国内外磁控溅射靶材的研究进展

磁控溅射以溅射温度低、沉积速率高的特点而被广泛应用于各种薄膜制造中,如单层或复合薄膜、磁性或超导薄膜以及有一定用途的功能性薄膜等,在科学领域以及工业生产中发挥着不可替代的作用。在介绍磁控溅射原理的基础上,阐述了靶材刻蚀机理,针对传统磁控溅射系统中靶材利用率低、刻蚀形貌不均匀等现状,从改善靶面磁场分布和模拟靶材刻蚀形貌两方面对国内外最新的研究进展进行总结与分析。研究表明,通过改变磁体的空间布置或增加导磁片能有效改善靶面磁场分布,采用适当的运动部件实现磁场和靶材的相对运动能有效扩展靶材的溅射面积,提高靶材利用率。在靶材刻蚀模拟中,通过改变溅射过程中的工艺条件(磁场强度、工作电压等)来研究靶面等离子特性,结果显示靶材刻蚀形貌会随着磁场强度的增加而变窄,靶材刻蚀速率会随工作电压的增大而增大等,这些研究成果对磁控溅射工艺参数的优化具有指导意义。最后,对靶材冷却系统的设计、靶材表面处理等对溅射过程的影响进行了简要展望。     

磁控溅射技术制备二氧化钛薄膜研究进展

磁控溅射技术具有溅射速率高、膜基结合力好、易实现工业化生产等技术优势,在二氧化钛薄膜制备方面具有显著优势,但磁控溅射参数对二氧化钛薄膜结构和性能的影响显著,如何通过控制和优化磁控溅射参数,获得高性能二氧化钛薄膜已成为目前的研究热点。概述了不同晶型二氧化钛的结构特点、物理性质和磁控溅射制备二氧化钛薄膜的工作原理,指出成膜过程中的溅射功率、溅射气压、溅射时间、沉积温度和氧分压等是影响薄膜结构和性能的主要因素,并详细阐述了上述五种工艺参数对二氧化钛薄膜沉积速率、膜层厚度、表面粗糙度、相组成和光催化性能等的影响规律和作用机制。此外,还对其他影响薄膜结构和性能的关键因素及影响规律进行了介绍,包括退火温度对膜层组织转变影响的规律,金属元素掺杂和非金属元素掺杂对膜层形貌和性能的影响,以及不同溅射靶材特点及其对成膜过程的影响。最后提出未来磁控溅射技术制备二氧化钛薄膜的研究难点,并对二氧化钛薄膜的下一步研究方向进行了展望。     

磁控溅射CoCrFeNi高熵合金薄膜的硬度和电阻率研究

目的 研究溅射功率对CoCrFeNi高熵合金薄膜硬度和电阻率的影响,期望获得同时具有高硬度和高电阻率的高熵合金薄膜,为其在电阻薄膜领域的应用提供实验基础。方法 在不同溅射功率条件下（40、60、80、100 W）,利用CoCr合金靶、Ni片和Fe片拼接成合金靶,采用磁控溅射法在硅基底表面沉积CoCrFeNi高熵合金薄膜。利用XRD分析薄膜相结构,通过SEM分析薄膜成分和形貌,利用显微硬度计测量薄膜硬度,采用双电测四点探针法测定薄膜电阻率。结果 不同溅射功率下制备的CoCrFeNi薄膜均与基底结合良好,呈柱状生长模式,且合适的溅射功率有助于获得等摩尔比高熵合金薄膜。随着溅射功率由40 W升高至100 W,薄膜结晶性得到改善,形成简单的FCC相,（111）择优生长更加强烈,柱状生长愈加明显,晶粒尺寸增大,硬度和电阻率降低。结论 溅射功率对CoCrFeNi薄膜组织和性能具有重要影响。当溅射功率为40 W时,CoCrFeNi薄膜同时具有最高硬度和最大电阻率,其值分别为940.5HV和336.5 μΩ?cm。     

溅射环境下影响硅薄膜晶化的因素

基于溅射沉积和薄膜生长原理,系统综述分析溅射功率、沉积气压、衬底温度、衬底的选择等对硅薄膜晶化过程的客观影响规律,旨在为学术界和产业界基于溅射原理研发晶态硅薄膜、生产高效率硅基组件提供实验支持与理论参考.     

