溅射工艺时间对不同靶材溅射速率的影响

为了研究溅射工艺时间对不同靶材溅射速率的影响,以铜、铝、二氧化硅、氧化锌4种靶材为研究对象,获得不同溅射工艺时间下沉积薄膜厚度。根据靶材的导热情况和溅射时腔内的温度变化建立数学模型,采用Matlab软件模拟出靶材表面温度随溅射工艺时间的变化。结果表明,随着溅射工艺时间的延长,铜、铝等金属靶材的溅射速率几乎没有改变,而氧化锌和二氧化硅等靶材出现“溅射失重”现象,原因可能与靶材的导热性能和键能有关。

磁场增强型高通量辉光放电溅射源的设计与研究

高通量表征技术在金属材料分析领域具有重要应用价值,它能够实现对金属材料进行跨尺度的全域分析,评价材料表面宏观特性、微观不均匀性及局部缺陷。辉光放电溅射可沿样品表面的纵深方向,以大尺寸、平坦且快速的方式逐层剥蚀样品,再将暴露出真实显微组织的样品送至多种分析仪器中进行成分、性能、组织结构的分析,从而作为金属材料的高通量表征样品前处理环节的关键设备。在传统Grimm型辉光溅射源的基础上,本研究搭建了一种专为高通量实验设计的辉光放电溅射系统,该系统将辉光溅射尺度由mm级扩展至cm级,同时实验发现了大尺寸溅射会导致辉光放电强度及溅射速率降低这一现象。针对这一现象,结合通过COMSOL Multiphysics仿真计算的辉光放电电子运动轨迹、电子密度以及化学反应速率等结果,该研究提出了一种通过施加扫描磁场来增强辉光放电光谱(GD-OES)强度以及溅射速率的方法。实验选用T2紫铜样品来探究扫描磁场的增强效果,结果表明,应用扫描磁场增强装置可获得更强的光谱信号强度及更快的溅射速率。在保持放电电压和电流不变的前提下,Mo、Cu元素的光谱强度分别增至无磁场时的1.43~11.97倍和1.13~26.50倍。其中,Mo元素光谱强度最大值可达53421 Cts,Cu元素光谱强度最大值可达76948 Cts,分别是无磁场时的6.86倍、4.32倍。此外,该方法可以显著地提高溅射速率,当阳极筒孔径为?15 mm时,T2紫铜样品的溅射速率提高了4.35倍,最高可达2662.09 nm·min^(-1)。使用白光干涉仪和金相显微镜对溅射坑表面的平整度和显微组织图像进行了采集,结果显示磁场引入对溅射坑表面粗糙度未产生显著影响,同时能清晰地呈现样品的真实显微组织特征。综上,实验结果证实,应用扫描磁场增强装置可在确保溅射平整度不受影响的前提下,实现光谱信号强度和溅射速率的提升,为解决大尺寸溅射引起的低溅射速率问题提供了新方法。

离子溅射对合金靶材寿命的影响

载能离子入射带负电的离子收集沉积结构过程中会发生离子溅射,一种常用于离子加速过程的结构为圆形金属丝,持续大量离子入射会引起金属丝的表面损失,影响金属丝的服役性能及使用寿命.目前,由于常用于计算溅射产额的SRIM软件无法考虑合金晶体结构中包含的多体相互作用问题,在高能离子入射合金靶材的溅射产额计算上具有较大误差,因此本文基于分子动力学方法结合Langevin控温模型建立了高能金属离子入射合金靶材的离子溅射参数计算模型,该模型具备持续入射过程中合金表面不同状态下的离子溅射参数计算功能,利用该模型计算得到了用于离子加速的阴极金属丝的典型服役寿命,试验值与理论值偏差<10%,验证了理论模型的准确性和适用性,基于此模型进行了金属丝服役寿命提升的理论优化,并提出了使用Ni-Ti合金提升金属丝寿命的方法.

