磁控濺射技術進展及應用

摘要：近年來磁控濺射技術的應用日趨廣泛，在工業(yè)生產和科學研究領域發(fā)揮巨大作用。隨著對具有各種新型功能的薄膜需求的增加，相應的磁控濺射技術也獲得進一步的發(fā)展。本文將介紹磁控濺射技術的發(fā)展，以及閉合磁場非平衡濺射、高速率濺射及自濺射、中頻及脈沖濺射等各種新技術及特點，闡述磁控濺射技術在電子、光學、表面功能薄膜、薄膜發(fā)光材料等許多方面的應用。關鍵詞：磁控管濺射率非平衡磁控濺射閉合場非平衡磁控濺射自濺射引言磁控濺射技術作為一種十分有效的薄膜沉積方法，被普遍和成功地應用于許多方面1?8,特別是在微電子、光學薄膜和材料表面處理領域中，用于薄膜沉積和表面覆蓋層制備。1852年Grove首次描述濺射這種物理現(xiàn)象,20世紀40年代濺射技術作為一種沉積鍍膜方法開始得到應用和發(fā)展。60年代后隨著半導體工業(yè)的迅速崛起，這種技術在集成電路生產工藝中，用于沉積集成電路中晶體管的金屬電極層，才真正得以普及和廣泛的應用。磁控濺射技術出現(xiàn)和發(fā)展，以及80年代用于制作CD的反射層之后，磁控濺射技術應用的領域得到極大地擴展，逐步成為制造許多產品的一種常用手段，并在最近十幾年,發(fā)展出一系列新的濺射技術。一、磁控濺射鍍膜原理及其特點1.1、磁控濺射沉積鍍膜機理磁控濺射系統(tǒng)是在基本的二極濺射系統(tǒng)發(fā)展而來，解決二極濺射鍍膜速度比蒸鍍慢很多、等離子體的離化率低和基片的熱效應明顯的問題。磁控濺射系統(tǒng)在陰極靶材的背后放置100?1000Gauss強力磁鐵，真空室充入011?10Pa壓力的惰性氣體(Ar),作為氣體放電的載體。在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子,產生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過程中，受到垂直于電場的磁場影響,使電子產生偏轉,被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內，電子以擺線的方式沿著靶表面前進，在運動過程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar+離子，與沒有磁控管的結構的濺射相比，離化率迅速增加10?100倍，因此該區(qū)域內等離子體密度很高。經過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，最終落在基片、真空室內壁及靶源陽極上。而Ar+離子在高壓電場加速作用下,與靶材的撞擊并釋放出能量，導致靶材表面的原子吸收Ar+離子的動能而脫離原晶格束縛，呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片,并在基片上沉積形成薄膜。濺射系統(tǒng)沉積鍍膜粒子能量通常為1?10eV,濺射鍍膜理論密度可達98%。比較蒸鍍011?1eV的粒子能量和95%的鍍膜理論密度而言，濺鍍薄膜的性質、牢固度都比熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)薄膜好。磁控管中陰極和磁體的結構直接影響濺射鍍膜的性能，因此根據(jù)磁控濺射應用要求，發(fā)展出各種不同結構和可變磁場的陰極磁控管，以改善和提高薄膜的質量和靶材的利用率。1.2、磁控濺射的特點磁控濺射技術得以廣泛的應用，是由該技術有別于其它鍍膜方法的特點所決定的。