真空管膜层基础知识

1、真空管膜层基础知识太阳能真空管镀膜-膜层（一）基础知识热辐射基本概念热量传递的基本方式：导热，对流和辐射。辐射是以物体通过电磁波传递能量的一种方式。电磁波的波长从零到无穷大，传播速度真空中约为3X108m/s。 当辐射能量投射到物体表面时，会发生吸收，反射和透射。 三者遵循以下规律： +=1当物体的吸收比=1时，该物体称为绝对黑体或黑体；当物体反射比=1时该物体称为镜体；而反射比是漫反射比 时，该物体称为绝对白体；当物体透射比=1时，称为绝对透明体或透明体。 黑体辐射的基本定律：光谱辐射岀射度随波长连续变化，先增大后减小，每条曲线只有一个最大值；曲线随黑体温度的升高而整体提高，曲线互不相交，最

2、大值随温度的升高而向短波移动。最大光谱岀射度的波长与温度的关系： =2897.8um·K 实际物体发射率的一般变化规律：1）：对于黑体，发射率E=1,光谱发射率，法向发射率，方向发射率彼此相等。2）：实际物体的方向发射率或法向发射率有一定变化，但对半球发射率无显著影响。3）：金属材料的表面发射率一般都比较低，但随着温度升高都要增大，金属表面形成氧化层后，会成倍增大。4）：非金属材料的表面发射率是较高的一般都在0.80以上，或者更高。5）：发射率值的大小取决于物质的表面状态，涂层的发射率是涂层本身的特性，不是涂层基材的特性，但有例外，如：太阳能利用中的光谱选择性涂层Al-AlN/Al,

3、SS-C/Cu膜层的发射率的高低在很大程度上取决于底层Al和Cu. 基尔霍夫定律：物体处于热平衡时，任何物体对黑体投射辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。对于灰体不论投射辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡状态，其吸收比等于同温度下的发射率。太阳光谱选择性吸收膜系光学基础消光系数（k)描述电磁波在介质中传播时的衰减程度，是介质吸收电磁波能量的度量。n表示折射率，其中（nx）称为光程，也叫光学距离或光学厚度。在薄膜光学中，膜厚常以光学厚度来表示。n,k通称为介质的光学常数。 薄膜的干涉效应：两列或两列以上的光波，在满足一定条件下相遇时，重叠的区域内光强分布不均匀，有的地方加强，有的地方减弱

4、，这种现象称为光的干涉。 光的干涉必须满足的条件：1）：两列波的振动频率必须相同；2）：两列波在相遇点的振动方向相同；3）：两列波在相遇区域内必须有固定的相位差。当介质的光学厚度是1/2波长的整数倍时，发生相长干涉；当介质的光学厚度是1/4波长的奇数倍时，产生相消干涉。 太阳光谱选择性吸收表面原理 适合作为选择性吸收表面的材料主要分为三大类：1）：在太阳可见光和近红外波长范围内有高的吸收，红外范围是透明的；2）：在太阳可见光和近红外波长范围内有高的吸收，红外范围有高的反射；3）：在太阳可见光和近红外波长范围内是透明的，红外范围有高的反射。 选择性吸收材料可以是：1、本证吸收材料；2、微观上不平

5、整的表面；3、微颗粒组成的材料；4、电介质-金属复合材料等。 一个表面对波长在0.302.5um范围内高吸收，对波长在550um范围内低吸收（即低发射），这就是选择性吸收表面。 反射比发生突变处的波长叫截止波长（c)。要得到性能优良的吸收表面，正确确定截止波长是十分重要的。 随c的加长，表面的吸收比由快速增加到缓慢上升，直至表面吸收不再上升；发射率有缓慢上升（甚至不升高）到快速升高。 相同的c,表面温度高发射率也高。 太阳光谱选择性吸收表面材料能带理论基础在晶体中，原来孤立的原子的能级分裂成了能带。能带是描述晶体中能量状态的物理量。价带：价电子对应的能级；导带：没有被电子填充满的能带；空带：没

6、有被电子填充的能带；禁带：价带顶至导带低的能带导体：价带与导带重叠，之间无禁带，电子容易运动，电阻率低；半导体：价带与导带间有一个禁带，不同的半导体材料，他们的禁带空带宽度不同；绝缘体：绝缘体的禁带比半导体宽得多。半导体的能带结构决定了它具有某些特殊性能，其中具有光吸收特性，主要光吸收过程是本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格吸收。半导体的本证吸收是价电子吸收光子能量后，从价带跃迁到导带所形成的吸收过程。产生的条件是：光子能量不小于半导体的禁带宽度。 hvEg截止波长（c)又叫吸收限为：Lc=1.24/Eg(eV)其中Eg为禁带宽度单位“电子伏特”（eV)。折射率n与禁带宽度Eg

