濺射薄膜高溫壓力變送器

氧化鉿（HfO2）是紫外到近紅外波段重要的高折射率材料之一，具有較高的禁帶寬度和高激光損傷閾值，且耐腐蝕、易于制備，在激光光學(xué)薄膜尤其是在高損傷閾值激光薄膜技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。將氧化鉿薄膜與低折射率的二氧化硅薄膜組合，可以用來(lái)制作高反射薄膜、減反射薄膜、偏振分光薄膜、濾光薄膜等多種功能的光學(xué)薄膜元件。

氧化鉿薄膜的制備方法主要有電子束蒸發(fā)、離子束濺射、磁控濺射、原子層沉積等物理氣相沉積技術(shù)，其中離子束濺射制備的氧化鉿薄膜具有吸收小、無(wú)定形結(jié)構(gòu)、光學(xué)散射低、缺陷密度小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為制備氧化鉿薄膜的重要工藝方法。

離子束濺射沉積實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

北京埃德萬(wàn)斯離子束技術(shù)研究所股份有限公司雙離子束薄膜沉積系統(tǒng)，擁有濺射靶材的主源離子束和作用于樣品表面的輔助離子源。由于主源選用離子束濺射，相比磁控濺射和電子束蒸發(fā)等手段更具有廣泛的材料適用性，包括磁性材料、高熔點(diǎn)材料等，可用于濺射沉積各種金屬、合金、化合物及半導(dǎo)體材料的單層薄膜、多層薄膜。

中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院天津津航技術(shù)物理研究所的劉華松等研究了離子束濺射技術(shù)制備的氧化鉿薄膜的帶隙特性，基于正交實(shí)驗(yàn)方法，得到了氧化鉿薄膜光學(xué)帶隙特性與制備參數(shù)之間的關(guān)系，分析獲得了氧化鉿薄膜光學(xué)帶隙調(diào)整的基本方法，研究結(jié)果可指導(dǎo)離子束濺射技術(shù)制備高損傷閾值的氧化鉿薄膜。

本研究采用在直接濺射高純金屬鉿過(guò)程中再氧化的方法獲得氧化鉿薄膜（靶材純度大于99.9%），在薄膜制備過(guò)程中，將高純氧氣（氧氣純度大于99.999%）直接充入真空室內(nèi)靶材表面。氧氣流量可控制的范圍為0～50ml/min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；主濺射離子源為16cm口徑的射頻離子源，離子束電壓的工作范圍為300～1300V，離子束電流的可調(diào)范圍為150～650mA；采用石英燈輻射加熱基板，加熱溫度調(diào)節(jié)范圍從室溫到250℃。

在采用離子束濺射沉積法制備氧化鉿薄膜過(guò)程中，對(duì)薄膜特性影響較大的制備參數(shù)有基板溫度、離子束電壓、離子束電流和氧氣流量，本研究主要對(duì)上述4種制備參數(shù)進(jìn)行研究。樣品的基底為表面超光滑的遠(yuǎn)紫外石英玻璃（Φ40 x 60mm），表面粗糙度優(yōu)于0.3nm，有助于降低表面粗糙度帶來(lái)的散射，單面拋光和雙面拋光的基底分別用于光譜反射率和光譜透射率的測(cè)量。

本研究首先討論了氧化鉿薄膜的禁帶寬度Eg特性，進(jìn)行了極差分析，得到極差值R（基板溫度）＞R（離子束電流）＞R（氧氣流量）＞R（離子束電壓），說(shuō)明影響禁帶寬度的制備參數(shù)權(quán)重從大到小依次為基板溫度、離子束電流、氧氣流量和離子束電壓，如下圖所示。

氧化鉿薄膜禁帶寬度的極差分布

其次，討論了氧化鉿薄膜的Urbach帶尾寬度特性，進(jìn)行極差分析，得到對(duì)帶尾寬度影響從大到小的極差依次為R（基板溫度）＞R（氧氣流量）＞R（離子束電流）＞R（離子束電壓），這意味著制備參數(shù)對(duì)帶尾寬度的影響權(quán)重從大到小依次是基板溫度、氧氣流量、離子束電流和離子束電壓，如下圖所示。

氧化鉿薄膜Urbach帶尾寬度的極差分布

將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用于氧化鉿薄膜的能帶特性調(diào)整中，得到了離子束濺射方法制備的氧化鉿薄膜的帶隙寬度和帶尾寬度調(diào)整方法，建立了帶隙寬度和帶尾寬度與制備參數(shù)的關(guān)系。在禁帶寬度的調(diào)控上，當(dāng)置信概率為90%時(shí)，影響禁帶寬度的制備參數(shù)權(quán)重從大到小依次是基板溫度、離子束電流和氧氣流量。要實(shí)現(xiàn)高禁帶寬度氧化鉿薄膜的制備，需慎重選擇這3個(gè)制備參數(shù)的具體值。在薄膜帶尾寬度特性控制上，只需調(diào)控基板溫度即可，高的基板溫度可以獲得較低的帶尾寬度，說(shuō)明高基板溫度下制備的氧化鉿薄膜具有較低的結(jié)構(gòu)無(wú)序度。獲得了離子束濺射氧化鉿薄膜禁帶寬度和帶尾寬度的調(diào)整方法，但對(duì)于氧化鉿薄膜的具體應(yīng)用，具體的制備參數(shù)需進(jìn)一步進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。

