晶粒尺寸随着La含量的变化Fig. 3 XRD patterns (a) of the cubic (111) peaks of HfLaO films annealed at 950℃ and evolution (b) of the interplanar spacing D111 and the grain size as a function of La content由上述对比分析表明, 掺入 La制备的 HfLaO薄膜热稳定性明显改善. 对此现象的解释目前还没有统一的说法. 有研究者认为是由于 La的掺入导致HfO2晶格常数的改变, HfLaO薄膜在热处理过程中, 不再生成单斜相, 而是形成晶化温度高于单斜相的立方相或四方相. 可以认为这是由于 HfO2或La2O3等均属于离子化合物, 键角相对灵活, 同具有良好非晶形成能力的SiO2相比, 原子重新规则排列所需克服势垒较小, 导致易于晶化. 但是, 对于掺入La的HfO2薄膜, 当离子配位数都为6时, La3+离子半径为0.103nm, Hf4+离子半径为0.071nm, 大量的、大尺寸La3+掺入会使HfO2晶格发生严重畸变,由HfO2-La2O3相图可知, La掺入将使体系熔点降低,从而使体系自由能降低. 根据薄膜形核理论, 在晶化过程中形核所需克服势垒即形核功ΔG∝γ3/ΔGv2(γ:单位面积界面能; ΔGv:单位体积相变自由能之差),由于La掺入降低体系自由能, 降低ΔGv, 从而增加形核功ΔG, 导致HfLaO薄膜形核困难, 从而有利于改善薄膜的热稳定性, 这与XRD分析结果基本一致.2.3 HfLaO薄膜表面形貌和光学性能图4为不同La掺入量的HfLaO薄膜(La～17%、25%、33%、37%)的 AFM表面形貌和表面粗糙度RMS(均方根值). AFM形貌像显示, 不同La掺入量对HfLaO薄膜表面形貌有很大的影响, 如图4可见,随着La掺入量的增加, 表面岛尺寸明显减小, 岛密度增大. 统计表明, 2 μm×2 μm范围内薄膜的表面粗糙度逐渐降低, 其中沉积态HfLaO薄膜(La～37%)的表面粗糙度RMS仅为0.7 nm.结合上述结构分析, 当La掺入量为17%时, 薄膜结构为立方相 c-LaHfO, 表面岛尺寸较大, 而当La掺入量为25%～37%时, 薄膜结构为非晶态, 表面岛尺寸较小, 表面平整. 图4还显示出HfLaO薄膜表面粗糙度随着退火温度的变化情况, 随着退火温度的升高, 薄膜逐步从非晶态向晶态转变(如25%La-HfLaO:850℃退火; 33%La-HfL aO:900℃退火), 薄膜表面粗糙度略有降低, 意味着薄膜致密性增加, 而当薄膜处于完全晶化并且具有一定的择优取向生长(如 37%La-HfLaO:950℃退火)时, 薄膜表面粗糙度增大.图4 沉积态HfLaO薄膜AFM形貌像及不同温度退火薄膜表面粗糙度的变化Fig.4 Surface roughness of as-deposited and annealed HfLaO films with different La contents; Insets are AFM images of as-deposited HfLaO films with different La contents图5给出了石英基片上生长的不同La掺入量的HfLaO薄膜在 190～1100 nm范围内的透射光谱及HfLaO(La～37%)薄膜的拟合谱与测量结果的对比情况. 透射曲线在可见光范围内的波动来源于薄膜表面和界面对光的干涉效应. 从图5(a)可见, 随着 La掺入量的增加, 薄膜的透射率先降后增: 当La掺入量为17%时, 沉积薄膜的透射率为82%; 当La掺入量增加至 25%, 薄膜的透射率提高至 88%以上;继续增加 La掺入量, 薄膜透射率有所下降, 但仍略高于 m-HfO2薄膜的透射率(其值为86%), 此现象可能与薄膜晶体结构变化、表面粗糙度等有关.研究结果表明, 具有非晶结构、表面较平整的HfLaO薄膜(La分别为25%、33%、37%)的透射率明显高于结晶态、表面较粗糙的c-LaHfO 薄膜(La为17%)的透射率. 以一阶Sellmeier 方程为基础的光谱拟合结果与实验结果吻合良好, 平均误差小于2%. 表1为根据光谱拟合所得到不同La掺入量的HfLaO薄膜的光学常数和厚度. 由表1可见, 当λ=632.8nm时, 沉积态HfO2薄膜的折射率为1.76,经800℃处理后, HfO2薄膜折射率增加到1.94, 比HfO2体材料的折射率(n=2.1)低, 但与Tan等[9]利用射频磁控溅射法和 Das等[10]利用电子束蒸发法制备的HfO2薄膜接近. 