太陽光譜選擇性吸收膜系設(shè)計、制備及測評解讀

1、太陽光譜選擇性吸收膜系設(shè)計、制備及測評熱輻射基本概念熱量傳遞的基本方式：導(dǎo)熱，對流和輻射。 輻射是以物體通過電磁波傳遞能量的一種方式。電磁波的波長從零到無窮大，傳播速度真空中約為3X108m/s。當(dāng)輻射能量投射到物體表面時，會發(fā)生吸收，反射和透射。三者遵循以下規(guī)律：aa +p +t當(dāng)物體的吸收比A=1時，該物體稱為絕對黑體或黑體；當(dāng)物體反射比 P=1時該物體稱為鏡體；而反射比是漫反射比時，該物體稱為絕對白體；當(dāng)物體透射比T=1時，稱為絕對透明體或透明體。黑體輻射的基本定律：光譜輻射岀射度隨波長連續(xù)變化，先增大后減小，每條曲線只有一個最大值；曲 線隨黑體溫度的升咼而整體提咼，曲線互不相交，最大值

2、隨溫度的升咼而向短波 移動。最大光譜岀射度的波長與溫度的關(guān)系：LT=2897.8um2K實際物體發(fā)射率的一般變化規(guī)律：1) ：對于黑體，發(fā)射率E=1,光譜發(fā)射率，法向發(fā)射率，方向發(fā)射率彼此相等。2) ：實際物體的方向發(fā)射率或法向發(fā)射率有一定變化，但對半球發(fā)射率無顯著 影響。3) :金屬材料的表面發(fā)射率一般都比較低，但隨著溫度升高都要增大， 金屬表面形成氧化層后，會成倍增大。4) :非金屬材料的表面發(fā)射率是較高的一般都在0.80以上，或者更高。5) :發(fā)射率值的大小取決于物質(zhì)的表面狀態(tài)，涂層的發(fā)射率是涂層本身的特性，不是涂層基材的特性，但有例外，如：太陽能利用中的光譜選擇性涂層AI-AIN/AI

3、,SS-C/Cu膜層的發(fā)射率的高低在很大程度上取決于底層AI和Cu.基爾霍夫定律：物體處于熱平衡時，任何物體對黑體投射輻射的吸收比等于同溫 度下該物體的發(fā)射率。對于灰體不論投射輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱 平衡狀態(tài)，其吸收比等于同溫度下的發(fā)射率。太陽光譜選擇性吸收膜系光學(xué)基礎(chǔ)消光系數(shù)(k)描述電磁波在介質(zhì)中傳播時的衰減程度，是介質(zhì)吸收電磁波能量的 度量。n表示折射率，其中(nx)稱為光程，也叫光學(xué)距離或光學(xué)厚度。在薄膜 光學(xué)中，膜厚常以光學(xué)厚度來表示。n,k通稱為介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)。兩列波的振動頻率必須相同； 兩列波在相遇點的振動方向相同； 兩列波在相遇區(qū)域內(nèi)必須有固定的相位差。薄膜的干涉效

4、應(yīng)：兩列或兩列以上的光波，在滿足一定條件下相遇時，重疊的區(qū) 域內(nèi)光強分布不均勻，有的地方加強，有的地方減弱，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。 光的干涉必須滿足的條件：1)2)3)當(dāng)介質(zhì)的光學(xué)厚度是1/2波長的整數(shù)倍時，發(fā)生相長干涉；當(dāng)介質(zhì)的光學(xué)厚度是1/4波長的奇數(shù)倍時，產(chǎn)生相消干涉。太陽光譜選擇性吸收表面原理在太陽可見光和近紅外波長范圍內(nèi)有高的吸收，紅外范圍是透明的； 在太陽可見光和近紅外波長范圍內(nèi)有高的吸收，紅外范圍有高的反射; 在太陽可見光和近紅外波長范圍內(nèi)是透明的，紅外范圍有高的反射。1、本證吸收材料；2、微觀上不平整的表面； 4、電介質(zhì)-金屬復(fù)合材料等。2.5um范圍內(nèi)高吸收，對波長在50um

5、范圍內(nèi)低吸收（即低發(fā)射），這就是選擇性吸收表面。適合作為選擇性吸收表面的材料主要分為三大類：1）2）3）選擇性吸收材料可以是：3、微顆粒組成的材料； 一個表面對波長在0.305 50um范圍內(nèi)低吸收（即低發(fā)射），這就是選擇性吸收表面。反射比發(fā)生突變處的波長叫截止波長（Lc）。要得到性能優(yōu)良的吸收表面，正確確定截止波長 是十分重要的。隨Lc的加長，表面的吸收比由快速增加到緩慢上升，直至表面吸收不再上升； 發(fā)射率有緩慢上升（甚至不升高）到快速升高。相同的Lc,表面溫度高發(fā)射率也高。太陽光譜選擇性吸收表面材料能帶理論基礎(chǔ)價電子對應(yīng)的能級；沒有被電子填充滿的能帶； 沒有被電子填充的能帶； 價帶頂至導(dǎo)帶