其特點可歸納為:可制備成靶材的各種材料均可作為薄膜材料，包括各種金屬、半導體、鐵磁材料以及絕緣的氧化物、陶瓷、聚合物等物質,尤其適合高熔點和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜;在適當條件下多元靶材共濺射方式，可沉積所需組分的混合物、化合物薄膜;在濺射的放電氣氛中加入氧、氮或其它活性氣體，可沉積形成靶材物質與氣體分子的化合物薄膜;控制真空室中的氣壓、濺射功率，基本上可獲得穩(wěn)定的沉積速率,通過精確地控制濺射鍍膜時間，容易獲得均勻的高精度的膜厚,且重復性好;濺射粒子幾乎不受重力影響，靶材與基片位置可自由安排;基片與膜的附著強度是一般蒸鍍膜的10倍以上，且由于濺射粒子帶有高能量，在成膜面會繼續(xù)表面擴散而得到硬且致密的薄膜，同時高能量使基片只要較低的溫度即可得到結晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生產厚度10nm以下的極薄連續(xù)膜。磁控濺射的靶材利用率一直是個問題，由于靶源磁場磁力線分布呈圓周形狀,在靶表面的一個環(huán)形區(qū)域內，靶材被消蝕成一個深的溝，這種靶材的非均勻消耗，造成靶材的利用率較低。實際應用中，圓形的平面陰極靶，靶材的利用率通常小于50%。通過磁場的優(yōu)化設計可提高靶材的利用率,特定的條件下，一些廠商磁控管的靶材利用率可以超過70%。另外,旋轉靶材的利用率較高，一般可達到70%?80%以上。二、磁控濺射技術進展2.1、傳統(tǒng)磁控濺射或平衡磁控濺射、非平衡磁控濺射在平衡磁控濺射(BalancedMagnetronSputtering)中，陰極磁控管有一個緊密的限制磁場，所以磁力線在靶的表面保持閉合，等離子體被強烈地限制在靶表面附近,被限制的高密度等離子體存在從靶表面向外延伸大約60mm的區(qū)域之中。在沉積薄膜的過程中，基片放置于高密度等離子體離子轟擊區(qū)域之外，電子和離子撞擊基片的機會很少,粒子流的密度(ICD)<1mA/cm2,這種平衡磁控濺射基片維持較冷的狀態(tài)，同時由于沒有足夠的離子轟擊以改變沉積薄膜的微結構，因此，難以沉積出大面積結構致密、附著堅固的高質量薄膜。對于放置于等離子體離子轟擊區(qū)域中的基片，由于離子對基片的轟擊,將強烈地改變最終薄膜的結構和性質，由此發(fā)展出非平衡磁控濺射技術(Un2balancedMagnetronSputtering)。平衡和非平衡磁控濺射的差異在于對等離子體的限制程度不同，非平衡磁控管的特點是有一個較弱的限制磁場，在真空室中磁力線從靶表面延伸出來,在靶的表面區(qū)域磁場對電子和粒子的限制相對較弱，因而粒子中的電子很容易地達到基片上，粒子流的密度(ICD)增加到2?10mA/cm2,等離子體的區(qū)域也擴展到基片的表面。造成基片附近有較高的電子密度，撞擊加熱基片到較高的溫度,并且提供電離的機制，上述兩點對于特殊薄膜的形成有重要的作用。非平衡磁控濺射技術的運用，使平衡磁控濺射遇到的沉積致密、成分復雜的薄膜的問題得以解決,并且由此發(fā)展出各種多靶磁控濺射系統(tǒng)。多靶非平衡磁控濺射根據(jù)非平衡磁控管放置的方式，可以分成相鄰磁控管磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射兩種，顯示在不同靶與基片的間距下單靶、閉合磁場和鏡像磁場磁控濺射的濺射率，由于鏡像磁場方式不能有效的束縛電子，因而等離子體的濺射率與單個陰極靶相當,并未得到提高。