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磁控溅射镀膜技术设备及实例分析学院：材料学院姓名：罗潇雨学号：11228102011．材料的表面工程简介表面工程按对材料表面改性层的厚度分为：表面涂层技术、表面薄膜技术。表面薄膜技术中应用最广泛的是气相沉积技术。气相沉积包括:物理气相沉积PVD(PhysicalVaporDeposition)、化学气相沉积CVD(ChemicalVaporDeposition)、物理化学气相沉积PCVD(PhysicalChemicalVaporDeposition)]1[。其中,物理气相沉积以沉积温度低、镀膜质量好、沉积率高、环境污染小、可镀材料种类繁多等优点成为当今最具发展潜力的薄膜沉积技术表面工程按对材料表面改性层的厚度分为:表面涂层技术、表面薄膜技术。表面薄膜技术中应用最广泛的是气相沉积技术]2[。气相沉积包括:物理气相沉积PVD(PhysicalVaporDeposition)、化学气相沉积CVD(ChemicalVaporDeposition)、物理化学气相沉积PCVD(PhysicalChemicalVaporDeposition)。其中,物理气相沉积以沉积温度低、镀膜质量好、沉积率高、环境污染小、可镀材料种类繁多等优点成为当今最具发展潜力的薄膜沉积技术。2．真空镀膜技术的简介随着科学技术的迅速发展,真空技术、真空设备应用在许多领域,特别是在工业、医疗、航天航空、新能源、生物科技等方面。真空镀膜行业的高速发展使真空镀膜机对真空获得设备有了更高的要求,促进了真空获得设备的发展]3[。物理气相沉积技术是指在真空条件下,采用物理的方式将所需要镀制的材料气化或电离,形成分子、原子、离子,这些离子通过不同的方式达到衬底的表面,并在衬底表面上堆积,形成一层具有特殊性能的薄膜材料的薄膜制备技术。真空系统是真空镀膜设备中不可或缺的重要组成部分。物理气相沉积技术的首要条件就是该技术的整个工艺过程都是在高真空中进行的,这包括物质的离化、溅射、沉积等过程。因此,为制得综合性能良好的薄膜材料,真空系统发挥着重要作用]4[。气体的基本性质、真空的获得以及测量等方面的基础知识是了解真空镀膜技术的基础。真空镀膜机包括几个重要组成部分,分别是真空获得系统、冷却系统、加热系统、镀膜室、电源控制系统等。真空设备中的核心是真空机组,真空机组是为真空设备正常工作提供所需真空度,它的部件包括真空管道、真空阀门以及真空泵。良好的真空系统是制备高质量膜层的关键。因此,设计一套满足真空镀膜机要求的真空系统是一项重要任务。3．磁控溅射离子镀技术磁控溅射离子镀技术是70年代发展起来的一项薄膜沉积技术,是物理气相沉积技术中最具发展潜力的薄膜制备技术之一]5[。它具有工作压力低、薄膜纯度高、沉积速度快、基材温升低,薄膜-基体结合力好,重复性好的,能大面积沉积均匀性较好的薄膜等优点。磁控溅射离子镀技术设计性强、所镀膜层质量好,可制备多纳米多层膜,比如TiAlN多层膜。TiAlN薄膜就是在TiN薄膜沉积时加入了Al元素,在沉积过程中TiN中的部分Ti原子被Al原子替代,从而得到具有AlN和TiN优点的TiAlN薄膜。TiAlN涂层是一种较为新型的涂层材料]6[。该涂层具有膜基结合力好、摩擦系数小、导热率低、膜层硬度高、高温抗氧化性好等优良特性,特别适用于不锈钢、高速切削高合金钢、钛合金、镍合金等材料。随着制造技术的高速发展,模具、发动机等行业对切削工具的性能提出了更高的要求,而高速、高温、耐腐蚀环境作业也给TiAlN和TiAlN基薄膜提供了广阔的应用空间。