6、低的能帶 價帶與導(dǎo)帶重疊，之間無禁帶，電子容易運動，電阻率低;在晶體中，原來孤立的原子的能級分裂成了能帶。能帶是描述晶體中能量狀態(tài)的 物理量。半導(dǎo)體：價帶價帶 導(dǎo)帶 空帶 禁帶 導(dǎo)體 與導(dǎo)帶間有一個禁帶，不同的半導(dǎo)體材料，他們的禁帶空帶寬度不同； 絕緣體：絕緣體的禁帶比半導(dǎo)體寬得多。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)決定了它具有某些特殊性能，其中具有光吸收特性，主要光吸 收過程是本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收和晶格吸收。半導(dǎo)體的本證吸收是價電子吸收光子能量后，從價帶躍遷到導(dǎo)帶所形成的吸收過 程。產(chǎn)生的條件是：光子能量不小于半導(dǎo)體的禁帶寬度。hv> Eg截止波長（Lc）又叫吸收限為：Lc=1.

7、24/Eg（eV）其中Eg為禁帶寬度單位 電子伏 特”（eV）。折射率n與禁帶寬度Eg的經(jīng)驗公式：（nnnn）Eg=77 反射率 R=（1-n） /（1+ n）（1-n”（1+ n）當(dāng)雜質(zhì)（除半導(dǎo)體之外的任何材料）摻入到純半導(dǎo)體晶體中時，晶體的禁帶寬度 減少吸收限波長增加。典型太陽光譜選擇性吸收表面機理1）:本征吸收選擇性吸收表面，合適的禁帶寬度半導(dǎo)體材料可以用于選擇性吸 收，但是吸收限波長太短，光熱轉(zhuǎn)換效率不理想。2）：半導(dǎo)體吸收-金屬反射串列組合，在半導(dǎo)體底部加紅外高反射金屬層，有效 阻止基體受熱后的長波長輻射。實際用于紅外反射的金屬材料主要有：Au,Ag,Cu，AI,Ni 等。3）:微不

8、平表面，微觀上不平整、宏觀上平整的一種表面。利用物理或化學(xué)方法使表面粗糙化，形成許多 小丘”當(dāng)小丘間的間距與入射光波長相比擬時就對 該入射光產(chǎn)生吸收。這個間距比紅外波長小，因此對紅外輻射產(chǎn)生鏡面反射。4）:半透明電介質(zhì)-金屬干涉疊層表面，最底層是純金屬反射層，半透明金屬上 下都是沒有吸收的純電介層，電介層的光學(xué)厚度在中心波長處應(yīng)能實現(xiàn)相消干涉。電介質(zhì)的光學(xué)厚度應(yīng)該是參考波長的四分之一，并嚴(yán)格控制半透明金屬的厚 度。5）:電介質(zhì)-金屬復(fù)合材料選擇性吸收表面，材料制備方便成分容易控制，應(yīng)用 最廣泛。電介質(zhì)-金屬復(fù)合就是在電介質(zhì)基體中嵌入極細的金屬粒子形成新材料的過程。 填充因子：金屬粒子嵌在電介質(zhì)

9、基體的體積百分?jǐn)?shù)稱作金屬填充因子，簡稱填充 因子。金屬粒子對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和特性起決定性影響。多層漸變選擇性吸收膜系設(shè)計單色光與單層薄膜發(fā)生作用時會發(fā)生反射、透射、吸收和干涉現(xiàn)象，單層膜的吸 收是有限的，最直接的辦法是制備一系列不同性能的薄膜構(gòu)成一個膜系，不同獨 立膜層有不同的吸收限，吸收不同波長的能量。這就是層層吸收。純的AIN膜可以使盡可能多的太陽光透過進入膜系，這就是減反射層。減反射膜 本身不吸收能量。在AIN中摻入金屬，就有了吸收能力，就是光通過時會遇到阻礙，隨著金屬的增 多，阻礙能力越強，純金屬時，光已經(jīng)不能通過，形成反射。利用反應(yīng)濺射沉積 技術(shù)制備AIN-AI復(fù)合膜時，隨氮氣流量的