而閉合磁場結構放置，有效的束縛電子,大幅度提高濺射率。閉合場磁場磁控管放電的等離子體是被限制在兩個靶之間，而鏡像磁場磁控管放電的等離子體是分離的,并且是相斥的，這使鏡像磁場磁控濺射可以沉積大面積較薄的膜層。實驗也表明在過渡模式下反應濺射透明氧化物TiO2,鏡像磁場磁控濺射的濺射速率為2615nm/min,比閉合磁場磁控濺射的速率3115nm/min低。由于閉合場非平衡磁控濺射系統(tǒng)可以產生非常理想的離子沉積環(huán)境，因此可以生產出高密度、高強度、與基片結合性能極其優(yōu)秀的薄膜，這項技術的沉積鍍膜系統(tǒng)具有兩個或兩個以上的非平衡場磁控管，依靠這些磁控管組合所產生的閉合場來有效的增加鍍膜過程中的等離子體密度，提高濺射的速率,改進薄膜質量。系統(tǒng)包括以下基本形式:兩個相鄰磁極相反的磁控管并排排列方式、兩個相鄰磁極相反的磁控管面對面排列方式、四個相鄰磁極極性相反的磁控管對稱排列方式等幾種形式。閉合場非平衡磁控濺射技術目前被應用在切削刀具上鍍超硬膜、自潤滑膜;建筑、汽車鍍膜玻璃和電子工業(yè)中的透明導電玻璃的生產中。2.2、反應濺射(ReactiveMagnetronSputtering),共濺射(Co2sputtering)沉積多元成分的合金及化合物薄膜，可以使用合金及化合物材料制作的靶材，直接進行濺射沉積。另外常采用反應濺射和共濺射技術,沉積含有多元成分的化合物、混合物及合金材料薄膜。相對于采用化合物靶材的濺射方法，反應濺射和共濺射技術可通過控制濺射參數(shù)，能夠調節(jié)薄膜材料的組分，沉積出不同組分包括化學配比或非化學配比的材料薄膜。反應濺射是在濺射的惰性氣體氣氛中，通入一定比例的反應氣體，通常用作反應氣體的主要是氧氣和氮氣。在存在反應氣體的情況下，濺射靶材時，靶材料會與反應氣體反應形成化合物，最后沉積在基片上。在惰性氣體濺射化合物靶材時，由于化學不穩(wěn)定性往往導致薄膜較靶材少一個或更多組分，此時如果加上反應氣體可以補償所缺少的組分，這種濺射也可視為反應濺射。介質薄膜的直流反應磁控濺射過程往往呈現(xiàn)高度不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的原因是隨反應氣體流量增加,脫離了金屬濺射模式，靶材和反應氣體作用會在靶表面非侵蝕區(qū)覆蓋絕緣介質層，濺射沉積速率會突然下降，并在介質薄膜上積累大量的電荷，因過量的電荷積累而放電，造成靶表面的毒害，稱之為陰極中毒;在陰極磁控管附近的屏蔽陽極上也可能覆蓋介質薄膜，導致陽極消失現(xiàn)象。陰極靶電壓與反應氣體的流量遲滯回線壓與反應氣體的流量遲滯回線，通常高速率反應沉積過程工作在過渡模式(transitionmode),為能夠工作在這個區(qū)域，需有一個快速反應氣體控制系統(tǒng)。此外采用脈沖電源或中頻交流電源，以克服介質薄膜濺射過程中的電荷積累和放電。近來研究工作開始關注材料在含氫的氣氛下磁控濺射沉積過程，研究濺射過程中氫對H+Ar的輝光等離子體的影響和摻H的薄膜的物理性質。分析不同濃度的H2,對濺射過程以及沉積薄膜的一些性質產生影響的原因。Liang2YihChen等用射頻磁控濺射(RFMS)方法，沉積H摻雜的氧化鋅(ZnO:H)透明導電薄膜，射頻磁控濺射中在氬氣中加入一定量氫氣,摻氫的氧化鋅(ZnO:H)薄膜的電阻率明顯減少。