濺射薄膜高溫壓力變送器主要應用

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，在激光光學薄膜尤其是在高損傷閾值激光薄膜技術領域具有廣泛的應用。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，其中離子束濺射制備的氧化鉿薄膜具有吸收小、無定形結構、光學散射低、缺陷密度小等優(yōu)點，已經成為制備氧化鉿薄膜的重要工藝方法。

離子束濺射沉積實驗裝置示意圖

北京埃德萬斯離子束技術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、高熔點材料等，可用于濺射沉積各種金屬、合金、化合物及半導體材料的單層薄膜、多層薄膜。

中國航天科工飛航技術研究院天津津航技術物理研究所的劉華松等研究了離子束濺射技術制備的氧化鉿薄膜的帶隙特性，基于正交實驗方法，得到了氧化鉿薄膜光學帶隙特性與制備參數之間的關系，分析獲得了氧化鉿薄膜光學帶隙調整的基本方法，研究結果可指導離子束濺射技術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%）直接充入真空室內靶材表面。氧氣流量可控制的范圍為0～50ml/min（標準狀態(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，離子束電流的可調范圍為150～650mA；采用石英燈輻射加熱基板，加熱溫度調節(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種制備參數進行研究。樣品的基底為表面超光滑的遠紫外石英玻璃（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權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），這意味著制備參數對帶尾寬度的影響權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

將正交實驗設計用于氧化鉿薄膜的能帶特性調整中，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整方法，建立了帶隙寬度和帶尾寬度與制備參數的關系。在禁帶寬度的調控上，當置信概率為90%時，影響禁帶寬度的制備參數權重從大到小依次是基板溫度、離子束電流和氧氣流量。要實現高禁帶寬度氧化鉿薄膜的制備，需慎重選擇這3個制備參數的具體值。在薄膜帶尾寬度特性控制上，只需調控基板溫度即可，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構無序度。獲得了離子束濺射氧化鉿薄膜禁帶寬度和帶尾寬度的調整方法，但對于氧化鉿薄膜的具體應用，具體的制備參數需進一步進行局部優(yōu)化。

本研究獲得了國家自然科學基金（61405145，61235011）、天津市自然科學重點基金（15JCZDJC31900）等項目資金支持，研究成果發(fā)表于2017年2月出版的《光學學報》。

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，這種現象稱為濺射現象。

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。早期人們認為這一現象源于靶材的局部加熱。但是不久人們發(fā)現濺射與蒸發(fā)有本質區(qū)別，并逐漸認識到濺射是轟擊粒子與靶粒子之間動量傳遞的結果。

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，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

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，平均每個正離子能從靶陰極打出的原子個數。

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.進氣口

5.真空抽氣系統(tǒng)

6.高壓電源（DC）

濺射與氣壓的關系

在一定范圍內提高離化率、提高均勻性要增加壓強和保證薄膜純度、提高薄膜附著力要減小壓強的矛盾，產生一個平衡。

目標：盡量小的壓強下維持高的離化率。

特點：提供一個額外的電子源，而不是從靶陰極獲得電子。實現低壓濺射（壓強小于0.1帕）

缺點：難以在大塊扁平材料中均勻濺射，而且放電過程難以控制，進而工藝重復性差。

2.2 射頻濺射(RF sputtering)

射頻濺射特點

射頻方法可以被用來產生濺射效應的原因是它可以在靶材上產生自偏壓效應。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。

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引入了平面磁控結構。

磁控濺射工作原理示意圖

沉積速率高

增長電子運動路徑，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，適合科研中應用。

電磁鐵

電流的磁效應：如果一條直的金屬導線通過電流，那么在導線周圍的空間將產生圓形磁場。導線中流過的電流越大，產生的磁場越強。

電流磁效應

圓柱形

適合鍍覆尺寸變化大，形狀復雜的工件。

圓柱形磁控濺射靶的結構

倒錐形靶材

靶材利用率高；槍體結構緊湊，體積較小

靶是圓錐形，不易制備

三、磁控濺射實例

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個靶位的濺射時間，y設定的 濺射時間，以sec為單位）

next； ”

對于多層膜（n×i層）

“for=n； （ n為循環(huán)次數,i為周期內層數）

tx1=y1；

tx2=y2；

…… ；

txi=yi ；

next;

本文轉載自網絡作者鄭遠平，鏈接：https://wenku.baidu.com/view/810f3cdb6c175f0e7dd13749.html。

材料牛石小梅編輯整理。

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