10、增加，復(fù)合膜中 AI的含量減少，膜的 介質(zhì)性提高，光通過能力加強，直到純的 AIN達到光完全通過。復(fù)合膜的消光系數(shù)（k）隨填充因子的增大而增加；折射率（n）與填入的金屬種類有 極強的依賴關(guān)系，與電介質(zhì)幾乎無關(guān)。透反法測試薄膜的光譜反射比及透射比：1)2)3)4)在玻璃基片上（高純度低鐵玻璃）沉積待測薄膜； 利用分光光度測量樣品的反射比和透射比；利用臺階儀測量薄膜厚度； 反演確定膜的折射率（n）和消光系數(shù)。減反射膜的設(shè)計理論基礎(chǔ)是薄膜的干涉。一個理想的減反射膜應(yīng)滿足以下條件：1）薄膜的光學(xué)厚度應(yīng)是四分之一參考波長的奇數(shù)倍；2）薄膜的折射率入射介質(zhì)（如空氣）折 射率與出射介質(zhì)折射率乘積的平方根。當(dāng)

11、光學(xué)厚度為波長四分之一的奇數(shù)倍時，低折射率膜得到的發(fā)射率（R）為極小，高折射率膜得到的發(fā)射率為極大；當(dāng)光學(xué)厚度為波長四分之一的偶數(shù)倍時，不管 膜層折射率如何變化，基體反射比不變。設(shè)計減反射膜的途徑：1） ：選用單層減反射膜，需要正確確定參考波長，應(yīng)在510nm甚至更長出；2）：多層減反射膜，要希望對較寬波長范圍實施減反射，必須設(shè)計多層減反膜 系，層數(shù)多、性能好、工藝復(fù)雜。電介質(zhì)-金屬選擇性吸收膜系的減反射層一、單層及雙層減反膜：影響減反效果的主要參數(shù)是減反膜本身的光學(xué)常數(shù)、厚度及基體材料的折射率。電介質(zhì)-金屬復(fù)合膜在太陽能領(lǐng)域應(yīng)用最廣，其中 AIN-AI復(fù)合膜被大多數(shù)企業(yè)采 用，純AIN介質(zhì)做

12、減反膜是最經(jīng)濟方便的選擇，使用二層減反膜的可以直接加一 層三氧化二鋁（AI2O3）。在不同的復(fù)合膜上加相同材料、相同厚度的減反膜不可能有相同的效果；但都遵 循相同的規(guī)律：反射曲線僅有一個最低點；在 AIN表面加一層40nm的AI2O3 膜，膜系反射區(qū)有兩個最小值區(qū)域，會形成比較好的相消干涉。而且在波長大于 1300nm之后曲線陡峭上升。二、減反膜厚度對吸收膜系反射特性的影響：1、由AIN-AI構(gòu)成的表面上，加單層不同的減反膜（AIN或AI2O3）后，在波長 350-2300nm范圍內(nèi)對表面反射比的影響幾乎一樣；2、隨厚度增加，反射極小點向長波方向移動，紅外極小點幾乎不變；3、短波相消點的右移使

13、兩個相消點重疊，便有最好的吸收范圍；2300nm處的反射比還會降低，但對發(fā)射率4、增加AIN的厚度，1300nm左右的極小值都向長波方向移動，并且短波區(qū)域移 動更快；5、兩種減反膜厚度都增加，0.2 和 0.45 時，AIN 選擇 30nm,AI2O3 40nm 是此膜系A(chǔ)I2O3（ 40）會有影響； 如果確定吸收層填充因子為 的最佳設(shè)計結(jié)果。表示為：/AIN（30）/f0.2（45）/f0.45（120）/AI（不透明）/玻璃。（）內(nèi)為厚度。多層漸變選擇性 吸收膜系的理論設(shè)計多層漸變選擇性吸收膜系主要應(yīng)有三部分構(gòu)成：最底層的紅外高反射層、中間的 吸收層及表層的減反層。可以表示為 f1 （或f

14、A=1）的紅外高反射金屬、f0-1的吸收層、fO的減反層。設(shè)計中包括眾多參量：合適光學(xué)常數(shù)膜層的優(yōu)化、層數(shù)的選 用、各膜層的厚度、表面反射比的計算等。1確定吸收限，是指紅外最小反射點對應(yīng)的波長，理想的范圍是 1300-1400nm之間，太短會造成吸收比較低，太長會造成膜的發(fā)射率升高。使用 溫度越高吸收限應(yīng)該向短波長移動，反之向長波移動?？梢栽诎l(fā)射的最大輻射度 對應(yīng)的中心波長右移一半左右。中心波長可以以LT=2897.8nm2K推算。對于一個實際膜系來講，一方面吸收限要比理想吸收限短，給出一個曲線上升到最大值的 波長范圍；另一方面實際膜系反射曲線應(yīng)盡快的上升到最大值。也就是需要在窄 的波長范圍內(nèi)