Mo电极上磁控反应溅射AlN薄膜

采用射频反应磁控溅射法在Mo电极上沉积了AlN薄膜.研究了溅射气压、靶基距、溅射功率、衬底温度及N_2含量等不同工艺条件对AlN薄膜择优取向生长的影响.用XRD分析了薄膜的择优取向,用原子力显微镜、高分辨场发射扫描电镜表征了薄膜的形貌.实验结果表明,靶基距和溅射气压的减小,衬底温度及溅射功率的升高有利于AlN(002)晶面的择优取向生长.氮氩比对AlN薄膜择优取向生长影响较小,N_2≥50%(体积分数)时均可制得高c轴择优取向的AlN薄膜.经优化工艺参数制备的AlN柱状晶薄膜适用于体声波谐振滤波器的制备.     

反应磁控溅射法制备二氧化硅薄膜的研究

采用反应磁控溅射的方法沉积二氧化硅薄膜,研究了二氧化硅薄膜的光学特性,并与用反应离子束溅射方法沉积二氧化硅薄膜进行了对比。实验结果表明:用反应磁控溅射法沉积二氧化硅薄膜,薄膜的折射率、沉积速率主要受反应气体(氧气)浓度的影响,氧气含量超过15%(体积分数)后,溅射过程进入反应模式,沉积速率随氧气浓度增加而降低;入射光波长为630 nm时,薄膜折射率为1.50。对比2种薄膜沉积方法后确定,在二氧化硅薄膜工业生产中,反应磁控溅射方法更为可取。     

Ti-Si-N 薄膜生长过程的计算机模拟

首次应用修正嵌入原子法(MEAM)以及动力学蒙特卡洛方法(KMC)对Ti-Si-N薄膜的生长过程进行了计算机仿真模拟。在合理选择势函数及MEAM各项参数的基础上,利用编程软件仿真在不同基底温度下的薄膜生长过程。与采用传统简单的Mouse势进行模拟的结果相比,这种新方法的模拟结果更加准确,与实验结果更加吻合。仿真结果表明:基底温度对Ti-Si-N薄膜的形成过程有着直接的影响,当基底温度为800 K时,岛所形成的形貌最为理想,缺陷率最低。     

HiPIMS的放电特性及其对薄膜结构和性能的调控EI北大核心CSCD

磁控溅射过程中的等离子体密度和离化率这些等离子体微观放电特性强烈影响着沉积薄膜的微观结构和性能,高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)凭借其较高的溅射粒子离化率的优势引起了广泛的研究和关注。为了探究HiPIMS的高离化率的产生原因和过程,掌握高功率脉冲磁控溅射技术对薄膜微观结构和性能的调控规律,从一般的磁控溅射技术原理出发,分析HiPIMS高离化率的由来及其与DC磁控溅射相比的技术优势,着重总结HiPIMS的宏观放电特点和微观等离子体特性;总结梳理近几年HiPIMS在硬质膜和透明导电薄膜领域的应用研究,明晰HiPIMS对薄膜微观晶体结构的影响及其对薄膜的力学、光电性能等的调控规律及其优势。HiPIMS独特的等离子体-靶相互作用,可以有效改善薄膜结晶特性,实现对光电性能的可控调控。     

Nd-Fe-B薄膜的磁控溅射法制备与组织结构

对直流磁控溅射法制备Nd-Fe-B薄膜工艺进行了研究.在不同的溅射功率、溅射气压、溅射时间等条件下制备薄膜,并对薄膜进行了AFM、XRD分析.结果表明,Nd-Fe-B薄膜的沉积速率、表面形貌及相结构与溅射功率、溅射气压、溅射时间密切相关.薄膜的沉积速率随磁控溅射功率的增加而增加,薄膜表面晶粒尺寸和表面粗糙度随溅射功率增加而增大.沉积速率随溅射气压的升高先增大后减小.低功率溅射时,薄膜中出现α-Fe、Nd2Fe14B相相对较少,随溅射功率增加,α-Fe相消失,Nd2Fe14B相增多.综合考虑各种因素,最佳溅射功率为100～130 W.     