沉积态HfLaO 薄膜的折射率n介于 1.77～1.87之间, 高于 HfO2薄膜的折射率,不同La掺入量的HfLaO薄膜的折射率呈先增后降的变化趋势. 薄膜折射率与结构致密性密切相关,高的折射率对应于更加致密的膜层. 由于沉积态HfO2薄膜经常呈现疏松的柱状结构, 薄膜折射率较低, 而在HfLaO复合薄膜中掺入适量的La会使疏松的柱状结构得到一定程度的改善, 提高薄膜的结晶度, 从而提高薄膜折射率. 当 La掺入量较大时, 由于La2O3的折射率低于HfO2, 使HfLaO复合薄膜折射率降低.图5 (a) 不同La掺入量的HfLaO薄膜的透射光谱, (b) 37%La-HfLaO薄膜透射谱的拟合谱、实验谱、折射率和消光系数曲线Fig. 5 (a) Optical transmittance spectra of HfLaO films with different La contents, (b) experimental and fitting spectra of 37%La-HfLaO film, inset is variation of refractive index and extinction coefficient with wavelength通过薄膜透射率 T和薄膜厚度 d测量, 由α=−ln(T)/d可得薄膜的吸收系数. 根据能带理论,吸收系数与光子能量的关系为α∝(hν−Eg)k, 其中 hv为光子能量, Eg为光学带隙宽度, 允许的直接跃迁或间接跃迁k分别为0.5或 2. 相关研究表明[11-12]: HfO2为直接光学跃迁. 图6为HfLaO薄膜(αhv)2-hv的关系曲线. 本试验研究中k为0.5, 使用线性拟合,在横坐标轴(代表着光子能量)上获得的截距为 Eg,所得不同La掺入量的HfLaO薄膜的Eg见表1. 可见, 随着La掺入量的增加, HfLaO 薄膜的Eg逐渐降低. 分析认为, HfLaO(La: 0～37%)薄膜的光学带隙宽度差异可能与薄膜缺陷及无序化程度有关, 随着薄膜中 La掺入量的增加, 薄膜中的氧空位等缺陷增加, 薄膜无序化程度提高, 在其能带结构产生定域态, 从而导致带隙宽度降低. 表1 不同含量La掺入HfLaO薄膜的光学性能Table 1 Optical properties of HfLaO films with different La contentLa content Refractive index,Extinction coefficient, n633k633×10-3 Film thickness / nm Optical band gap, Eg/eV HfO2 1.76 4.46 236 5.96 17%La-HfLaO 1.80 2.98 319 5.90 25%La-HfLaO 1.87 8.23 358 5.87 33%La-HfLaO 1.81 4.12 447 5.80 37%La-HfLaO 1.77 0.44 506 5.77图6 HfLaO薄膜(αhv)2-hv的关系曲线Fig. 6 (αhv) 2-hv curves of HfLaO films with different La contents3 结论1) HfO2薄膜为单斜相m-HfO2. 薄膜中La掺入量为 17%时, 生成具有萤石结构立方相 c-LaHfOx.不同La含量的HfLaO(La: 25%～37%)薄膜均为非晶态, 随着La掺入量(25%, 33%, 37% )的增加, HfLaO薄膜的结晶化温度分别为800℃、850℃、900℃.2) 随着La掺入量的增加, 非晶态HfLaO薄膜表面岛尺寸明显减小, 岛密度增大, 表面粗糙度逐渐降低, La掺入量为37%时表面粗糙度RMS仅为0.7nm.3) 随着 La掺入量的增加, HfLaO薄膜透射率呈现先降低后增加的现象, 在可见光范围薄膜均保持较高的透射率(82%以上).4) 随着La掺入量的增加, HfLaO薄膜的Eg逐渐降低, 其Eg值分别为5.9eV(La～17%), 5.87eV(La～25%), 5.8eV(La～ 33%)和5.77eV(La ～37%).参考文献:【相关文献】[1] Sayan S, Aravamudhan S, Busch B W, et al. 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磁控溅射法制备ITO膜的研究