4.磁控溅射离子镀设备图1如图1所示个元器件分别为1-阴极空心短管，2-空心阴极，3-辅助阴极，4-测厚装置，5-热电偶，6-流量计，7-收集极，8-样品，9-抑制栅极，10-抑制电压(2sv)，11-样品偏压，12-反应气体入口，13-水冷铜增涡，14-真空机组，15-偏转聚焦极，16-主电源。5.Ag/Fe/Ag纳米薄膜层随着磁记录存储密度的不断提高,由纳米尺度的铁磁金属颗粒如Fe、CO、Ni及其合金等构成的磁性颗粒膜引起了人们极大的注意,成为当前研究的热点。非磁性的母基包覆在磁性颗粒边界,减小了介质噪音,使颗粒膜的微结构和磁特性有了明显地改善[78]。为此我们在室温下利用对靶磁控溅射法,使Ag靶和Fe靶分层轮流溅射。我们固定Fe磁性层厚度为15nm,改变Ag覆盖层和衬底层的厚度]7[。考虑到膜厚小于10nm时,一般呈岛状生长模式,所以我们选择Ag层厚度分别为1、2、3、4、snm,以便研究岛状生长的衬底层和覆盖层对中间Fe层的影响。5.1样品的制备和测试制备了A留Fe/Ag纳米薄膜。先后将Ag衬底层、Fe磁性层和Ag覆盖层沉积在玻璃基片上,基片的尺寸为25~x25~xlInnl。玻璃基片在镀膜前需用蒸馏水、酒精等进行超声波清洗,然后烘干待用。本实验中衬底层和覆盖层的Ag层厚度在1一snm范围内变化,磁性层Fe层的厚度保持在巧nm不变。目的是为了研究Ag层的厚度变化对A岁Fe/Ag薄膜微结构和磁性能的影响。5.2结果和讨论我们利用对靶磁控溅射设备成功制备了类三明治结构的Ag(xnm)/Fe(巧lnm)/Ag(xnm)薄膜,这里x=1,2,3,4,5。分别用vsM和XRD测试了样品的磁特性和微结构。vSM测得的Ag(xnIn)/Fe(巧nm)/Ag(xnm)薄膜样品矫顽力随Ag层厚度变化,其中a为平行膜面方向的矫顽力,b为垂直膜面方向的矫顽力。随Ag层厚度的增加平行与垂直膜面方向的矫顽力变化趋势均是先增加再减小,并且垂直膜面方向的矫顽力远远大于平行膜面方向的矫顽力。Ag层厚度为3纳米时,矫顽力最大,Ag层厚度再继续增加,矫顽力又有减小的趋势。这表明Ag层厚度对样品的矫顽力影响较大。之所以会出现这种结果,我们推测应该归因于微结构的变化。5.4小结我们通过分析得出,Ag层厚度对样品的矫顽力影响较大,随Ag层厚度的增加,矫顽力先增加再减小。当Ag层厚度为3nm时,垂直膜面方向的矫顽力最大,此时平均粗糙度较小为0.2nm。分析认为矫顽力变化不是由磁晶各向异性导致,可能是由于形状各向异性导致的。6.参考文献[1]李云奇.真空镀膜[M].北京：化学工业出版社，2012.[2]张以忱.真空镀膜设备[M].北京：冶金工业出版社，2009.[3]李芮.磁控溅射技术[J].印染，2008，34(5)：6-7.[4]王增福.实用镀膜技术[M].北京：电子工业出版社，2008.[5]余东海，王成勇，成晓玲等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，2009，46(2)：19-25.[6]Y.J.Xiang，QWang，Z.J.Fanet.AoptimalCrashWorthinessDesignofaSpot-weldedThin-walledhatSectionFiniteElementsAnalysisandDesign[J].2006，42(10)：850-552.[7]李金桂.表面保护层设计与加工指南[M].北京：化学工业出版社，2012.