高功率脉冲磁控溅射及复合技术的研究进展

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术因具备高离化率、能够形成光滑致密的涂层组织、拥有高的涂层-基底结合强度以及表现出优异的力学性能等优势,成为了涂层沉积领域的研究热点。概述了HiPIMS技术的核心优势,并分析了其沉积速率低、涂层应力高的缺点;介绍了通过波形叠加及同步偏压以及增加辅助装置对HiPIMS技术的改进;综述了与直流磁控溅射(DCMS)、射频磁控溅射(RFMS)、中频磁控溅射(MFMS)和电弧离子镀(AIP)等其他溅射和电弧技术复合来提升涂层沉积效率和性能的最新研究进展,探讨了其在硬质涂层、耐磨材料、功能涂层及器件等领域的应用。最后,对其未来发展进行了展望。

磁控溅射工艺参数和材料对铜薄膜性能影响的研究进展

简要阐述了磁控溅射技术的原理及其应用于铜(Cu)薄膜沉积领域的优势。重点综述了溅射时间、溅射功率、基底偏压、溅射气压和基底温度等关键工艺参数对磁控溅射沉积Cu薄膜组织结构、表面形貌、均匀性、粒径、表面粗糙度、电阻率、溅射速率、薄膜生长择优取向及应力等方面的影响。此外,还介绍了不同基底材料(不同材料种类、不同晶粒取向及不同粗糙度)、不同粒径和纯度的靶材等因素对Cu薄膜性能的影响。总结了单因素变化对Cu薄膜性能的影响规律和作用机理,为高质量Cu薄膜制备提供理论参考。最后,对磁控溅射Cu薄膜的未来研究和发展方向进行了展望。

离子束溅射技术在X射线光电子能谱(XPS)深度剖析中的应用

X射线光电子能谱技术是唯一一种既能检测材料表面元素组成又可分析元素价态或化学态的现代分析测试方法,但它只能探测样品表面1~10个原子层深度。离子束溅射技术能够实现材料表面层的逐层可控剥离,广泛应用于功能材料的X射线光电子能谱深度剖析。对近年来离子束溅射技术在材料X射线光电子能谱深度剖析中的应用研究进行综述,分析了当前单原子离子束与气体团簇离子束溅射技术在材料深度剖析中面临的瓶颈难题,讨论了离子束溅射技术的应用前景和发展趋势。

退火温度对磁控溅射掺锡氧化镓薄膜特性及其日盲光电探测器性能的影响

本文采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上室温下制备了非晶掺锡氧化镓薄膜,而后在氮气氛围下进行不同温度(400-800℃)退火,并基于退火前后薄膜制备了相应的日盲光电探测器,探究退火温度对薄膜特性及器件性能的影响规律.研究结果表明:非晶掺锡氧化镓薄膜在700℃退火后开始出现氧化镓β相结晶,且薄膜中晶格氧以及Sn^(4+)离子比例随退火温度的升高而增大,说明薄膜质量升高,导电性增强.然而,随着退火温度升高至800℃时,晶格氧以及Sn^(4+)离子比例下降,薄膜的质量及导电特性变差,这可能归因于薄膜中Sn表面偏析以及Al从衬底中扩散进入薄膜.综上,薄膜的质量及其导电特性对掺锡氧化镓日盲探测器性能起到调控作用,当退火温度为700℃,器件获得最优的光电性能:暗电流低至89.97 pA,响应度为18.4 mA/W,光暗电流比可达1264,上升/下降时间低至0.93 s/0.87 s.