7、的经验公式：（n4)Eg=77反射率R=(1-n）/(1+n)(1-n)/(1+n)当杂质（除半导体之外的任何材料）掺入到纯半导体晶体中时，晶体的禁带宽度减少吸收限波长增加。 典型太阳光谱选择性吸收表面机理1）：本征吸收选择性吸收表面，合适的禁带宽度半导体材料可以用于选择性吸收，但是吸收限波长太短，光热转换效率不理想。2）：半导体吸收-金属反射串列组合，在半导体底部加红外高反射金属层，有效阻止基体受热后的长波长辐射。实际用于红外反射的金属材料主要有：Au,Ag,Cu，Al,Ni等。3）：微不平表面，微观上不平整、宏观上平整的一种表面。利用物理或化学方法使表面粗糙化，形成许多“小丘”，当小丘间的

8、间距与入射光波长相比拟时就对该入射光产生吸收。这个间距比红外波长小，因此对红外辐射产生镜面反射。4）：半透明电介质-金属干涉叠层表面，最底层是纯金属反射层，半透明金属上下都是没有吸收的纯电介层，电介层的光学厚度在中心波长处应能实现相消干涉。电介质的光学厚度应该是参考波长的四分之一，并严格控制半透明金属的厚度。5）：电介质-金属复合材料选择性吸收表面，材料制备方便成分容易控制，应用最广泛。 电介质-金属复合就是在电介质基体中嵌入极细的金属粒子形成新材料的过程。 填充因子：金属粒子嵌在电介质基体的体积百分数称作金属填充因子，简称填充因子。金属粒子对复合材料的结构和特性起决定性影响。多层渐变选择性吸

9、收膜系设计单色光与单层薄膜发生作用时会发生反射、透射、吸收和干涉现象，单层膜的吸收是有限的，最直接的办法是制备一系列不同性能的薄膜构成一个膜系，不同独立膜层有不同的吸收限，吸收不同波长的能量。这就是层层吸收。 纯的AlN膜可以使尽可能多的太阳光透过进入膜系，这就是减反射层。减反射膜本身不吸收能量。 在AlN中掺入金属，就有了吸收能力，就是光通过时会遇到阻碍，随着金属的增多，阻碍能力越强，纯金属时，光已经不能通过，形成反射。利用反应溅射沉积技术制备AlN-Al复合膜时，随氮气流量的增加，复合膜中Al的含量减少，膜的介质性提高，光通过能力加强，直到纯的AlN达到光完全通过。 复合膜的消光系数（k)

10、随填充因子的增大而增加；折射率(n)与填入的金属种类有极强的依赖关系，与电介质几乎无关。 透反法测试薄膜的光谱反射比及透射比：1）在玻璃基片上（高纯度低铁玻璃）沉积待测薄膜；2）利用分光光度测量样品的反射比和透射比；3）利用台阶仪测量薄膜厚度；4）反演确定膜的折射率(n)和消光系数。 减反射膜的设计理论基础是薄膜的干涉。一个理想的减反射膜应满足以下条件：1）薄膜的光学厚度应是四分之一参考波长的奇数倍；2）薄膜的折射率入射介质（如空气）折射率与出射介质折射率乘积的平方根。 当光学厚度为波长四分之一的奇数倍时，低折射率膜得到的发射率（R)为极小，高折射率膜得到的发射率为极大；当光学厚度为波长四分之

11、一的偶数倍时，不管膜层折射率如何变化，基体反射比不变。设计减反射膜的途径：1）：选用单层减反射膜，需要正确确定参考波长，应在510nm甚至更长出；2）：多层减反射膜，要希望对较宽波长范围实施减反射，必须设计多层减反膜系，层数多、性能好、工艺复杂。 电介质-金属选择性吸收膜系的减反射层一、单层及双层减反膜：影响减反效果的主要参数是减反膜本身的光学常数、厚度及基体材料的折射率。电介质-金属复合膜在太阳能领域应用最广，其中AlN-Al复合膜被大多数企业采用，纯AlN介质做减反膜是最经济方便的选择，使用二层减反膜的可以直接加一层三氧化二铝（Al2O3)。 在不同的复合膜上加相同材料、相同厚度的减反膜不