目录前言 (1)第一章ITO薄膜概述 (2)§1.1ITO薄膜的结构 (2)§1.2ITO薄膜的特性 (2)§1.3ITO薄膜的基本原理 (3)1.3.1 ITO膜的导电机理 (3)1.3.2 ITO膜的半导体化机理 (3)1.3.3 影响ITO薄膜导电性能的几个因素 (4)第二章ITO膜的制备方法 (5)§2.1ITO薄膜制备方法简介 (5)§2.2直流磁控溅射法制备ITO膜的基本原理 (6)2.2.1 磁控溅射基本原理 (6)2.2.2 气体辉光放电的物理基础 (7)2.2.3 辉光放电与等离子体 (8)第三章实验部分 (11)§3.1玻璃基片与超声清洗 (11)§3.2ITO膜制备参数的选择 (12)§3.3镀膜的工艺流程 (14)第四章检测与结果分析 (16)§4.1ITO薄膜在可见光范围内的透过率测试 (16)§4.2ITO薄膜方块电阻的测定 (18)§4.3工艺参数对透过率和方阻的影响 (19)4.3.1 靶基距的选定 (19)4.3.2 溅射时间的选定 (20)4.3.3 溅射气压的选定 (21)4.3.4 退火工艺对方阻和透过率的影响 (21)4.3.5 基片温度对方阻和透过率的影响 (23)§4.4霍耳效应 (24)§4.5X射线衍射 (26)第五章结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)磁控溅射法制备ITO膜的研究 1 磁控溅射法制备ITO膜的研究前言19世纪末,透明导电薄膜材料的研究刚刚起步,当时是在光电导的材料上获得很薄的金属薄膜。
经历一段很长时间后的第二次世界大战期间，关于透明导电材料的研究才进入一个新的时期，于是开发了由宽禁带的n型简并半导体SnO2材料,主要应用于飞机的除冰窗户玻璃。
在1950年，第二种透明半导体氧化物In2O3首次被制成，特别是在In2O3里掺入锡以后，使这种材料（掺锡氧化铟，即Indium Tin Oxide，简称ITO）在透明导电薄膜方面得到了普遍的应用，锡掺杂的氧化铟（ITO）透明导电膜是一种重要的光电信息材料，优良的光电特性使其在太阳电池、液晶显示器、热反射镜等领域得到广泛的应用。
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积的基板具有重要意义。
磁控溅射是在磁场控制下的产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。
PVD-实验说明书
薄膜材料与技术综合性实验---磁控溅射镀金属薄膜实验说明书[实验目的]1.了解磁控溅射镀膜装置的基本结构，包括真空系统，过程监控系统；2.了解磁控溅射镀膜机的工作原理，并能掌握正确的操作步骤；3.学会测量薄膜生长的厚度及计算出生长速率；4.掌握磁控溅射中沉积工艺与薄膜生长之间的关系。
[实验装置]磁控溅射镀膜机，金相显微镜，超声波清洗仪，电子天平。
[实验原理]磁控溅射的特点是电场和磁场的方向相互垂直。
从物理学中可知，处在电场E与磁场B正交的电子，其运动方程为：()BVEmedtVd⨯+=式中e和m分别是电子的电量和质量，电子的运动轨迹如左图所示，以轮摆线的形式沿着靶子表面向垂直于E，B平面的方向前进，电子运动被束缚在一定空间内，从而大大减小了电子在容器壁上的复合损耗。
这样的正交电磁场可以有效地将电子的运动路程限制在靶面附近，从而显著地延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率，因而使等离子体密度加大，致使磁控溅射速率数量级地提高。
由于电子每经过一词碰撞损失一部分能量，经多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入离阴极靶面较远的弱电场区，最后到达阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此基片温度可大大降低。
同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，有不与基片接触，这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，而基片又可免收等离子体的轰击，因而基片温度又可降低，此外，由于工作气压降低至零点几帕，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞，故提高了沉积率。
这样，磁控溅射便有效地解决了阴极溅射中基片温度升高和溅射速率低两大难题。