15、陡升至最大值。光譜反射曲線急劇上升的膜系發(fā)射率一定低于緩慢 上升的膜系。2、 設(shè)定紅外參考波長處的反射比值，波長一般選定在2.5um,并使用分光光度計 進行精確測量。Cu、3、設(shè)定吸收膜系的吸收比，有了以上三條設(shè)置可以保證從理論上得到高性能的 選擇性吸收膜系。4、復(fù)合吸收膜系解構(gòu)，應(yīng)有三部分構(gòu)成：最底部的紅外高反射膜（Al等）、吸收層（一層或多層）、減反射層（一層或兩層）。多層漸變選擇性吸收膜系層數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 膜層的厚度在20nm到150nm區(qū)間內(nèi)隨厚度的增加表面吸收比幾乎成拋物線上 升, 150 nm之后，這種依賴關(guān)系變?nèi)酰?00nm之后，如果厚度增加10倍，吸收 比也就上升5個百分點?？傊?/p>

16、，在某個范圍內(nèi)提高吸收層的厚度是增加吸收比的 有效方法。隨吸收比的增加表面的發(fā)射率也在上升。600K時表面發(fā)射率與厚度關(guān)系不大，溫度越高表面發(fā)射率與吸收層厚度之間的 關(guān)系越密切。50nm以后發(fā)射比幾乎隨膜厚的增加而呈拋物線上升（高溫應(yīng)用 區(qū)）。所以吸收層的厚度確定應(yīng)同時顧及表面的吸收特性和發(fā)射性能：在較低溫 度下（300度）工作的膜系，首先考慮吸收特性，即可以通過增加厚度提高膜系 的吸收比；如果膜系工作在高溫區(qū)（大于 500度）應(yīng)首先考慮降低他的發(fā)射率，即 吸收膜盡可能的薄，要提高他的吸收比只有靠干涉效應(yīng)去實現(xiàn)。1、AIN-AI膜系：膜系吸收層以二層最好；層數(shù)的增加會使發(fā)射率升高；層數(shù)減少，干

17、涉效應(yīng)就應(yīng)加強；單層吸收莫不理想。吸收層填充因子為0.2和0.45較好。2、AI2O3-W膜系：四層膜系具有最佳的光譜吸收特性。吸收層填充因子分別為 0.10、0.30及 0.55較好。3、AIN-AI膜系的模擬設(shè)計：膜系設(shè)計的基本參量是復(fù)合膜的光學(xué)常數(shù)及膜的厚 度原始數(shù)據(jù)與實測值之間存在一定的偏差，前者稱為理論設(shè)計，后者稱為模擬設(shè) 計。AIN-AI復(fù)合膜的光學(xué)常數(shù)求解方法：一、兩種材料可以定量摻雜時：1、制備純Al和純AIN膜；2、求解光學(xué)常數(shù)；3、將AI和AIN的光學(xué)常數(shù)轉(zhuǎn)換成介電常 數(shù)；4、計算不同填充因子的介電常數(shù)并轉(zhuǎn)換成光學(xué)常數(shù)；5、優(yōu)化膜系；二、兩種材料不能定量摻雜時：1、制作單層

18、的AIN膜和一系列 AIN-AI復(fù)合膜并記錄工藝參數(shù)；2、測量并計算各薄膜的光學(xué)常數(shù)；3、模擬優(yōu)化 設(shè)計。選擇性吸收膜系填充因子的優(yōu)化將填充因子分成五類：OvfvO.1為微吸收，0.1VFV0.25為低吸收，0.25vfv0.35為 中等吸收，0.35vfv0.45為較強吸收，0.45vfv1為強吸收。填充因子分別為0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.6的漸變膜系作為標(biāo)準(zhǔn) 進行填充因子優(yōu)化分析，此標(biāo)準(zhǔn)吸收比為0.94,發(fā)射率小于0.06。(a=0.94,R=0.65,ev0.06,R旨波長 2500nm時的反射率，下同)1、去掉0.4和0.45的較強吸收層，吸收效

19、應(yīng)減弱，干涉效應(yīng)應(yīng)加強，發(fā)射率會 有明顯的降低。較強吸收的高填充因子層可以使膜系的吸收提高的同時膜系發(fā)射 率也會升高(a=0.908, R=0.78);設(shè)計高溫條件下應(yīng)用的膜層時，應(yīng)盡量少用具有 較強吸收的膜層，或降低他們的厚度；2、 去掉0.30和0.35的中等吸收膜層，比1有更低的發(fā)射率，中等吸收層對紅外 發(fā)射率的影響更加敏感；3、 取消0.2和0.25兩個膜層后膜系反射譜發(fā)生了較大變化，吸收比降至0.87,而 且曲線在紅外上升緩慢，發(fā)射率更高；4、 取消0.1的微吸收層，相消干涉僅發(fā)生在 440nm的短波長處，吸收比為0.92，在600-1000nm范圍曲線平緩上升；總上，隨著膜系中膜層