深振荡磁控溅射放电等离子体脉冲特性

深振荡脉冲磁控溅射(deep oscillation magnetron sputtering,DOMS)以一系列微脉冲振荡波形的形式向靶提供能量,提供高密度等离子体的同时能够实现完全消除电弧放电和提高靶材原子离化率,实现高质量薄膜的沉积制备.针对DOMS微脉冲放电形式拓宽放电参数空间,提高工艺灵活性的特点,建立脉冲等离子体整体模型,测量充电电压DCint=300-380 V和微脉冲开启时间τon=2-6μs的Cr靶放电电压电流,将电压电流波形作为模型输入条件,获得DOMS放电等离子体参数随时间变化规律.充电电压300 V,等离子体峰值密度由τon=2μs的1.34×10^(18) m^(-3)增至τon=3μs的2.64×10^(18) m^(-3),τon由3μs增至6μs时,等离子体峰值密度基本不变.靶材离化率随τon变化趋呈现相近趋势,由τon=2μs的12%增至τon=3μs的20%,τon进一步增至6μs,离化率基本保持不变.固定τon=6μs,DCint由300 V升高至380 V,等离子体峰值密度由2.67×10^(18) m^(-3)增至3.90×10^(18) m^(-3),金属离化率由21%增至28%.DOMS放电具有高功率脉冲磁控溅射典型的金属自溅射现象,峰值自溅射参数Πpeak随功率密度线性增大,表明峰值功率密度是调控DOMS放电中金属自溅射的主要参数.Πpeak最高达到0.20,金属自溅射程度远高于常规脉冲直流磁控溅射,等离子体密度和沉积通量中金属离化率提高,原子沉积带来的阴影效应减轻,是DOMS沉积薄膜质量提高的原因.

大口径辅助阳极型辉光放电溅射源的设计与研究

辉光放电原子发射光谱分析技术可对金属样品表面进行沿深度方向的逐层分析与表征,具有溅射速率快、分析效率高、可大面积溅射的优点。另外,辉光放电等离子体能量较低,材料逐层溅射激发过程中不易引起材料本身组织结构的变化,能够实现沿样品深度方向逐层剥蚀制样。将辉光放电溅射源与扫描电镜、光谱分析检测仪器等联用,可作为金属材料高通量定量表征的有效手段。为了高通量地获取材料表面的成分分布信息,需要对材料表面在多尺寸、大面积溅射条件下进行辉光放电等离子体溅射。因此在传统辉光溅射源的基础上,改进了阳极筒结构,设计了4种直径为cm级的(15、20、30和40 mm)大口径阳极筒,并对其进行COMSOL数值模拟仿真和实际溅射效果研究。大尺寸溅射面可获得材料表面更为丰富的信息,但在相同溅射条件下,阳极口径增大也带来溅射速率下降、溅射面中心区域离子化率降低、影响溅射均匀性和坑型平整度等问题。为解决这些问题,设计了可应用于大口径直流辉光放电溅射源的辅助阳极结构,通过改变放电空间的电场分布情况调控等离子体分布,增强了阳极中心区域离子化率。详细阐述了辅助阳极结构的设计原理,并对传统阳极和辅助阳极进行了数值模拟仿真研究和实际溅射效果对比实验。结果表明增设辅助阳极对大口径溅射源溅射速率的提升效果明显,对阳极口径30 mm溅射源的溅射速率提升33%~48%,对阳极口径40 mm溅射源的溅射速率提升34%~57%。采用大口径辅助阳极型溅射源对紫铜样品进行了溅射激发,并用光学相干断层扫描仪(OCT)测试了溅射坑形貌,结果表明增设辅助阳极可有效改善溅射均匀性和坑型平整度。

基于倾斜旋转方法磁控溅射制备TSV阻挡层

硅通孔(TSV)是实现三维集成的关键技术,在TSV侧壁制备连续和均匀的阻挡层至关重要。提出了一种磁控溅射制备TSV侧壁阻挡层的方法,将溅射基台倾斜一定角度并水平匀速旋转,使溅射离子的掉落方向与TSV侧壁不平行,靶材离子更容易溅射沉积在TSV侧壁,使得TSV侧壁都能被溅射到,更有利于制备连续和均匀的阻挡层。使用Ti靶进行直流磁控溅射,优化溅射电流和溅射气压,通过扫描电子显微镜(SEM)对TSV侧壁阻挡层的形貌进行表征分析。随着溅射电流和溅射气压的增大,阻挡层的厚度会增加,但是溅射气压的增大使得溅射钛晶粒变得细长,从而导致阻挡层的均匀性和致密性变差。