高功率脉冲磁控溅射沉积原理与工艺研究进展*

高功率脉冲磁控溅射技术是一种峰值功率超过平均功率2个量级、溅射靶材原子高度离化的脉冲溅射技术,作为一种新的离子化物理气相沉积技术,已成为国际研究的热点,有关高功率脉冲放电、等离子体特性、薄膜及其工艺等方面的研究进展十分迅速。文中从高功率脉冲磁控溅射的原理出发,介绍10多年来高功率脉冲电源的发展,从高功率脉冲放电等离子体特性与放电物理、等离子体模型,以及沉积速率和薄膜特性等方面综述技术的研究进展。     

高功率脉冲磁控溅射仿真技术研究进展∗

磁控溅射技术广泛用于制备多种功能涂层 / 薄膜材料,随着材料加工的精密化和功能器件的微型化,其已成为工业生产中必要环节。磁控溅射的发生基于等离子体放电,但由于等离子体负载的非线性和不稳定性,试验研究相对困难,促使其仿真技术在过去的几十年快速发展,并逐渐成为新型真空涂层装备开发和工艺验证重要且高效的手段。尤其是随着高离化磁控溅射等新技术的提出,等离子体的不确定性加强,检测越来越难,使仿真技术得到进一步的发展和推进。针对高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术,对近年来等离子体仿真技术研究进展及其在 HiPIMS 放电机理和等离子体特性方面的应用进行综述。以多种等离子体仿真模型为切入点,分别介绍检验电子 Monte Carlo 模型、流体模型、粒子网格 / 蒙特卡洛(PIC / MCC) 模型、参数路径模型以及整体模型等仿真模型的原理、优缺点及其在 HiPIMS 技术研究中的贡献和不足。随着等离子体放电技术的进步,等离子体特性越来越复杂,等离子体仿真技术也相应地向更高维度、精度和自由度的方向不断升级,最后总结等离子体仿真技术的研究方向,并对其发展及其对 HiPIMS 可能的推动作用进行展望。     

高功率脉冲磁控溅射轮辐特征等离子体研究综述EI北大核心CSCD

高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)是最新一代磁控溅射技术,高度离化的脉冲等离子体是HiPIMS技术的核心特征。针对HiPIMS放电轮辐特征,评述特征放电下HiPIMS等离子体测量、模拟及对薄膜生长作用的最新研究进展。较之常规磁控溅射技术,HiPIMS溅射靶材粒子高度离化,等离子体阻抗显著降低。等离子体在靶材表面形成以千米每秒速度旋转漂移的致密等离子体结构,存在局域化和自组织特征,可显著影响沉积粒子输运行为,为沉积薄膜生长提供一个新的控制维度。HiPIMS放电轮辐一般呈现扩散形和三角形两种形态,通过介绍轮辐变化规律、形成机制的进展,明确靶材溅射产额也对其形态有影响。另一方面,HiPIMS轮辐结构结合其脉冲放电特点,可控制薄膜沉积通量输运特征,进而影响沉积薄膜的微结构、表面粗糙度等表面完整性参数。具有微秒到毫秒跨尺度多级脉冲调节能力的高功率调制脉冲磁控溅射(MPPMS)和高功率深振荡脉冲磁控溅射(DOMS),脉冲控制跨时间尺度特性带来的轮辐特征可剪裁性,为在更大时间和空间维度上薄膜生长控制提供了可能性。     

焊接热影响区晶粒长大过程的微观组织模拟

利用蒙特卡罗方法(MC)结合焊接工艺试验，模拟了单相合金焊接热影响区(HAZ)的晶粒长大过程。文中首先应用试验方法确定了材料的晶粒长大动力学方程，在不同峰值温度和冷却速度等热输入的情况下，模拟结果再现了晶粒长大的动态过程，并体现出热钉扎效应。得出了与焊接实际过程相一致的模拟结果。为以后进行三维焊接热影响区晶粒长大模拟奠定了可靠的基础。     

Interaction between Carbon Atoms and Carbon Activity in fcc Iron: Thermodynamic Theories and Computer Simulation

The literature data on the interactions between carbon atoms and the methods of calculating its activity in the γ-iron lattice have been analyzed. Both statistical thermodynamic results and the data obtained by methods of computer simulation have been considered. To compare the available results, the simulation of the carbon activity in austenite using the Monte Carlo method has been carried out. It has been shown that the experimental curve of the concentration dependence of the carbon activity can be reproduced using a large number of strongly differing energies of interactions between carbon atoms in the first two coordination shells. Thus, the problem of determining the parameters of the С–С interaction in fcc iron according to the data on the activity is mathematically ill posed and first-principles calculations are necessary. It has been shown that, at carbon concentrations of up to 7 at %, the approximate statistical theories lead to accurate results. An analysis of the results of an ab initio simulation showed that the inclusion of the interaction between carbon atoms in the third and fourth coordination shells hardly affect the carbon activity.     