20、填充因子的減小，膜系反射曲線中的相消干涉點向左移動 速度加快，即：膜層填充因子越小，膜的吸收越小，對膜系干涉效應(yīng)的影響越 大；5、 將0.6的強吸收層改變?yōu)?.5和0.7,膜系光譜反射曲線在350-800nm波長范 圍與標(biāo)準(zhǔn)幾乎重合，僅對紅外反射產(chǎn)生一定作用，在膜系中適當(dāng)提高高吸收層的 填充因子，有利于降低膜系的發(fā)射率；總上：膜系中應(yīng)盡可能的減少較高吸收的膜層，產(chǎn)生的吸收損失通過干涉效應(yīng)去 彌補。層數(shù)優(yōu)化認(rèn)為，四層AIN-AI膜系具有高的吸收和低的發(fā)射，在實際中越來越重 視，填充因子在0.25-0.40范圍的膜層對膜系的發(fā)射率升降有著密切的關(guān)系，填充因 子的變化影響膜系的結(jié)論：1、膜系中吸收層

21、少干涉效應(yīng)明顯；2膜系中吸收層越少，改變它們的填充因子對膜系性能的影響越大，制作時對 參數(shù)的控制應(yīng)更加嚴(yán)格；3、填充因子只要在一定范圍變化，再通過膜厚的調(diào)整，同樣可以得到性能優(yōu)異的膜系；4、較大的填充因子膜層可以增加膜系的吸收，同時也會使膜系發(fā)射率上升；5、相對較小的填充因子膜層會使膜系干涉效應(yīng)加強，必須通過厚度調(diào)節(jié)干涉相長和相消的峰值位置；高填充因子膜被認(rèn)為是高吸收層，低填充因子認(rèn)為是低吸收層1高吸收層對膜系的長波長性能的影響明顯，當(dāng)厚度增加時，會有更多的光線 被吸收，長波反射幅度降低，增加了膜系的發(fā)射率；厚度太低，長波長有較高的 反射比，膜的發(fā)射率較低，但是在可見光和紫外區(qū)反射增加，吸收率

22、降低。高吸 收層有一個極值，超過該值對膜系性能影響很??；2、低吸收層承接高吸收層和減反射層，對膜系的影響主要表現(xiàn)在近紫外和可見 光區(qū)的干涉峰上，當(dāng)?shù)臀諏拥暮穸忍窕蛱?，都會帶來明顯的干涉峰。選擇性吸收膜系中各層厚度的設(shè)計1高填充因子（f=0.6）膜層厚度的增加或減少對膜的吸收性能的影響可以忽略；2、f=0.45和f=0.40、f=0.35和f=0.30膜層性能相近；3、低的填充因子膜層厚度 的變化對膜系產(chǎn)生影響更加明顯。四層膜系中僅有兩層吸收膜，低吸收膜（f=0.20）在膜系干涉中有舉足輕重的作 用，它厚度變化越大，偏離相消干涉條件越遠，相消作用越弱；f=0.20膜層的厚度只能在（45 &

23、#177;5）nm范圍內(nèi)進行優(yōu)化，厚度減薄使膜系吸收限向左移動；高填充因子（f=0.45）厚度從120nm降至80nm時變化可以忽略，降至 40nm時變 化主要發(fā)生在紅外，膜系發(fā)射率明顯降低，吸收沒有明顯的變化，膜系具有很好 的選擇性；降至0時，紅外吸收限左移與可見光的干涉疊加，膜系在紅外區(qū)域的 反射快速上升；將膜厚加厚到150nm和200nm時反射圖譜與厚度120nm時基本重合。結(jié)論：高填充因子膜層厚度變化對膜系紅外反射產(chǎn)生影響；膜厚由一個臨界值，高于臨界值性能不變，低于臨界值時，厚度 減薄會使吸收限左移；四層膜系中某一個吸收層厚度變化對膜系的影響大于九層 膜系。在模擬計算及實際制備中，低填

24、充因子和高填充因子膜層厚度的增加膜系譜線的 吸收限都向長波方向移動；實際膜與設(shè)計結(jié)果不可能完全吻合。選擇性吸收膜系的制備光譜選擇性吸收膜系的制備技術(shù)：光譜選擇性吸收膜系是一種光學(xué)膜系，可用真 空沉積、電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積等，應(yīng)用廣泛的主要是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)和真空 沉積技術(shù)中的蒸發(fā)及濺射。濺射沉積技術(shù)的基本原理：所謂濺射（sputtering）是指被加速的正離子轟擊陰極（靶）表面時，將自身的能量 傳給陰極表面的原子，原子離開陰極沉積在基體上。是動量傳遞過程。利用濺射 現(xiàn)象沉積薄膜的技術(shù)稱濺射沉積技術(shù)。濺射理論：公認(rèn)的是碰撞理論，入射離子與固體表面原子發(fā)生彈性碰撞后，將其 中一部分能量給了原子，該