其摻氫的氧化鋅薄膜電阻率最小可達2X1024Q/cm,Zn0:H薄膜的電學性質與在Ar氣氛中H2濃度之間的關系，實驗的結果表明ZnO:H是n型載流子，載流子的濃度隨濺射過程中H2濃度的增加而增加。X射線衍射結果表明d0002晶面間的間距隨H2的濃度的增加而增加;在H2的濃度小于約40%時,載流子的遷移率隨濺射過程中H2濃度的增加而增加，最大的載流子的遷移率為40cm2/Vs,隨后載流子的遷移率隨濺射過程中H2濃度的增加而減少;在沉積過程中H2的濃度在40%左右，電阻率達到最小為2X1024Q/cm，此時載流子的遷移率和濃度分別為39cm2/Vs和3X1020cm23。通過測量ZnO:H薄膜的透射光譜來測量從UV到可見光范圍的透過率,ZnO:H薄膜在可見光范圍的透過率超過80%,當沉積中H2的濃度進一步增加，透射率隨之增加到100%,透射率譜線短波方向的截止波長也趨于更短。另外研究H2在H+Ar混合等離子體中對濺射過程所起的作用,N1Laidani等人的工作是在Ar氣氛中通入H2,用射頻濺射沉積C薄膜。研究不同H2濃度下,H對濺射過程的影響和H+Ar等離子體物理性質，實驗用Langmuir探針探測等離子體中的物理參數(shù)，分析氫對放電過程的影響，對陰極的過程分析顯示，在低濃度H2范圍(3%?20%)濺射機制基本上是物理過程，更高H2濃度范圍則須考慮化學輔助作用。即使在物理過程下，靶材料的侵蝕呈現(xiàn)反應濺射機制。濺射速率實驗發(fā)現(xiàn)，對比純Ar的等離子體，加入一定濃度比例H2可提高濺射速率，為不同組分的氣體濺射過程的沉積速率，隨H2的變化，參數(shù)數(shù)值明顯可以分成三個區(qū)域，在H2濃度較低的范圍3%?16%有較高的沉積速率,約為純Ar濺射沉積速率的2倍，在H2濃度為0%和30%?75%區(qū)間，有一般的沉積速率，最后在H2濃度為85%時只有較低的速率。共濺射可使用兩個以上的由不同材料制備的陰極靶，同時進行濺射，通過調節(jié)不同陰極靶上濺射放電電流，來改變薄膜的組分。另外還可以在一個主要的靶材的表面，固定、粘貼或鑲嵌其它材料薄片，作為輔助靶構成復合靶，實現(xiàn)共濺射。對于復合靶可通過改變輔助靶與主要靶的相對面積，來改變沉積薄膜的組分，輔助靶的面積可以很小，因此這種方法適合于實驗研究和沉積材料組分相差懸殊的薄膜。2.3、直流濺射(DCMagnetronSputtering)、射頻濺射(RFMagnetronSputtering)、脈沖濺射(PulsedMagnetronSputtering)和中頻濺射(MediumFre2quencyMagnetronSputtering)直流濺射和射頻濺射(f=13156MHz)是很早就開始應用的濺射技術，在二極濺射系統(tǒng)中已經被采用，直流濺射方法用于被濺射材料為導電材料的濺射和反應濺射鍍膜中，其工藝設備簡單，有較高的濺射速率。而對陶瓷等介質材料靶,則只能采用射頻磁控濺射方法沉積薄膜，射頻磁控濺射方法能對任何材料包括各種導體、半導體和絕緣介質進行濺射鍍膜。直流反應濺射則可以使用導體及高摻雜半導體材料作為靶材，沉積介質薄膜，有較高的濺射速率。但是反應濺射沉積介質薄膜過程中，通常會出現(xiàn)陽極消失、陰極中毒、放電打弧問題，破壞了等離子體的穩(wěn)定性，使沉積速率發(fā)生變化，導致濺射過程難以控制，限制直流反應磁控濺射技術在介質膜的應用。近幾年來發(fā)展起來的脈沖濺射和中頻濺射技術可以在反應濺射絕緣介質薄膜的過程中,釋放靶表面積累的電荷、防止放電打弧的現(xiàn)象，并具有濺射速率快、沉積速率高等優(yōu)點。