[实验内容、要求]１．沉积系统中对真空系统的掌握：（1）熟悉实验装置结构（包括靶的结构，使用后的表面情况），画出气体流程图，同时标注出装置的电极（图中必须有下列组件）：机械泵，涡轮分子泵，真空计及相应的探头位置（两个），放空阀，前级阀，旁路阀，手动闸板阀，氩气气源，减压阀，气体质量流量计，靶材，阴极，阳极，真空腔体，挡板，水冷却,以及必要的管线连接。
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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111E-mail:1111111@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 preparationLiMingEnvironmental and Materials Engineering, Yantai UniversityShandong Yantai111E-mail:1111111@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 Properties1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。
随着科技的发展，器件的小型化、智能化、集成化、高密度存储和超快传输对材料尺寸的要求越来越小，对器件的制造技术提出了更高的要求，新材料的产生与新技术的发展对今后社会发展、经济振兴、国力增强具有强有力的影响。
而纳米材料由于具有特殊的物理和化学性能，对其的研究从上世纪 80 年代末逐渐兴起，并成为当今新材料领域中最富活力，对未来经济和社会发展有着重要影响的研究对象。
特别是金属氧化物纳米材料由于在在电子、食品、生物、医学等行业有着广阔的应用而倍受关注[1]。
基于磁控溅射法，我们主要开展了以下三个方面的工作：(1)采用磁控溅射法在掺氟二氧化锡导电玻璃（FTO）衬底上溅射金属铜薄膜，所制备的Cu 薄膜通过在管式炉中退火氧化生长，可得到CuO纳米线阵列薄膜。
用X 射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对其形貌和结构进行了表征，并研究了这种通过磁控溅射法得到的CuO纳米线阵列薄膜对CO和H2S 的气敏性质，研究结果表明：CuO纳米线阵列薄膜在250℃时对CO 气体具有最强的气敏响应[2]，并且当CO 浓度增大时其气敏响应明显增强；而对于H2S 气体，在常温下CuO纳米线阵列薄膜能够对低浓度的H2S 气体响应，说明这种CuO纳米线阵列薄膜可以在常温、低浓度下探测H2S 气体；与CO 气体不同的是：当测试温度升高时，其电阻值在H2S 气体氛围中迅速减小，我们对这种异常的电阻变化现象进行了解释。
(2)采用双极脉冲磁控溅射法制备了TiO2、WO3与TiO2/WO3复合薄膜，我们采用瞬态光电压谱技术研究了三种薄膜在光照下光生电荷的动态传输特性，对于TiO2/WO3异质结薄膜，其瞬态光电压信号与TiO2、WO3的信号相反，其瞬态光电压值几乎为TiO2、WO3的 3 倍[3]。
这些现象说明TiO2与WO3之间形成的界面对光生电荷的分离起着重要的作用。
我们对TiO2与WO3界面间的电荷传输与分离过程作了详细的讨论和解释。
(3)利用磁控溅射法在硅基底上制备超薄金属铜薄膜，通过严格控制沉积时间从而实现控制膜厚的目的，探索磁控溅射法制备金属超薄膜的工艺和条件。
研究结果表明：对于铜薄膜，溅射10 秒未形成完整的薄膜，30 秒后可形成致密、完整的薄膜；并且随着溅射电压的增大，粒径增大[4]；同时我们也对电流、气压及靶基距对薄膜的影响作了分析；通过对这些金属超薄膜进行后期热氧化处理可以制备出金属铜与金属锌的氧化物薄膜。
1.1金属氧化物纳米材料的制备（一）气相法气相法是把欲制备的物质通过某些方法变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学变化，最终在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
气相法的特点是组分纯度高，粒径小，易控制，成膜性好等。
气相法分为物理气相沉积法(PVD)与化学气相沉积法。
物理气相沉积是在真空条件下，采用物理方法，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
主要包括溅射镀膜、真空蒸镀、离子镀膜，电弧等离子体镀以及分子束外延等[5]。