12、可能有相同的效果；但都遵循相同的规律：反射曲线仅有一个最低点；在AlN表面加一层40nm的Al2O3膜，膜系反射区有两个最小值区域，会形成比较好的相消干涉。而且在波长大于1300nm之后曲线陡峭上升。二、减反膜厚度对吸收膜系反射特性的影响：1、由AlN-Al构成的表面上，加单层不同的减反膜（AlN或Al2O3)后，在波长350-2300nm范围内对表面反射比的影响几乎一样；2、随厚度增加，反射极小点向长波方向移动，红外极小点几乎不变；3、短波相消点的右移使两个相消点重叠，便有最好的吸收范围；4、增加AlN的厚度，1300nm左右的极小值都向长波方向移动，并且短波区域移动更快；5、两种减反膜厚度

13、都增加，2300nm处的反射比还会降低，但对发射率会有影响； 如果确定吸收层填充因子为0.2和0.45时，AlN选择30nm,Al2O340nm是此膜系的最佳设计结果。表示为：Al2O3（40）/AlN(30)/f0.2(45)/f0.45(120)/Al(不透明）/玻璃。（）内为厚度。多层渐变选择性吸收膜系的理论设计多层渐变选择性吸收膜系主要应有三部分构成：最底层的红外高反射层、中间的吸收层及表层的减反层。可以表示为f1（或fA=1)的红外高反射金属、f0-1的吸收层、f0的减反层。设计中包括众多参量:合适光学常数膜层的优化、层数的选用、各膜层的厚度、表面反射比的计算等。1、确定吸收限，是指

14、红外最小反射点对应的波长，理想的范围是1300-1400nm之间，太短会造成吸收比较低，太长会造成膜的发射率升高。使用温度越高吸收限应该向短波长移动，反之向长波移动。可以在发射的最大辐射度对应的中心波长右移一半左右。中心波长可以以T=2897.8nm·K推算。对于一个实际膜系来讲，一方面吸收限要比理想吸收限短，给出一个曲线上升到最大值的波长范围；另一方面实际膜系反射曲线应尽快的上升到最大值。也就是需要在窄的波长范围内陡升至最大值。光谱反射曲线急剧上升的膜系发射率一定低于缓慢上升的膜系。2、设定红外参考波长处的反射比值，波长一般选定在2.5um，并使用分光光度计进行精确测量。3、设定吸

15、收膜系的吸收比，有了以上三条设置可以保证从理论上得到高性能的选择性吸收膜系。4、复合吸收膜系结构，应有三部分构成：最底部的红外高反射膜（Cu、Al等）、吸收层（一层或多层）、减反射层（一层或两层）。 多层渐变选择性吸收膜系层数的优化设计膜层的厚度在20nm到150nm区间内随厚度的增加表面吸收比几乎成抛物线上升，150nm之后，这种依赖关系变弱，200nm之后，如果厚度增加10倍，吸收比也就上升5个百分点。总之，在某个范围内提高吸收层的厚度是增加吸收比的有效方法。随吸收比的增加表面的发射率也在上升。600K时表面发射率与厚度关系不大，温度越高表面发射率与吸收层厚度之间的关系越密切。50nm以后

16、发射比几乎随膜厚的增加而呈抛物线上升（高温应用区）。所以吸收层的厚度确定应同时顾及表面的吸收特性和发射性能：在较低温度下（300度）工作的膜系，首先考虑吸收特性，即可以通过增加厚度提高膜系的吸收比；如果膜系工作在高温区（大于500度)应首先考虑降低他的发射率，即吸收膜尽可能的薄，要提高他的吸收比只有靠干涉效应去实现。1、AlN-Al膜系：膜系吸收层以二层最好；层数的增加会使发射率升高；层数减少，干涉效应就应加强；单层吸收莫不理想。吸收层填充因子为0.2和0.45较好。2、Al2O3-W膜系：四层膜系具有最佳的光谱吸收特性。吸收层填充因子分别为0.10、0.30及0.55较好。3、AlN-Al膜