脈沖磁控濺射(10?350kHz)已經成為公認的作為絕緣材料沉積的優(yōu)選的工藝過程，該技術使用的脈沖電源輸出電壓波形是非對稱的雙極性脈沖,脈沖電源的正向脈沖對于釋放靶表面的積聚的電荷、防止打弧是有效的，脈沖工作方式在沉積中提供穩(wěn)定無弧的工作狀態(tài)。最近的研究表明脈沖的磁控管放電也能夠導致比連續(xù)的直流放電更熱、更高能等離子體。脈沖磁控濺射擴大沉積材料的范圍，時間u(s)頻脈沖濺射電源的輸出波形在薄膜性能上有重大的提高，脈沖的頻率和占空比根據(jù)介質化合物的性質可以改變。中頻交流磁控濺射在單個陰極靶系統(tǒng)中，與脈沖磁控濺射有同樣的釋放電荷、防止打弧作用。中頻交流濺射技術還應用于孿生靶(Twin2Mag)濺射系統(tǒng)中，中頻交流孿生靶濺射是將中頻交流電源的兩個輸出端，分別接到閉合磁場非平衡濺射雙靶的各自陰極上，因而在雙靶上分別獲得相位相反的交流電壓，一對磁控濺射靶則交替成為陰極和陽極。孿生靶濺射技術大大提高磁控濺射運行的穩(wěn)定性,可避免被毒化的靶面產生電荷積累，引起靶面電弧打火以及陽極消失的問題，濺射速率高，為化合物薄膜的工業(yè)化大規(guī)模生產奠定基礎。此外也有采用中頻脈沖電源作為孿生靶濺射電源。孿生靶濺射系統(tǒng)成為目前化合物薄膜濺射鍍膜生產的理想技術。最近在中頻電源上又提出短脈沖組合的中頻雙向供電模式，進一步提高運彳丁穩(wěn)定性。P1J1Kelly等用脈沖磁控濺射方法研究反應濺射氧化鋁薄膜性質，一個20KHz的脈沖電源連接到一臺標準的直流磁控管驅動電源上，脈沖波形為非對稱雙極性脈沖,用直流反應濺射作為對比。與預期的情況一樣,直流反應濺射A12O3薄膜非常困難，整個沉積過程一直發(fā)生電弧放電，并且過程非常不穩(wěn)定。而脈沖濺射方法過程十分穩(wěn)定，在靶表面上幾乎沒有看到電弧放電的情形。掃描電子顯微鏡(SEM)測量照片表明直流濺射薄膜是顆粒狀、多孔的結構;脈沖濺射的薄膜則十分致密、結構完整、沒有可見的缺陷，研究表明用脈沖閉合場非平衡磁控濺射系統(tǒng)能夠沉積致密的A12O3薄膜。電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)測量顯示直流濺射薄膜的A12O3的成分不完全符合其化學配比，而脈沖濺射A12O3薄膜則完全符合°P1J1Ke11y等人進一步研究用直流磁控濺射和脈沖磁控濺射方法分別在Si片上沉積的Ti基介質薄膜，比較兩種沉積方法濺鍍的TiN和TiO2薄膜的光學和機械性質。濺射靶材采用Ti金屬靶，分別用直流和脈沖方式進行反應濺射鍍膜，脈沖濺射頻率是20KHz。脈沖濺射沉積的TiO2薄膜的折射率優(yōu)于直流濺射，高分辨率SEM反映出兩種濺射方法沉積TiN薄膜結構的差異，脈沖濺射的薄膜比DC濺射的更加致密，表面更光滑，與上述Al2O3的實驗結果相同;劃痕試驗和pin2on2disk耐磨實驗證實，附著力和耐磨性同樣是脈沖濺射優(yōu)于DC濺射;而且止推墊圈試驗(thrustwashertesting)結果表明，脈沖濺射TiN薄膜的摩擦系數(shù)為0109,明顯比直流濺射TiN薄膜的0134小，同時也低于其它公布的相似測量條件下測量的數(shù)值。上述這些結果表明，脈沖濺射技術的優(yōu)越性不僅僅在于反應濺射沉積介質材料，而且能夠改進一些不同類型材料沉積薄膜的性質。