使用液态靶材的反应式高功率脉冲磁控溅射技术制备Al?O?薄膜的放电特性及工艺流程

《Thin Solid Films》：Discharge characteristics and preparation for Al 2O 3 thin films using liquid-target reactive high power impulse magnetron sputtering

液态靶材反应式脉冲磁控溅射技术显著提升了氧化铝薄膜的沉积速率，离子电流密度较固态靶材提高近一倍，在功率密度5.5 W/cm2时实现700 nm/h的高效沉积，且薄膜表面光滑度与化学配比均显著优化。

　　

孙天伟|王晓峰|王兰萍

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001，中华人民共和国

摘要

为了提高反应磁控溅射过程中Al₂O₃薄膜的沉积速率，本研究提出了液态靶反应高功率脉冲磁控溅射（R-HiPIMS）技术。离子电流曲线和光发射光谱表明，液态靶可以显著增加R-HiPIMS过程中的铝离子密度。在相同的溅射电压下，该过程中的峰值离子电流大约是固态靶R-HiPIMS的两倍。Al₂O₃薄膜被沉积在Si (100)和SiO₂基底上，不同的功率密度下，氧化铝薄膜的沉积速率可以达到700 nm/h，其中功率密度为6.0 W/cm²时效果最佳。X射线光电子能谱分析显示，功率密度为4.5-5.5 W/cm²有利于沉积接近化学计量的氧化铝薄膜。扫描电子显微镜观察发现，在较高功率密度下沉积的氧化铝薄膜表面光滑，这表明通过适当的功率密度可以几乎消除液态靶R-HiPIMS过程中的电弧现象。功率密度为5.5 W/cm²时沉积的薄膜透射率接近SiO₂基底。这些结果表明，液态靶R-HiPIMS技术是一种快速沉积氧化铝薄膜的直接且有效的方法。

引言

氧化铝（Al₂O₃）涂层因其良好的绝缘性、化学稳定性、高硬度和优异的光学透射率而被广泛应用于各种工业领域，如绝缘材料、催化材料、耐磨涂层和光学观察窗口。近年来，这种涂层通过多种技术制备，包括磁控溅射[1,2]、过滤阴极真空弧沉积[3]、电子束蒸发[4]、等离子喷涂[5]和原子层沉积[6]。其中，特别是反应高功率脉冲磁控溅射（R-HiPIMS）技术能够生成密度高且与基底粘附力强的涂层，在氧化铝制备过程中得到了广泛应用。

然而，在R-HiPIMS过程中经常出现靶材污染现象，导致不良影响。当靶材表面形成氧化铝层时，放电状态变得不稳定，使得电弧抑制变得困难，从而降低了氧化铝薄膜的沉积速率和质量[7]。因此，找到一种在保持化学计量的同时提高氧化铝薄膜沉积速率的方法成为亟待解决的问题。

在各种沉积技术中，液态靶磁控溅射似乎具有解决上述问题的潜力[[8], [9], [10], [11]]。传统的冷却靶磁控溅射由于大部分放电能量以热的形式散失并被靶材冷却系统带走而能量效率较低（<5%）[12]。而在液态靶磁控溅射中，由于来自靶材表面的物质通量（包括溅射粒子和蒸发粒子）都参与了沉积过程，因此薄膜沉积速率显著高于传统冷靶技术[13]。从这个角度来看，液态靶磁控溅射结合了离子溅射和蒸发的优点，在相同功率下沉积速率可提高5-20倍[13]。最近，液态靶磁控溅射也被用于铜和铬等金属的溅射[13]。尽管在金属溅射方面取得了进展，但利用液态靶磁控溅射从金属靶制备氧化物薄膜的研究仍较少，尤其是氧化铝薄膜。这一研究空白突显了进一步探索的必要性，这也是本研究的动机。

因此，本研究提出了液态靶R-HiPIMS技术来高效沉积Al₂O₃薄膜。我们获得了该过程的放电特性，并研究了工艺参数对Al₂O₃薄膜性能的影响。完成这项研究不仅有望提供一种更高效可靠的Al₂O₃薄膜制备方法，还有助于深入理解液态靶R-HiPIMS的基本机制，为需要高性能Al₂O₃涂层的各种工业应用开辟新的可能性。

实验装置

实验装置

液态铝靶R-HiPIMS实验是在我们自行搭建的溅射系统中进行的。如图1所示，使用装有导热绝缘层的钼坩埚来固定铝靶。在靶材的上部50毫米处安装了一个可拆卸的挡板，以防止溅射出的靶材颗粒在靶材熔化前沉积在基底上。抽真空系统包括一台涡轮分子泵等设备。

放电特性

图2比较了液态靶和固态靶R-HiPIMS过程中的放电电压、放电电流和离子电流波形，靶材电压变化范围为310 V至340 V。当施加相同的放电电压时，液态靶R-HiPIMS的放电电流和峰值离子电流大约是固态靶R-HiPIMS的两倍。此外，与固态靶R-HiPIMS相比，液态靶R-HiPIMS的离子电流也更高。

结论

在本研究中，我们采用了液态靶R-HiPIMS技术，在硅（100）和石英玻璃基底上合成了非晶态Al₂O₃薄膜。与固态靶R-HiPIMS相比，液态靶R-HiPIMS过程中铝离子的密度显著增加，在相同的溅射电压下，基底处的峰值离子电流翻倍。此外，功率密度为6.0 W/cm²时，氧化铝薄膜的沉积速率可达700 nm/h。

作者贡献声明

孙天伟：概念提出、方法论设计、数据分析、数据整理、初稿撰写。王兰萍：验证、审稿与编辑、资金申请。王晓峰：指导。

作者贡献声明

孙天伟：初稿撰写、验证、方法论设计、数据分析、概念提出。王晓峰：审稿与编辑、验证、资金申请。王兰萍：审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系，对任何产品、服务及/或公司没有可能影响本文观点或评审结果的专业或其他个人利益。

致谢

本工作得到了“中国福建省能源设备科技创新实验室（21 CLAB）”的支持，项目编号为21C-OP-202210。