17、系的模拟设计：膜系设计的基本参量是复合膜的光学常数及膜的厚度原始数据与实测值之间存在一定的偏差，前者称为理论设计，后者称为模拟设计。AlN-Al复合膜的光学常数求解方法：一、两种材料可以定量掺杂时：1、制备纯Al和纯AlN膜；2、求解光学常数；3、将Al和AlN的光学常数转换成介电常数；4、计算不同填充因子的介电常数并转换成光学常数；5、优化膜系；二、两种材料不能定量掺杂时：1、制作单层的AlN膜和一系列AlN-Al复合膜并记录工艺参数；2、测量并计算各薄膜的光学常数；3、模拟优化设计。选择性吸收膜系填充因子的优化将填充因子分成五类：0<f<0.1为微吸收，0.1<F<

18、0.25为低吸收，0.25<f<0.35为中等吸收，0.35<f<0.45为较强吸收，0.45<f<1为强吸收。填充因子分别为0.1 、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.6的渐变膜系作为标准进行填充因子优化分析，此标准吸收比为0.94，发射率小于0.06。(a=0.94,R=0.65,e<0.06,R指波长2500nm时的反射率，下同）1、去掉0.4和0.45的较强吸收层，吸收效应减弱，干涉效应应加强，发射率会有明显的降低。较强吸收的高填充因子层可以使膜系的吸收提高的同时膜系发射率也会升高（a=0.908，R=0.78);设计高

19、温条件下应用的膜层时，应尽量少用具有较强吸收的膜层，或降低他们的厚度；2、去掉0.30和0.35的中等吸收膜层，比1有更低的发射率，中等吸收层对红外发射率的影响更加敏感；3、取消0.2和0.25两个膜层后膜系反射谱发生了较大变化，吸收比降至0.87,而且曲线在红外上升缓慢，发射率更高；4、取消0.1的微吸收层，相消干涉仅发生在440nm的短波长处，吸收比为0.92，在600-1000nm范围曲线平缓上升； 总上，随着膜系中膜层填充因子的减小，膜系反射曲线中的相消干涉点向左移动速度加快，即：膜层填充因子越小，膜的吸收越小，对膜系干涉效应的影响越大；5、将0.6的强吸收层改变为0.5和0.7，膜系

20、光谱反射曲线在350-800nm波长范围与标准几乎重合，仅对红外反射产生一定作用，在膜系中适当提高高吸收层的填充因子，有利于降低膜系的发射率；总上：膜系中应尽可能的减少较高吸收的膜层，产生的吸收损失通过干涉效应去弥补。 层数优化认为，四层AlN-Al膜系具有高的吸收和低的发射 ，在实际中越来越重视， 填充因子在0.25-0.40范围的膜层对膜系的发射率升降有着密切的关系，填充因子的变化影响膜系的结论：1、膜系中吸收层少干涉效应明显；2、膜系中吸收层越少，改变它们的填充因子对膜系性能的影响越大，制作时对参数的控制应更加严格；3、填充因子只要在一定范围变化，再通过膜厚的调整，同样可以得到

21、性能优异的膜系；4、较大的填充因子膜层可以增加膜系的吸收，同时也会使膜系发射率上升；5、相对较小的填充因子膜层会使膜系干涉效应加强，必须通过厚度调节干涉相长和相消的峰值位置；高填充因子膜被认为是高吸收层，低填充因子认为是低吸收层1、高吸收层对膜系的长波长性能的影响明显，当厚度增加时，会有更多的光线被吸收，长波反射幅度降低，增加了膜系的发射率；厚度太低，长波长有较高的反射比，膜的发射率较低，但是在可见光和紫外区反射增加，吸收率降低。高吸收层有一个极值，超过该值对膜系性能影响很小；2、低吸收层承接高吸收层和减反射层，对膜系的影响主要表现在近紫外和可见光区的干涉峰上，当低吸收层的厚度太厚或太薄，都会

22、带来明显的干涉峰。选择性吸收膜系中各层厚度的设计1、高填充因子（f=0.6)膜层厚度的增加或减少对膜的吸收性能的影响可以忽略；2、f=0.45和f=O.40、f=0.35和f=0.30膜层性能相近；3、低的填充因子膜层厚度的变化对膜系产生影响更加明显。四层膜系中仅有两层吸收膜，低吸收膜（f=0.20)在膜系干涉中有举足轻重的作用，它厚度变化越大，偏离相消干涉条件越远，相消作用越弱；f=0.20膜层的厚度只能在（45 ±15）nm范围内进行优化，厚度减薄使膜系吸收限向左移动；高填充因子（f=0.45)厚度从120nm降至80nm时变化可以忽略，降至40nm时变化主要发生在红外，膜系发射