氩气和氪气磁控溅射对Zr-Co-RE薄膜微观结构和吸氢性能的影响

为了获得吸气性能较好的Zr-Co-RE(RE为La和Ce稀土元素)吸气剂薄膜,采用直流磁控溅射方法,分别在氩气和氪气气氛中,通过改变沉积气压研究制备了不同结构的Zr-Co-RE薄膜。运用场发射扫描电镜、X射线衍射仪分析了不同溅射气压下溅射气氛对薄膜结构的影响;采用动态定压法分别测试了在氩气和在氪气中沉积的薄膜的吸氢性能,分析了溅射气氛和薄膜结构对吸氢性能的影响。结果表明,在同等气压下,用氩气溅射沉积的薄膜较致密,用氪气溅射沉积的薄膜表面分布有较多的团簇结构和裂纹结构,薄膜呈明显的柱状结构,且柱状组织间分布着大量的界面和间隙,为气体扩散提供了更多的路径;随着氩气和氪气气压增大,薄膜含有更多的裂纹和间隙结构,连续性柱状结构生长更明显,裂纹更深更宽,比表面积更大,有利于提高薄膜的吸氢性能。

一种双靶磁控溅射制备的Mg掺杂的NiO薄膜

采用磁控溅射“共溅射”方法,将Ar气作为溅射气体,高纯NiO和MgO双陶瓷靶作为溅射靶材。当控制NiO和MgO靶的溅射功率分别为190 W和580 W,溅射真空度为2 Pa,衬底温度为300℃时,得到了Mg掺杂的NiO(Ni_(0.61)Mg_(0.39)O)薄膜。该薄膜是一种具有(200)择优取向的晶态薄膜。薄膜表面比较平整,晶粒分布致密,晶粒尺寸约46.9 nm。(200)衍射峰位置相对未掺杂的NiO薄膜向小角度偏移约0.2°。合金薄膜在可见光波段具有较大的透过率,而在300 nm附近透过率陡然下降,其光学带隙向高能方向移动到了3.95 eV。该研究为采用磁控溅射制备高质量的Mg掺杂的NiO薄膜提供了技术支撑。

磁控溅射技术进展及应用(上)

近年来磁控溅射技术的应用日趋广泛,在工业生产和科学研究领域发挥巨大作用。随着对具有各种新型功能的薄膜需求的增加,相应的磁控溅射技术也获得进一步的发展。本文将介绍磁控溅射技术的发展,以及闭合磁场非平衡溅射、高速率溅射及自溅射、中频及脉冲溅射等各种新技术及特点,阐述磁控溅射技术在电子、光学、表面功能薄膜、薄膜发光材料等许多方面的应用。

溅射沉积技术的发展及其现状

论述了溅射沉积薄膜技术的发展历程及其目前的研究应用状况。二极溅射应用于薄膜制备,揭开了溅射沉积技术的序幕,磁控溅射促使溅射沉积技术进入实质的工业化应用,并通过控制磁控靶磁场的分布方式和增加磁控靶数量,进一步发展为非平衡磁控溅射、多靶闭合式非平衡磁控溅射等,拓宽了应用范围。射频、脉冲电源尤其是脉冲电源在溅射技术中的使用极大地延伸了溅射沉积技术的应用范围。

第十九讲 真空溅射镀膜

（接2017年第1期第80页）图77所示的多靶非平衡磁控溅射系统,是在四个非平衡磁控溅射靶的外侧再增加一个电磁激励线圈,以形成非平衡闭合磁场。这种磁场结构比较适用于镀膜设备的镀膜区域较大,构成非平衡磁场的四个单靶之间距离较大,磁阻较大,虽然靶对之间在镀膜区域的纵向磁场是闭合的,但是磁场强度较弱,减弱了两靶之间的闭合磁场对电子的约束.

