濺射薄膜高溫壓力變送器性能參數(shù)

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程中，對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)行局部優(yōu)化。

本研究獲得了國家自然科學(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。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)識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動量傳遞的結(jié)果。

1.3 濺射的基本過程

A-B:無光放電區(qū)

B-C:湯森放電區(qū)

C-D:過渡區(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)，電流可以通過電壓來控制，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極之間的距離。

1.4 濺射參數(shù)

濺射閾值：將靶材濺射出來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束縛電子的運(yùn)動，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)。

通過磁場提高濺射率的基本原理由Penning在60多年前發(fā)明，后來由Kay和其他人發(fā)展起來，并研制出濺射槍和柱式磁場源。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

增長電子運(yùn)動路徑，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)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場。導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強(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 加偏壓 起輝 鍍膜

程序控制

對于單層膜

“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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