23、率明显降低，吸收没有明显的变化，膜系具有很好的选择性；降至0时，红外吸收限左移与可见光的干涉叠加，膜系在红外区域的反射快速上升；将膜厚加厚到150nm和200nm时反射图谱与厚度120nm时基本重合。结论：高填充因子膜层厚度变化对膜系红外反射产生影响；膜厚由一个临界值，高于临界值性能不变，低于临界值时，厚度减薄会使吸收限左移；四层膜系中某一个吸收层厚度变化对膜系的影响大于九层膜系。在模拟计算及实际制备中，低填充因子和高填充因子膜层厚度的增加膜系谱线的吸收限都向长波方向移动；实际膜与设计结果不可能完全吻合。以上几天重点对太阳能膜系的理论部分与大家进行分享，今后将对选择性膜系的制备进行探讨，将会花

24、几天准备一下，请耐心等待。选择性吸收膜系的制备 光谱选择性吸收膜系的制备技术：光谱选择性吸收膜系是一种光学膜系，可用真空沉积、电化学反应、化学气相沉积等，应用广泛的主要是电化学反应发和真空沉积技术中的蒸发及溅射。溅射沉积技术的基本原理：所谓溅射(sputtering)是指被加速的正离子轰击阴极（靶）表面时，将自身的能量传给阴极表面的原子，原子离开阴极沉积在基体上。是动量传递过程。利用溅射现象沉积薄膜的技术称溅射沉积技术。溅射理论：公认的是碰撞理论，入射离子与固体表面原子发生弹性碰撞后，将其中一部分能量给了原子，该原子的动能超过它与其他原子形成的势垒（对金属约5-10ev)时，原子就会从晶格点阵

25、碰出，形成离位原子，又与其他附近原子发生反复碰撞-联级碰撞。当原子动能超过结合能（1-6ev)时，原子离开表面进入真空室沉积在设置的基体上，形成薄膜。入射正离子轰击固体表面后除产生原子外，还有其他现象产生，主要是原子和电子。原子沉积在基体上形成薄膜，电子用来维持辉光放电的继续。产生原子的多少用溅射产额（S)表示。一、溅射产额及其影响因素溅射产额-单位离子入射到表面后产生的原子数，单位：原子数/离子，也叫溅射率或溅射系数。决定阴极被剥离的速度，并在很大程度上决定薄膜的沉积速率。溅射产额与入射离的能量、质量、种类、入射角度及被溅材料的种类有关。1、溅射产额与入射离子的关系：1）与入射离子种类的关系

26、：对于同一种被溅材料，当轰击离子的质量增加时，溅射产额随之增加，而且最大溅射产额出现在周期表惰性气体上；2）与入射离子能量的关系：在入射离子的能量很低的一个范围内，没有或者几乎没有溅射发生，随着离子能量的增加，溅射产额也增加，当能量继续增加超过某一个值时，溅射产额不但不增加反而还要下降（S=0时的最高能量称为溅射的域值能量，一般为10-30ev）；3）与离子入射角的关系：当入射角从0°（离子垂直入射到靶面）逐渐增加时，最初的溅射产额（S)也随之增加，当达到某一值（Al为75°）时，S达到最大，角度再增加S反而下降，至90°时，溅射产额下降到零。2、溅射产额与靶材的

27、关系：随着原子序数的增加，S值是周期性变化的，材料的电子结构中，d壳层电子越多，该材料S值就越大。二、影响溅射粒子能量的因素：1、入射离子的能量对溅射粒子的影响：增大入射离子的能量会使溅射粒子的能量相应增加。在低压强状态下，增加溅射功率是提高入射离子能量的有效途径。如果压强太高，溅射原子在离开靶表面向基体运动的过程中就会与室内的气体分子发生碰撞，降低溅射原子的能量；2、入射离子质量对溅射粒子的影响：质量大的正离子产生的溅射原子具有大的平均能量；3、正离子入射角对溅射粒子能量的影响:入射角改为60°轰击把表面，溅射粒子能量就会提高。 溅射沉积速率沉积速率与诸多因素有关可定性的表示为 q