25、原子的動能超過它與其他原子形成的勢壘（對金屬約 5-10ev ）時，原子就會從晶格點陣碰出，形成離位原子，又與其他附近原子發(fā)生 反復(fù)碰撞-聯(lián)級碰撞。當(dāng)原子動能超過結(jié)合能（1-6ev）時，原子離開表面進入真 空室沉積在設(shè)置的基體上，形成薄膜。入射正離子轟擊固體表面后除產(chǎn)生原子外，還有其他現(xiàn)象產(chǎn)生，主要是原子和電子。原子沉積在基體上形成薄膜，電子用來維持輝光放電的繼續(xù)。產(chǎn)生 原子的多少用濺射產(chǎn)額（S）表示。一、濺射產(chǎn)額及其影響因素濺射產(chǎn)額-單位離子入射到表面后產(chǎn)生的原子數(shù)，單位：原子數(shù) /離子，也叫濺射 率或濺射系數(shù)。決定陰極被剝離的速度，并在很大程度上決定薄膜的沉積速率。濺射產(chǎn)額與入射離的能量、

26、質(zhì)量、種類、入射角度及被濺材料的種類有關(guān)。1、濺射產(chǎn)額與入射離子的關(guān)系：1）與入射離子種類的關(guān)系：對于同一種被濺材料，當(dāng)轟擊離子的質(zhì)量增加時， 濺射產(chǎn)額隨之增加，而且最大濺射產(chǎn)額出現(xiàn)在周期表惰性氣體上；2）與入射離子能量的關(guān)系：在入射離子的能量很低的一個范圍內(nèi)，沒有或者幾 乎沒有濺射發(fā)生，隨著離子能量的增加，濺射產(chǎn)額也增加，當(dāng)能量繼續(xù)增加超過 某一個值時，濺射產(chǎn)額不但不增加反而還要下降（S=0時的最高能量稱為濺射的 域值能量，一般為10-30ev）;3）與離子入射角的關(guān)系：當(dāng)入射角從 0° （離子垂直入射到靶面）逐漸增加時， 最初的濺射產(chǎn)額（S）也隨之增加，當(dāng)達到某一值（Al為75&

27、#176;）時，S達到最大， 角度再增加S反而下降，至90）時，濺射產(chǎn)額下降到零。2、濺射產(chǎn)額與靶材的關(guān)系：隨著原子序數(shù)的增加，S值是周期性變化的，材料的電子結(jié)構(gòu)中，d殼層電子越 多，該材料S值就越大。二、影響濺射粒子能量的因素：1、入射離子的能量對濺射粒子的影響：增大入射離子的能量會使濺射粒子的能 量相應(yīng)增加。在低壓強狀態(tài)下，增加濺射功率是提高入射離子能量的有效途徑。 如果壓強太高，濺射原子在離開靶表面向基體運動的過程中就會與室內(nèi)的氣體分 子發(fā)生碰撞，降低濺射原子的能量；2入射離子質(zhì)量對濺射粒子的影響：質(zhì)量大的正離子產(chǎn)生的濺射原子具有大的 平均能量；3、正離子入射角對濺射粒子能量的影響：入射

28、角改為60°轟擊把表面，濺射粒子 能量就會提咼。濺射沉積速率沉積速率與諸多因素有關(guān)可定性的表示為q=CSIq為沉積速率，C為常數(shù)，S為濺射產(chǎn)額，I為放電電流。凡是影響濺射產(chǎn)額的因 素都對沉積速率有影響，濺射產(chǎn)額是個必要條件，諸多因素中，最主要的有幾 個：1外加功率對沉積速率的影響：陰陽極的距離確定、放電處于反常輝光放電區(qū)（電壓升高電流加大）條件下，沉積速率與加在陰極上的功率成正比；2、沉積速率與放電電流的關(guān)系：提高放電電流的最有效途徑是適當(dāng)提高濺射氣 體壓強；3、基體與陰極靶之間的相對位置：在不影響陰極暗區(qū)的前提下，陰陽極間的距 離越近，沉積速率越大。（但厚薄均勻性下降，-指靶及基體

29、固定不變時）4、氣體壓強對沉積速率的影響：沉積速率與氣體壓強不是線性關(guān)系，低氣體壓 強時，正離子少，濺射產(chǎn)額低，沉積速率低；隨氣體壓強升高，正離子增多，濺 射產(chǎn)額提高，沉積速率上升；在某一個氣體壓強時達到最大值；繼續(xù)提高氣體壓 強，沉積速率開始下降。濺射沉積技術(shù)一、直流二極濺射：最大的優(yōu)點是裝置最簡單，可以使膜的應(yīng)力減小（原因是基 片溫度很高）；缺點是電離率低，必定濺射產(chǎn)額低，造成沉積速率也低；沉積低 熔點有機薄膜困難；使用電壓較高，有較高的絕緣要求；必須使用較高的氣體壓 強。二、射頻濺射沉積： 在二極濺射中，靶接電源負(fù)極，基體支架外殼通常接地，要 實現(xiàn)連續(xù)濺射，靶必須是導(dǎo)體，否則靶上會積累電