晶粒长大的Monte Carlo模拟方法——递归统计法测定晶粒度

应用Monte Carlo（MC）法模拟在周期性边界条件下的晶粒长大行为。利用MC法模拟时,晶界处格点的迁移引起晶粒的长大,根据这一主要特征提出一种精确快速的测定晶粒度的新方法—递归统计法,然后采用递归统计方法测量晶粒度。结果表明,递归统计法测得的晶粒度比截点法的更精确,而且测量精确度不受模型的格点类型以及晶粒的尺寸、形状等的影响,测量速度比其他统计方法要快。     

Si基底磁控溅射制备CrN薄膜的表面形貌与生长机制

在Si基底上采用直流磁控溅射法制备CrN薄膜,利用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析薄膜表面形貌和物相成分,探讨薄膜生长的动力学过程.结果表明只有当生长时间足够(1800s)时,才能形成具有CrN相的薄膜.随着CrN薄膜的生长,薄膜表面晶粒由三棱锥发展为三棱锥与胞状共存状,薄膜表面粗糙度逐渐增大,动力学生长指数β=0.50.     

铜-钨(钼)薄膜制备及应用的研究进展

介绍了近年来铜-钨（钼）薄膜涂层的制备方法,包括溅射沉积法、离子束辅助沉积法、离子束混合法、电子束蒸发法。重点介绍了溅射法中的磁控溅射法和离子束溅射沉积法,分析了薄膜的结构特征及其在固体润滑剂、电子设备、表面修饰材料等领域的应用,并展望了未来的研究方向和应用前景,指出制备散热材料是未来铜-钨（钼）薄膜研究的主流方向。     

Investigation of the mechanical properties of aluminium oxide thin films on polymer substrates by a combination of fragmentation and scratch testing

This paper reports the combination of two mechanical tests on AlOx coatings on polymer film, of the kind that can be used for gas barrier layers: uniaxial fragmentation tests and nano-scratch tests. The resulting morphology of the film, as characterised by AFM at different points along the scratch test, is very informative of the nature of the coating failure, and combined with FTIR studies of the oxides can explain the observed differences in the quantitative mechanical tests. As an illustration of the capability of these methods to distinguish differences between coatings on the same substrate with the same nominal chemistry, a comparison between three AlOx coatings on polyethylene naphthalate (PEN) is made. The different films were produced in comparable conditions by direct current (DC) magnetron sputtering, radio frequency (RF) magnetron sputtering and high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Clear differences were measured between the coatings. The DC film showed the greatest strain-to-failure, perhaps due to a more open structure indicated by FTIR, and the HiPIMS sample showed a less homogeneous, but better adhered, coating.     

Optimization of a container design for depositing uniform metal coatings on glass microspheres by magnetron sputtering

Coating granular substrates by PVD methods like magnetron sputtering is a very challenging process. Although many of such substrates may also be coated by other means like the sol gel method, there are coating materials (e. g. refractory metals) for which PVD processes are the method of choice.One of these substrates is hollow glass microspheres with 2-80 μm diameter which can be used for hydrogen storage if a proper catalytic film is applied. To achieve a uniform film by magnetron sputtering on all the spheres a special apparatus was used which basically consists of rotating vessels positioned beneath the target. The arising problems of agglutination of the powdery substrate were solved by designing a special coating vessel, where the spheres are contained during deposition.For testing the system first copper was used as a target material, which was then replaced by platinum since the glass microspheres are used for a catalytic application. The film thickness on the spheres was determined by optical absorption and matches well with the thickness calculated for the special vessel geometry. Additionally it is shown that the glass microspheres can be coated with a uniform layer by magnetron sputtering whereas coatings produced by a chemical deposition process are not continuous.