28、=CSIq为沉积速率，C为常数，S为溅射产额，I为放电电流。凡是影响溅射产额的因素都对沉积速率有影响，溅射产额是个必要条件，诸多因素中，最主要的有几个：1、外加功率对沉积速率的影响：阴阳极的距离确定、放电处于反常辉光放电区（电压升高电流加大）条件下，沉积速率与加在阴极上的功率成正比；2、沉积速率与放电电流的关系：提高放电电流的最有效途径是适当提高溅射气体压强；3、基体与阴极靶之间的相对位置：在不影响阴极暗区的前提下，阴阳极间的距离越近，沉积速率越大。（但厚薄均匀性下降，-指靶及基体固定不变时）4、气体压强对沉积速率的影响：沉积速率与气体压强不是线性关系，低气体压强时，正离子少，溅射产额低，沉积

29、速率低；随气体压强升高，正离子增多，溅射产额提高，沉积速率上升；在某一个气体压强时达到最大值；继续提高气体压强，沉积速率开始下降溅射沉积技术一、直流二极溅射：最大的优点是装置最简单，可以使膜的应力减小（原因是基片温度很高）；缺点是电离率低，必定溅射产额低，造成沉积速率也低；沉积低熔点有机薄膜困难；使用电压较高，有较高的绝缘要求；必须使用较高的气体压强。二、射频溅射沉积： 在二极溅射中，靶接电源负极，基体支架外壳通常接地，要实现连续溅射，靶必须是导体，否则靶上会积累电荷使放电终止。射频溅射时唯一可以从绝缘的化合物靶上直接获得化合物薄膜的方法。它可以在低气压下工作，膜层致密，附着力较高。三、磁控溅

30、射技术：所谓磁控溅射就是利用阴极表面配合的磁场形成电子陷阱，使在E×B的作用下电子紧贴阴极表面飘移。设置一个与靶面电场正交的磁场，溅射时产生的快电子在正交的电磁场中作近似摆线运动，增加了电子行程，提高了气体的离化率，同时高能量粒子与气体碰撞后失去能量，基体温度较低，在不耐温材料上可以完成镀膜。分类：1、平面磁控溅射：平衡平面溅射是最常用的平面靶磁控溅射，磁力线有闭合回路且与阴极平行，即在阴极表面构成一个正交的电磁场环形区域。等离子体被束缚在靶表面距离靶面大约60cm的区域，通常在基片上加负偏压来改善膜与基体的结合能力；非平衡平面磁控溅射为了将等离子区域扩展，利用磁体摆放方式的调整，可

31、以方便的获得不同的非平衡磁控源。2、圆柱磁控溅射沉积技术：利用圆柱形磁控阴极实现溅射的技术磁控源是关键部分，阴极在中心位置的叫磁控源；阳极在中心位置的叫反磁控源。四、特殊溅射沉积技术：以上面几种做基础，为达到某些特殊目的而产生的溅射技术。1、反应溅射：可分为两类，第一种情况是靶为纯金属、合金或混合物，通入的气体是反应气体，或Ar加上一部分反应气体；第二种情况是靶为化合物，在纯氩气气氛中溅射产生分解，使膜内缺少一种或多种靶成分，在溅射时需要补充反应气体以补偿损失的成分。常用的反应气体有氧、氮、氧+氮（空气）、乙炔、甲烷等。1）反应过程，反应发生在表面-靶或基体上，活性气体也可以形成活性基团，溅射

32、原子与活性基团碰撞也会形成化合物沉积在基体上。当通入的反应气体压强很低，或靶的溅射产额很高时化合物的合成发生在基体上，而且化合物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达基体的相对速度，这种条件下，靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度；当气体压强继续升高，或溅射产额降低时化合反应达到某个域值，此后在靶上的化学合成速度大于逸出速度，认为化合物在靶面进行。2）反应溅射参数与生成物性能的关系：在纯Ar状态下溅射沉积的时纯铝膜，当氮气被引入真空室后，靶面发生变化，随氮气的量不断上升，填充因子下降，膜内AlN含量上升，膜的介质性提高，方块电阻增加，当氮气达到某一值时，沉积膜就是纯的AlN。同

33、时电流不变的条件下，电压下降，沉积速率降低。根据膜的导电性的高低可定性的将反应溅射过程分为两种模式-金属模式和化合物模式，介乎两者之间是过渡区。一般认为膜的方块电阻在1000之下是金属模式，大于几M为化合物模式。由于反应气体量的增加，靶面上会形成一层化合物，薄膜成分变化的同时沉积速率下降当气体量按原来增加量减少时，放电曲线及沉积速率都出现滞后现象。直流反应溅射出现的问题：1）靶的污染：靶表面形成了非导电的化合物或者导电很差的化合物之后，除了放电电压及沉积速率变化之外，还会因为靶面状况的动态变化引起膜成分及结构的变化；2）阳极消失：当阳极上化合物沉积到一定厚度时就中断了电荷传导的通路，造成电荷不