2.4、高速率濺射(HighRateMagnetronSputtering)和自濺射(SustainedSelfSputtering)實現(xiàn)高速率濺射和自濺射是近幾年來濺射技術關注和研究的一個方向，高速率濺射和自濺射可以縮短濺射鍍膜的時間，提高工業(yè)生產的效率;有可能替代目前對環(huán)境有污染的電鍍工藝;被濺射材料的離子化而導致從離子生成薄膜;被濺射材料粒子的電離以及減少甚至取消惰性氣體，將明顯地影響薄膜形成的機制，加強沉積薄膜過程中合金和化合物形成中的化學反應。由此可能制備出新的薄膜材料,發(fā)展新的濺射技術。與通常的磁控濺射比較，高速率濺射和自濺射的特點在于高的靶功率密度，靶功率密度超過50W/cm2。還必須很好地把等離子體限制在濺射靶表面附近，并且獲得最大氣體的離化率和濺射靶冷卻條件。因此高速率磁控濺射必須使用能夠滿足上述條件的特殊磁控管。磁控濺射在真空室壓力大約011Pa以上能夠容易實現(xiàn),當工作室壓力低于011Pa,濺射氣體已經不足以維持高的放電電流，只有以濺射工作氣體與被濺射材料蒸汽組成的混合氣體來維持放電的情況下，才能夠在低壓下形成高的放電電流，要實現(xiàn)上述情況需要靶材料的自濺射率大于1,是不同能量離子轟擊下的一些材料的自濺射率，此外被濺射材料要有高的離化率。當濺射率非常高，以至于在完全沒有惰性氣體的情況下也能維持放電,就是僅用離化的被濺射材料的蒸汽來維持放電，這種磁控濺射運作方式就叫自濺射,Cu、Ag和Ti是磁控管電流與維持放電工作氣壓間的函數(shù)關系，反映出不同濺射模式下所需的工作條件。實驗上已經證明Cu,Ag,黃銅(Brass)和Al青銅(Albronze)能夠實現(xiàn)自濺射。高速率磁控濺射的一個固有的性質是產生大量的濺射粒子而獲得高的薄膜沉積速率。高的沉積速率意味著高的粒子流飛向基片，導致沉積過程中大量粒子的能量被轉移到生長薄膜上，引起沉積溫度明顯增加。對于在需要低溫下沉積的應用，則是一個致命的缺點。由于濺射離子的能量大約70%需要從陰極冷卻水中帶走，薄膜的最大濺射速率將受到濺射靶冷卻的限制。最近的一些實驗表明在高速率磁控濺射的最大靶功率密度下，靶的濺射和局部蒸發(fā)同時發(fā)生，這些過程的共同作用確保了能夠獲得最大的沉積速率，但是這種作用也從而導致沉積薄膜堅實結構的變化?，F(xiàn)在對于基片放置在距靶50?100mm范圍之間，能夠得到大約幾個um/min的高速率沉積，但是高速率磁控濺射中典型的靶材利用率只有20%?30%,因而提高靶材利用率也是有待于解決的一個問題。Jin2HyoBoo等人在硅(100)上高速率濺射沉積銅薄膜，為此而特殊設計的非平衡磁控管，產生的均勻磁場強度為0103T,其設計靶功率密度為120W/cm2。在113X1021Pa的Ar壓力下，使用20kW脈沖直流電源，直流脈沖磁控濺射方法，分別在不同的靶功率密度以及有無準直柵網的不同條件下，實驗沉積銅薄膜。實驗最大的靶功率密度115W/cm2,最高的沉積速率為218um/min,沉積速率大約是通常濺射方法的5倍,Cu薄膜X射線光電子譜(XPS)測量表明是沒有雜質的高質量的金屬Cu薄膜，有良好的導電性。此外，聚合物的RF濺射鍍膜研究表明，在一定的條件下，一些聚合物靶如聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)可呈現(xiàn)自濺射效應，實現(xiàn)自濺射鍍膜。3、磁控濺射的應用磁控濺射目前是一種應用十分廣泛的薄膜沉積技術，濺射技術上的不斷發(fā)展和對新功能薄膜的探索研究，使磁控濺射應用延伸到許多生產和科研領域。