第十九讲 真空溅射镀膜

（2）中频溅射的沉积速率高。对硅靶,中频反应溅射的沉积速率是直流反应溅射速率的10倍。比射频溅射高五倍左右。（3）中频溅射过程可稳定在设定的工作点。它既消除了“打火”现象,又能够克服直流放电状态下常出现的靶中毒和阳极消失现象。（4）中频电源的制作成本较低,设备安装、调试及维护比射频溅射容易,运行稳定,

磁控溅射技术新进展及应用

主要简介了磁控溅射技术的基本原理、基本装置、近年来出现的新技术(多靶磁控溅射技术、磁场扫描法、非平衡磁控溅射、脉冲磁控溅射技术、磁控溅射技术与其它成膜技术相结合等),以及国内外利用磁控溅射技术在多层膜和化合物薄膜制备方面取得的一些成果。

利用溅射ITO层增强钙钛矿太阳电池的稳定性研究

为增强以银为背电极的正置结构有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳电池(PSCs)的长期稳定性,研究利用射频磁控溅射技术在氧化钼层与银背电极之间沉积一层铟锡氧化物(ITO)来对PSCs进行内封装的技术。为防止ITO层溅射对下方已沉积的钙钛矿层和有机空穴传输层造成损伤,研究ITO层溅射功率和厚度对PSCs光伏性能的影响,获得优化的ITO层制备工艺,发现在ITO层溅射功率为30 W、厚度为40 nm时所制备的PSCs光伏性能最优。为进一步提升PSCs性能,对比溅射法和热蒸发法沉积银背电极对PSCs性能的影响,发现与蒸发法相比,采用溅射银背电极的PSCs光伏性能更佳,其光电转换效率可达到17.86%。PSCs光伏性能的长期稳定性测试和X射线衍射结果分析表明,溅射ITO阻隔层的插入可有效抑制钙钛矿层中的卤素离子与银背电极之间的扩散反应,在不降低PSCs效率的同时可显著改善PSCs稳定性,所制备的PSCs在干燥空气中存放4500h后仍能保持初始效率的95%。

碳化硅晶圆高温磁控溅射制备铝薄膜异常结晶现象

在碳化硅表面使用高温磁控溅射法制备铝薄膜过程中有时会出现异常“斑点”现象,针对出现该异常现象可能的原因进行了研究,确认其主要因素为溅射温度和溅射功率,SiC表面状态和金属体系对异常现象的出现影响很小。采用白光干涉仪测定正常和异常区域表面形貌和粗糙度,结果表明“斑点”区域粗糙度明显低于正常区域,两者分别为1.7和5.6 nm。采用聚焦离子束分析技术对比剖面结构差异,发现“斑点”区域存在明显晶粒合并现象,金属表面晶界比正常区域少很多。“斑点”形成的可能原因是沉积过程温度过高,导致Al膜沉积初始成核过程中大量晶核合并、晶界消失,从而表面粗糙度显著降低。

基于共溅射ZnO/SnO_(2)异质结薄膜的气体传感器研究

采用射频磁控共溅射法在叉指电极上制备了ZnO/SnO_(2)n-n异质结复合薄膜,系统测试了其气敏特性,并分析了其气敏机理。结果表明,与ZnO薄膜和SnO_(2)薄膜气体传感器相比,ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器具有更低的工作温度、更高的灵敏度以及更快的响应和恢复速度。ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器对乙醇具有较好的选择性,最低检测体积分数为1×10^(-6),最佳工作温度为250℃;对1×10^(-4)乙醇气体的灵敏度可达18.4,响应时间和恢复时间分别为10 s和19 s。