30、荷使放電終止。射頻濺射時唯 一可以從絕緣的化合物靶上直接獲得化合物薄膜的方法。它可以在低氣壓下工作，膜層致密，附著力較高。三、磁控濺射技術(shù)：所謂磁控濺射就是利用陰極表面配合的磁場形成電子陷阱， 使在E3B的作用下電子緊貼陰極表面飄移。設(shè)置一個與靶面電場正交的磁場，濺射時產(chǎn)生的快電子在正交的電磁場中作近似 擺線運動，增加了電子行程，提高了氣體的離化率，同時高能量粒子與氣體碰撞 后失去能量，基體溫度較低，在不耐溫材料上可以完成鍍膜。分類：1平面磁控濺射：平衡平面濺射是最常用的平面靶磁控濺射，磁力線有閉合回路且與陰極 平行，即在陰極表面構(gòu)成一個正交的電磁場環(huán)形區(qū)域。等離子體被束縛在靶表面 距離靶面大

31、約60cm的區(qū)域，通常在基片上加負(fù)偏壓來改善膜與基體的結(jié)合能 力；非平衡平面磁控濺射為了將等離子區(qū)域擴展，利用磁體擺放方式的調(diào)整，可以方 便的獲得不同的非平衡磁控源。2、圓柱磁控濺射沉積技術(shù)：利用圓柱形磁控陰極實現(xiàn)濺射的技術(shù)磁控源是關(guān)鍵 部分，陰極在中心位置的叫磁控源；陽極在中心位置的叫反磁控源。四、特殊濺射沉積技術(shù)：以上面幾種做基礎(chǔ)，為達到某些特殊目的而產(chǎn)生的濺射 技術(shù)。1反應(yīng)濺射：可分為兩類，第一種情況是靶為純金屬、合金或混合物，通入的 氣體是反應(yīng)氣體，或Ar加上一部分反應(yīng)氣體；第二種情況是靶為化合物，在純 氬氣氣氛中濺射產(chǎn)生分解，使膜內(nèi)缺少一種或多種靶成分，在濺射時需要補充反 應(yīng)氣體以補

32、償損失的成分。常用的反應(yīng)氣體有氧、氮、氧+氮（空氣）、乙炔、甲烷等。1反應(yīng)過程，反應(yīng)發(fā)生在表面-靶或基體上，活性氣體也可以形成活性基團，濺 射原子與活性基團碰撞也會形成化合物沉積在基體上。當(dāng)通入的反應(yīng)氣體壓強很低，或靶的濺射產(chǎn)額很高時化合物的合成發(fā)生在基體上，而且化合物的成分取決 于濺射粒子和反應(yīng)氣體到達基體的相對速度，這種條件下，靶面的化學(xué)反應(yīng)消失 或者是化合物分解的速度遠大于合成的速度；當(dāng)氣體壓強繼續(xù)升高，或濺射產(chǎn)額 降低時化合反應(yīng)達到某個域值，此后在靶上的化學(xué)合成速度大于逸出速度，認(rèn)為 化合物在靶面進行。2）反應(yīng)濺射參數(shù)與生成物性能的關(guān)系：在純 Ar狀態(tài)下濺射沉積的時純鋁膜，當(dāng) 氮氣被引

33、入真空室后，靶面發(fā)生變化，隨氮氣的量不斷上升，填充因子下降，膜 內(nèi)AIN含量上升，膜的介質(zhì)性提高，方塊電阻增加，當(dāng)?shù)獨膺_到某一值時，沉積 膜就是純的AIN。同時電流不變的條件下，電壓下降，沉積速率降低。根據(jù)膜的導(dǎo)電性的高低可定性的將反應(yīng)濺射過程分為兩種模式-金屬模式和化合 物模式，介乎兩者之間是過渡區(qū)。一般認(rèn)為膜的方塊電阻在 1000之下是金屬模 式，大于幾M為化合物模式。由于反應(yīng)氣體量的增加，靶面上會形成一層化合物，薄膜成分變化的同時沉積速 率下降當(dāng)氣體量按原來增加量減少時，放電曲線及沉積速率都出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。 直流反應(yīng)濺射出現(xiàn)的問題：1靶的污染：靶表面形成了非導(dǎo)電的化合物或者導(dǎo)電很差的化合物