在微電子領域作為一種非熱式鍍膜技術，主要應用在化學氣相沉積(CVD)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長困難及不適用的材料薄膜沉積，而且可以獲得大面積非常均勻的薄膜。包括歐姆接觸的Al、Cu、Au、W、Ti等金屬電極薄膜及可用于柵絕緣層或擴散勢壘層的TiN、Ta2O5、TiO、Al2O3、ZrO2、AlN等介質薄膜沉積。光學薄膜應用反應磁控濺射技術已有多年，中頻閉合場非平衡磁控濺射技術也已在光學薄膜（如增透膜）、低輻射玻璃和透明導電玻璃等方面得到應用。特別是透明導電玻璃目前廣泛應用于平板顯示器件、太陽能電池、微波與射頻屏蔽裝置與器件、傳感器等。透明導電玻璃在玻璃基片或柔性襯底上，濺射制備SiO2薄膜和摻雜ZnO或InSn氧化物（ITO）薄膜°ITO薄膜最低電阻率接近1025Q?cm量級，可見光范圍內平均光透過率在90%以上。在光學存儲領域,光盤存儲自推出以來技術不斷更新，磁控濺射也從鍍制CD2ROM的Al及CD2R的Au或Ag的光反射層，到CD2RW中鍍制ZnS2SiO2/GeSbTe（或AgInSbTe）/ZnS2SiO2/Al多層結構光記錄媒介膜。目前隨著對光存儲的需求大幅度的增加，磁控濺射在光學存儲領域將發(fā)揮更大的作用。在現(xiàn)代機械加工工業(yè)中,表面功能膜、超硬膜，自潤滑薄膜的表面沉積技術自問世以來得到長足發(fā)展，能有效的提高表面硬度、復合韌性、耐磨損性和抗高溫化學穩(wěn)定性能，從而大幅度地提高涂層產品的使用壽命，應用越來越廣泛。濺鍍材料包括Ti、Cr、Pt、Cu等金屬；TiAl6V4、MCrAlY（M指Ni、Co、Fe等金屬）等合金；TiN、TiAlN、TiC、TiCN、CrN、TiAlOX、TiB2、SiC等超硬材料;Al2O3、ZrO2等介質材料薄膜，采用非平衡磁控濺射技術沉積單層、多層或納米結構薄膜。適合的表面裝飾鍍膜處理在各種塑料的表面產生優(yōu)良的金屬層，濺射薄膜在光滑的基底表面呈現(xiàn)出金屬光澤和良好的附著性,使用多種金屬元素可以得到種類繁多、不同金屬色澤的鍍層，鍍層的豐滿度、光亮度與傳統(tǒng)電鍍相近。磁控濺射除上述已被大量應用的領域，還在高溫超導薄膜、鐵電體薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜發(fā)光材料、太陽能電池、記憶合金薄膜研究方面發(fā)揮重要作用。薄膜發(fā)光材料的一個重要的研究方向，是在Si襯底上實現(xiàn)高效率電致發(fā)光和電泵激光，進而運用成熟的硅電路工藝技術，實現(xiàn)全硅的光電子集成。北京大學物理學院秦國剛小組運用磁控濺射技術，沉積納米材料發(fā)光薄膜,系統(tǒng)研究納米硅/氧化硅體系光致發(fā)光和電致發(fā)光。在實際研究中采用復合靶共濺射技術，淀積不同成分含量的薄膜以及多層和超晶格結構。在納米Si、Ge/SiO2薄膜發(fā)光研究方面，使用Si2SiO2復合靶RF磁控濺射淀積三種不同Si含量的富Si2SiO2薄膜,X射線光電子譜測量顯示SiO2薄膜中存在納米Si粒，用高分辨率透射電鏡和電子衍射研究高溫退火納米Si粒的析出和結晶。Si靶30%面積比及900°C退火的樣品可觀察到其中少量的納米Si粒。隨SiO2薄膜中富Si量的增加和退火溫度的增加,SiO2薄膜中的納米Si粒的密度和尺寸顯著增加。使用Si2SiO2復合靶硅片與總靶面積比為0%、7%、10%、20%和30%,用RF磁控濺射方法在p2Si襯底上淀積了五種不同富Si量的SiO2薄膜,樣品在300°C下退火。