34、断积累，最终阳极失去作用，辉光放电不稳定，沉积的膜层性能不一致。因此经常清理阳极是必要的；3）极间打火：随阴阳极覆盖化合物，导电性能变差或丧失使电子积累。若要维持辉光放电，必须提高外加电压，结果造成阴极表面化合物的击穿，形成弧光放电。严重的影响溅射过程的稳定性，并造成膜的缺陷。最有效的解决方法是改变放电模式，采用交流及脉冲溅射。2、中频溅射及脉冲溅射:在靶上加一个交变电压，当工作在负电压阶段时，靶被溅射；工作在正电压阶段时，中和靶面积累的正电荷，这就是交流溅射技术。电压波形是非对称的矩形波的溅射方法称为脉冲溅射；电压波形是对称的方波或正弦波称交流溅射。在一个给定电场强度下，频率越高，溅射产额越

35、低。实验发现在频率为60kHz、80kHz、500kHz和13.5MHz时的溅射产额分别为直流溅射时的100%、85%、70%和55%，通常取10-80kHz。因此也称交流溅射为中频溅射。中频溅射常用于孪生靶，也叫对靶是近乎完全相同的两个靶相对而立，各自与电源的两个极相连，并与真空室处于悬浮状态。在溅射过程中，两个靶周期性的交替作为阴极和阳极处于低电位的靶吸引正离子产生溅射，处于高电位的另一个靶吸引电子中和靶面积累的正离子，抑制了溅射时的打火现象，同时消除了“阳极消失”现象。中频孪生靶溅射技术有以下特点：1）有高的沉积速率。中频溅射时靶功率密度是直流时的三倍情况下可以得到十倍的沉积速率；2）膜

36、内缺陷低。由于消除了打火现象膜内缺陷比直流溅射时低几个数量级；3）膜内应力低，与基体结合力强。由于中频溅射时到达基体的原子能量高于直流溅射，因此沉积时基体温升高，形成的膜较致密；4）连接简单。中频溅射时电源与靶的连接比射频（13.56MHz)溅射容易，后者需要复杂的阻抗匹配。 脉冲磁控溅射是采用脉冲电源或者直流电源与脉冲生成装置配合，输出脉冲电流驱动磁控溅射沉积。一般使用矩形波电压，既容易获得又有利于研究溅射放电等离子体的变化过程。工作模式与中频溅射。选择性吸收膜系的制备在实际镀膜之前首先确定镀膜机的工作参数：本底压强、溅射压强、放电电流等，这些参数于镀膜的稳定性及膜的质量密不可分。过高的本底

37、压强改变了膜的成分还可能降低膜的稳定性；溅射压强高可以得到的电流大，太高会使溅射离子及沉积粒子发生散射，降低自身能量，造成沉积膜与基体之间的附着力减弱，过高甚至没有膜沉积。 ··· 编制吸收膜系最简单的方法是以放电曲线为基础，渐变选取氮气量或电压值，并在选取点沉积不同厚度。·····低吸收层和减反层相对变厚，在可见至近红外区域必定会有一个相长干涉峰。放电电压最低时膜内加厚100%的AlN，就是减反射层，再加氮气已经没有意义。（只会造成溅射压强升高，溅射粒子被散射）····影响

38、红外反射高低的主要因素是膜系中高吸收层，加厚时在降低高反射峰的同时也会使2500nm的反射下降，即发射率升高。····氮气量的相对降低以及沉积时间的延长会使长波长处的反射下降，膜系发射率会上升。····中等吸收层对2500nm处的反射比的影响比较敏感，吸收层厚，反射比下降。····中低吸收膜越厚，干涉效应越明显，相长相消的峰位由他们的厚度决定。····膜系填充因子确定后（氮气量和放电电流确定后），膜系的光谱反射仅与每个单层膜的厚度有关。

39、·· 由于选择性吸收膜系不是发光表面，当表面对太阳光的可见光范围的某些波长有选择的反射时，膜系就会呈现不同的颜色。人眼看到的波长称为可见光，在380-780nm。有七色，但基础颜色仅有红绿蓝三种，称三基色。对红绿蓝都有较强吸收时，表面呈黑色；都有较强反射时，呈白色；仅对红绿吸收，对蓝色反射，膜系呈蓝色；对蓝色强吸收，对红绿强反射，膜系呈黄色。要改变膜系的颜色，就要调整干涉峰的位置。只有低吸收和减反射膜才有可能产生干涉，因此····调整低吸收和减反射膜的厚度才是改变膜系的关键。··中吸收层厚度增加，可见区域反射谱平直