34、之后，除了 放電電壓及沉積速率變化之外，還會因為靶面狀況的動態(tài)變化引起膜成分及結(jié)構(gòu) 的變化；2陽極消失：當(dāng)陽極上化合物沉積到一定厚度時就中斷了電荷傳導(dǎo)的通路，造 成電荷不斷積累，最終陽極失去作用，輝光放電不穩(wěn)定，沉積的膜層性能不一 致。因此經(jīng)常清理陽極是必要的；3）極間打火：隨陰陽極覆蓋化合物，導(dǎo)電性能變差或喪失使電子積累。若要維 持輝光放電，必須提高外加電壓，結(jié)果造成陰極表面化合物的擊穿，形成弧光放 電。嚴(yán)重的影響濺射過程的穩(wěn)定性，并造成膜的缺陷。最有效的解決方法是改變放電模式，采用交流及脈沖濺射。2、中頻濺射及脈沖濺射：在靶上加一個交變電壓，當(dāng)工作在負(fù)電壓階段時，靶被 濺射；工作在正電壓階

35、段時，中和靶面積累的正電荷，這就是交流濺射技術(shù)。電 壓波形是非對稱的矩形波的濺射方法稱為脈沖濺射；電壓波形是對稱的方波或正 弦波稱交流濺射。在一個給定電場強度下，頻率越高，濺射產(chǎn)額越低。實驗發(fā)現(xiàn) 在頻率為60kHz、80kHz、500kHz和13.5MHz時的濺射產(chǎn)額分別為直流濺射時的 100%、85%、70%和55%，通常取10-80kHz。因此也稱交流濺射為中頻濺射。 中頻濺射常用于孿生靶，也叫對靶是近乎完全相同的兩個靶相對而立，各自與電 源的兩個極相連，并與真空室處于懸浮狀態(tài)。在濺射過程中，兩個靶周期性的交 替作為陰極和陽極處于低電位的靶吸引正離子產(chǎn)生濺射，處于高電位的另一個靶 吸引電子

36、中和靶面積累的正離子，抑制了濺射時的打火現(xiàn)象，同時消除了陽極消失”現(xiàn)象。中頻孿生靶濺射技術(shù)有以下特點：1）有高的沉積速率。中頻濺射時靶功率密度是直流時的三倍情況下可以得到十 倍的沉積速率；2膜內(nèi)缺陷低。由于消除了打火現(xiàn)象膜內(nèi)缺陷比直流濺射時低幾個數(shù)量級；3）膜內(nèi)應(yīng)力低，與基體結(jié)合力強。由于中頻濺射時到達基體的原子能量高于直 流濺射，因此沉積時基體溫升高，形成的膜較致密；4）連接簡單。中頻濺射時電源與靶的連接比射頻（13.56MHz）濺射容易，后者需 要復(fù)雜的阻抗匹配。脈沖磁控濺射是采用脈沖電源或者直流電源與脈沖生成裝置配合，輸出脈沖電流 驅(qū)動磁控濺射沉積。一般使用矩形波電壓，既容易獲得又有利于

37、研究濺射放電等 離子體的變化過程。工作模式與中頻濺射。選擇性吸收膜系的制備在實際鍍膜之前首先確定鍍膜機的工作參數(shù)：本底壓強、濺射壓強、放電電流 等，這些參數(shù)于鍍膜的穩(wěn)定性及膜的質(zhì)量密不可分。過高的本底壓強改變了膜的 成分還可能降低膜的穩(wěn)定性；濺射壓強高可以得到的電流大，太高會使濺射離子及沉積粒子發(fā)生散射，降低自身能量，造成沉積膜與基體之間的附著力減弱，過 高甚至沒有膜沉積。222編制吸收膜系最簡單的方法是以放電曲線為基礎(chǔ)，漸變選取氮氣量或電壓值， 并在選取點沉積不同厚度。22222低吸收層和減反層相對變厚，在可見至近紅外區(qū)域必定會有一個相長干涉峰。 放電電壓最低時膜內(nèi)加厚100%的AIN，就是

38、減反射層，再加氮氣已經(jīng)沒有意 義。（只會造成濺射壓強升高，濺射粒子被散射）222影響紅外反射高低的主要因素是膜系中高吸收層，加厚時在降低高反射峰的同時也會使2500nm的反射下降，即發(fā)射率升高。2222氮氣量的相對降低以及沉積時間的延長會使長波長處的 反射下降，膜系發(fā)射率會上升。2222中等吸收層對2500nm處的反射比的影響比較敏感，吸收層厚，反射比下降。2222中低吸收膜越厚，干涉效應(yīng)越明顯，相長相消的峰位由他們的厚度決定。2222膜系填充因子確定后（氮氣量和放電電流確定后），膜系的光譜反射僅與每個 單層膜的厚度有關(guān)。22由于選擇性吸收膜系不是發(fā)光表面，當(dāng)表面對太陽光的可見光范圍的某些波長有 選擇的反射時，膜系就會呈現(xiàn)不同的顏色。人眼看到的波長稱為可見光