通過X射線光電子能譜、光吸收和光致發(fā)光測量確定出：隨著Si在濺射靶中面積比的增加，所制備的氧化硅薄膜中納米硅粒的量在增加，尺寸也在增大。不同富硅量的二氧化硅膜的光致發(fā)光譜峰都接近于119eV,其中Si靶面積比10%的樣品光致發(fā)光峰最強。峰位不隨納米硅粒的平均光學帶隙減小而明顯改變。近紫外至近紅外光吸收譜測量結果顯示,其光吸收邊隨著硅在濺射靶中面積比的增加而明顯紅移。SiO2:Ge薄膜的研究使用Ge2SiO2復合靶以射頻共濺射技術在p2Si襯底上淀積含Ge的SiO2薄膜，厚度約為112um,改變Ge片的相對面積來改變SiO2膜中Ge的含量，錯與總靶面積比0%、5%、10%。分別經過300C、600C、800C及900C退火。通過對樣品Raman散射光譜測量，確定出SiO2薄膜中納米Ge粒的平均尺寸，發(fā)現(xiàn)隨著Ge在濺射靶中面積比的增加或退火溫度的升高，所制備的含Ge的SiO2薄膜中納米Ge粒的尺寸均在增大。測量薄膜光致發(fā)光譜峰位于580nm,位置幾乎不隨錯在濺射靶中面積比或退火溫度而改變。上述SiO2薄膜中納米Si粒和納米Ge粒實驗結果和光致發(fā)光機制可以用量子限制/發(fā)光中心模型解釋。用磁控濺射淀積摻Er的SiO2、摻Er富Si的SiO2、摻Er的SiN和摻Er富Si的SiN薄膜，這些薄膜在各種溫度下進行退火，室溫下測量其光致發(fā)光(PL)譜，觀察到這四種薄膜都有1154um的熒光峰，其中兩種富Si薄膜的1154um峰強度明顯比兩種不富硅薄膜強，且強度還與薄膜的退火溫度有關，進而分析了兩種富Si薄膜中納米Si粒對增強發(fā)光效率的作用及機理，確定800C退火的摻Er富Si2SiO2薄膜的1154um峰強度是最強的，比不富Si的強約20倍。進一步系統(tǒng)研究Er3+1154um光致發(fā)光峰強度與富Si程度及退火溫度間的依賴關系。以p2Si為襯底使用SiO22Si2Er復合靶,Er片占靶面積的1%,而Si片在復合靶中的面積比為0%、10%、20%和30%,共濺射方式淀積不同Si含量的摻Er富Si的SiO2薄膜，在600C、700C、800C、900C和1000C的溫度中進行退火處理。X射線光電子譜儀研究證實富Si的SiO2中Si含量隨著Si片的面積增加而增加;室溫下測量光致發(fā)光譜,觀察到各譜中都含有11545和11385兩個熒光峰，其中1154um熒光峰來自Er3+發(fā)光，且摻Er富Si的SiO2薄膜的11545的峰強度比摻Er的SiO2薄膜的大得多；不同Si含量的摻Er富Si的SiO2薄膜會有不同的最佳退火溫度，也發(fā)現(xiàn)富Si程度為20%的摻Er富Si的SiO2薄膜800°C退火后，1154um的PL峰強度是所有薄膜中最強的。在樣品背面用光刻和蒸發(fā)技術制備帶有窗口的Al電極，前面對應窗口制備半透明Au電極，測量電致發(fā)光譜，研究半透明Au/SiO2:Si:Er/n+2Si結構發(fā)光二極管電致發(fā)光譜特性，以及不同富Si含量和退火溫度對電致發(fā)光譜的影響。半透明Au/SiO和半透明Au/SiO2:Er/n+2Si發(fā)光二極管的反向開通電壓分別約為4V和6V。測量結果顯示半透明Au/SiO2:Si:Er/n+2Si發(fā)光二極管的1154um的發(fā)光峰強度，比半透明Au/SiO2:Er/n+2Si發(fā)光管大，富Si程度為20%的Au/SiO2:Si:Er/n+2Si發(fā)光二極管，在8