（1）溅射镀膜：在真空条件下，使氩气中的氩原子电离成氩离子，在电场加速下，氩离子轰击靶材，从靶材轰击出来的小颗粒沉积到基底上而形成一定厚度的薄膜。
（2）真空蒸镀：在真空条件下，利用加热、电子束或离子束使金属或金属化合蒸发为气相后沉积在基底上形成一定厚度的薄膜。
（3）离子镀：在真空条件下，采用等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。
在深度负偏压作用下，离子沉积于基底形成薄膜。
（4）电弧等离子体镀：在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁（阳极）和镀材（阴极）之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。
因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程化学气相沉积利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。
主要有等离子体辅助化学沉积、常压化学气相沉积、金属有机化合物沉积、激光辅助化学沉积等。
（二）液相法液相法是一种比较成熟的技术，该方法比较容易成核，从而容易控制颗粒的化学份、形状与大小，不过此方法容易引入杂质，造成样品纯度不高，其方法是把可溶性金属盐按所需比例配成溶液，加入一种合适的沉淀剂，使金属离子均匀沉淀出来，最后将沉淀的样品经过干燥、退火而得到所需纳米材料。
在制备过程中，以沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法为主，方法介绍如下：（1）沉淀法沉淀法是合成纳米材料经常采用的方法之一，它是将沉淀物加入到金属盐溶液中进行处理，再将沉淀物加热分解，沉淀法又可分为直接沉淀法、还原法、共沉淀法和均匀沉淀法。
（2）水热法通过在高温高压条件下在水溶液中或蒸汽等流体中合成物质，再经过分离和热处得到纳米材料的一种方法[6]。
水热条件下粒子反应和水解反应得到加速和促进，使一些在常温常压下反应速度很慢的热力学反应在水热条件下可以实现快速反应。
该方法可以大量获得在常温常压下得不到或难以得到的、粒径从几纳米到几百个纳米的金属氧化物[7]。
（3）溶胶-凝胶法该法是利用易于水解的金属醇盐的在水溶液中分解或聚合反应生成金属氧化物或金属氢氧化物的溶胶，再浓缩成透明凝胶，凝胶经干燥和热处理后可得到所需金属氧化物材料。
（三）固相法固相法是一种传统的将金属盐和金属氢氧化物按一定的比例充分混合，发生复分解反应生成前驱物，多次洗涤后充分研磨进行煅烧，然后再研磨得到纳米粒子工艺，采用固相法制备的纳米颗粒具有无团聚、成本较低、产量比较大、制备工艺比较简单等优点，现也是一种常用的方法，但固相法也存在很多缺点，反应温度高，消耗能量大、并且效率很低、得到的纳米材料颗粒较大、纯度不高. [8]2磁控溅射法制膜的应用由于磁控溅射已成为工业生产中不可缺少的制膜技术，现被用于器件、能源、电化学腐蚀、生物等多种领域。
（1）在纺织方面的应用Mejia等人[9]利用直流磁控溅射法在棉纺织品上沉积银的高分辨与透射图，从图中可以看出纺织品上已形成了连续的银薄膜，颗粒大小约4.7纳米，从右下图可以看到，通过此方法可以有效抑制细菌的生长，因此可以起到杀菌、抗菌的作用。
现在，关于抗菌、杀菌与治疗皮肤疾病的纳米纺织引起了人们极大的关注[10]。
（2）磁控溅射在太阳能方面的应用Kim小组[11]2008年报道的利用磁控溅射法在PS球上溅射一层TiO2薄膜，然后退火制备出的半球壳结构的二氧化钛薄膜，此结构提高了电了扩散系数，增大了比表面积，能够吸附更多的染料，为提高染料敏化太阳能电池效率提供了很好的材料。
Grimes小组[12]用溅射方法在FTO上溅射了20微米的金属钛薄膜，然后用阳极氧化法制备的透明的TiO2纳米管，此种结构对染料敏化太阳能电池效率的提高起到了很好的作用。
（3）在电子元件方面的应用Zareie小组[13]利用磁控溅射法在PS球上溅射Au-Al2O3-Au结构后，用酒精去除PS球，退火后得到的纳米电容，此装置电量存储量大，可用于纳米级电路，由于此种电容体积小，在当今电子器件的小型化发展中，具有很好的应用前景。
3磁控溅射原理及其分类应用1842年，Grove在实验中发现了阴极溅射现象后[14]，溅射技术逐渐被人们关注，经过一百多年的不断的发展，现在已被广泛用于器件、原子力刻蚀、电化学腐蚀、生物、透明导电膜等多种领域，已成为工业生产中重要的技术之一。