40、，膜系呈黑色。膜系吸收层较多，干涉效应不明显，在可见光区域有较高的吸收，发射率较高；吸收层减少，干涉效应越明显，有相对较低的发射率。选择性吸收膜系的热稳定性抗烘烤能力的区别主要是它们的高填充因子层厚度不同引起的。高填充因子膜层厚度变厚抗烘烤能力增强。高温长时间烘烤后，气体元素在减反射层内均匀扩散的同时也向深度方向渗透，减反射层厚度增加；烘烤后吸收层的铝元素沿深度几乎呈线性增加，O、N元素下降，渐变性能提高。 常见问题处理一、颜色 膜层颜色的变化主要是干涉效果的作用，主要是低吸收层和减反射层。亮黄：最后一层电压过高，或时间太长；金黄：最后一层电压过低，时间太短；红、紫 、蓝：最后一层时间太短；若

41、电压、吸收层电压合适，颜色基本取决与减反射层的厚度，随时间的延长基本按以下顺序衍变： 金黄-红-紫-蓝紫-蓝-亮蓝-亮黑-亮黄。溅射过程无前面的变化，迅速由亮变化为黑、亮黄：低吸收层填充因子过低，吸收层渐变明显，无突变过程；可加大最后一层吸收层的填充因子，直至出现上面的衍变过程。颜色不均匀：布气孔分布与磁场分布不协调，可以作紫或蓝紫管，按颜色差别进行调整，气量由大至小为：金黄-红-紫-蓝紫-蓝-亮蓝-亮黑-亮黄。并检漏确认无漏点。二、变色主要原因是膜系金属成分过少所致，直接有效的手段是增加减反层与低吸收层的电压跨度。延长二、三层时间也可以，效果不如前者明显。 1）烤膜：用以上方法处理的同时，可

42、以看烤后颜色进行不同处理。变黄、红等：可以将最底部布气孔向上移动，或清理底部真空室、管托等；变白、雾状等：降低二、三层电流或减少时间（高填充因子层过厚）；烤掉铝层：提高纯铝层电流或延长时间。 2）真空烘烤后变色：延长二三层时间、加大倒数一二层电压跨度仍然是最有效手段仍需看所变颜色进行调整。向红蓝方向变化：降低纯铝层与高吸收层、倒数一二层电压跨度；最后一层氮气流量降低；向黑色方向变化：加大倒数一二层电压跨度，加大减反层流量，并延长时间个别部位变色：气量由大至小为：金黄-红-紫-蓝紫-蓝-亮蓝-亮黑-亮黄。并以此为依据调整布气孔。三、脱膜（非清洗原因）使用过程曝气后脱膜：提高本低真空，净化膜层成分

43、；排气后脱膜：降低膜层应力，加大溅射粒子能量；沉积完成后脱膜：降低膜层应力，加大溅射粒子能量，改变与基片附着方式；附着方式的改变：由玻璃/铜结构改为玻璃/钢/铜或玻璃/铝/铜结构；加大溅射粒子能量：加大电流、提高电压、降低溅射压强、加大电源输出总功率。四、膜层无法沉积提高溅射电流，加强磁场强度，适当降低溅射压强，提高氩/氮值。现在已经分九次将镀膜基础-膜层部分交流完毕，今后将对设备、生产过程出现的问题、进行分享。与网友交流的典型问题讨论，也会陆续发表。多孔转架颜色不一致故障分析 多孔转架近来使用中存在的只要问题是颜色不一致（主要表现在紫金管上），大家在解决的同时提出无法判断是工艺原因还是转架原因现仅就现象与原因做下分析： 连续几组颜色与其他不同：工艺原因，工艺时间和转速不能匹配，首先测试旋转一周所用时间，然后每层时间为这个时间的整数倍，最后一层要微调，这几组颜色重，要减掉旋转几组的时间；这几组颜色轻，要增加旋转几组的时间。 不连续几组颜色与其他不同：安装原因，与其他不同心，松开螺丝，颜色重的向外拉一下再紧死螺丝，颜色轻的往里推一下再紧死螺丝。 一组内出现不同颜色：自转与公转不匹配，加工时多孔盘的转