本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（61405145，61235011）、天津市自然科學(xué)重點(diǎn)基金（15JCZDJC31900）等項(xiàng)目資金支持，研究成果發(fā)表于2017年2月出版的《光學(xué)學(xué)報(bào)》。

一、濺射原理

1.1 濺射定義

就像往平靜的湖水里投入石子會(huì)濺起水花一樣，用高速離子轟擊固體表面使固體中近表面的原子（或分子）從固體表面逸出，這種現(xiàn)象稱為濺射現(xiàn)象。

1.2 濺射的基本原理

濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來(lái)。早期人們認(rèn)為這一現(xiàn)象源于靶材的局部加熱。但是不久人們發(fā)現(xiàn)濺射與蒸發(fā)有本質(zhì)區(qū)別，并逐漸認(rèn)識(shí)到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。

1.3 濺射的基本過(guò)程

A-B:無(wú)光放電區(qū)

B-C:湯森放電區(qū)

C-D:過(guò)渡區(qū)

D-E:正常輝光放電區(qū)

E-F:異常輝光放電區(qū)

F-G:弧光放電區(qū)

在“異常輝光放電區(qū)”內(nèi)，電流可以通過(guò)電壓來(lái)控制，從而使這一區(qū)域成為濺射所選擇的工作區(qū)域。形成“異常輝光放電”的關(guān)鍵是擊穿電壓VB。主要取決于二次電子的平均自由程和陰陽(yáng)極之間的距離。

1.4 濺射參數(shù)

濺射閾值：將靶材濺射出來(lái)所需的入射離子的最小能量值。

濺射率：入射正離子轟擊靶材時(shí)，平均每個(gè)正離子能從靶陰極打出的原子個(gè)數(shù)。

二、濺射裝置

2.1 直流濺射(DC sputtering)

輝光放電直流濺射系統(tǒng)

1.陰極（靶)

2.陽(yáng)極（基片）

3.真空室

4.進(jìn)氣口

5.真空抽氣系統(tǒng)

6.高壓電源（DC）

濺射與氣壓的關(guān)系

在一定范圍內(nèi)提高離化率、提高均勻性要增加壓強(qiáng)和保證薄膜純度、提高薄膜附著力要減小壓強(qiáng)的矛盾，產(chǎn)生一個(gè)平衡。

目標(biāo)：盡量小的壓強(qiáng)下維持高的離化率。

特點(diǎn)：提供一個(gè)額外的電子源，而不是從靶陰極獲得電子。實(shí)現(xiàn)低壓濺射（壓強(qiáng)小于0.1帕）

缺點(diǎn)：難以在大塊扁平材料中均勻?yàn)R射，而且放電過(guò)程難以控制，進(jìn)而工藝重復(fù)性差。

2.2 射頻濺射(RF sputtering)

射頻濺射特點(diǎn)

射頻方法可以被用來(lái)產(chǎn)生濺射效應(yīng)的原因是它可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)。在射頻濺射裝置中，擊穿電壓和放電電壓顯著降低。不必再要求靶材一定要是導(dǎo)電體。

2.3 磁控濺射(megnetron sputtering)

2.3.1 磁控濺射原理

磁控濺射是利用磁場(chǎng)束縛電子的運(yùn)動(dòng)，提高電子的離化率。并且與傳統(tǒng)濺射相比具有“低溫”、“高速”兩大特點(diǎn)。

通過(guò)磁場(chǎng)提高濺射率的基本原理由Penning在60多年前發(fā)明，后來(lái)由Kay和其他人發(fā)展起來(lái)，并研制出濺射槍和柱式磁場(chǎng)源。1979年Chapin引入了平面磁控結(jié)構(gòu)。

磁控濺射工作原理示意圖

沉積速率高

增長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)路徑，提高離化率，電離出更多的轟擊靶材的離子

低溫

碰幢次數(shù)的增加，電子的能量逐漸降低，在能量耗盡以后才落在陽(yáng)極

2.3.2 磁控濺射源裝置

平面型

矩形：應(yīng)用廣泛，尤其適用于大面積平板的連續(xù)型鍍膜。鍍膜均勻性，產(chǎn)品的一致性較好。

圓形:只適合于做小型的磁控源，制靶簡(jiǎn)單，適合科研中應(yīng)用。

電磁鐵

電流的磁效應(yīng)：如果一條直的金屬導(dǎo)線通過(guò)電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。導(dǎo)線中流過(guò)的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。

電流磁效應(yīng)

圓柱形

適合鍍覆尺寸變化大，形狀復(fù)雜的工件。

圓柱形磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)

倒錐形靶材

靶材利用率高；槍體結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小

靶是圓錐形，不易制備

三、磁控濺射實(shí)例

3.1 磁控濺射鍍膜

基本步驟：

抽真空 傳樣 通氬氣 加磁場(chǎng) 加偏壓 起輝 鍍膜

程序控制

對(duì)于單層膜

“for=1；

tx=y； （tx表示第x個(gè)靶位的濺射時(shí)間，y設(shè)定的 濺射時(shí)間，以sec為單位）

next； ”

對(duì)于多層膜（n×i層）

“for=n； （ n為循環(huán)次數(shù),i為周期內(nèi)層數(shù)）

tx1=y1；

tx2=y2；

…… ；

txi=yi ；

next;

本文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)作者鄭遠(yuǎn)平，鏈接：https://wenku.baidu.com/view/810f3cdb6c175f0e7dd13749.html。

材料牛石小梅編輯整理。

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