“雜質(zhì)”也有大用途 | Al2O3薄膜制備工藝大總結(jié) 

氧化鋁薄膜是鋁的一種特性，與金屬鋁的初始氧化有關(guān)，在鋁表面形成幾納米厚的“阻擋層”，能夠阻止鋁的進(jìn)一步氧化。對(duì)于鋁來(lái)說(shuō)，是影響純度的雜質(zhì)，但就是這種“雜質(zhì)”，也有著不小的用途。

Al2O3薄膜與氧化鋁膜是有差別的，氧化鋁膜是一種無(wú)機(jī)膜，是一種耐高溫，熱穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的膜，屬于一種膜分離技術(shù)。而氧化鋁薄膜是鋁能在空氣中自然形成的一層厚度約為0.01～0.1微米的氧化膜，這層氧化膜是非晶態(tài)的，自然生成的薄膜薄而多孔，耐蝕性差。但是通過(guò)薄膜技術(shù)制備的薄膜卻具有很多優(yōu)異的性能與特點(diǎn)。

薄膜技術(shù)

薄膜技術(shù)是一種工藝手段，*初應(yīng)用薄膜技術(shù)的目的是：將某種材料認(rèn)為的“附著”到基片材料的表面，以期待得到某種預(yù)期的功能。所以，薄膜技術(shù)始終是和材料科學(xué)、材料的有效利用聯(lián)系在一起的。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，將薄膜做到很薄，并將多層薄膜材料組合成一個(gè)整體時(shí)，出現(xiàn)了一些新的性能，這些特性是整體塊狀材料所不具備的。

例如Al2O3薄膜，因其光學(xué)性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度與硬度極高、透明性與絕緣性好、耐磨、抗蝕、較高的抗激光損傷及化學(xué)惰性等特點(diǎn)，在光學(xué)領(lǐng)域、機(jī)械領(lǐng)域、微電子領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的應(yīng)用，并且運(yùn)用范圍越來(lái)越廣。

Al2O3薄膜的應(yīng)用

01

光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

Al2O3因其折射率相對(duì)低，透光范圍寬，所以是一種常用于增透膜薄膜。而對(duì)光纖摻雜來(lái)說(shuō)是很有吸引力的一種材料，這是因?yàn)锳l2O3在可見(jiàn)光和近紅外線區(qū)域沒(méi)有吸收峰。摻餌光纖放大器在石英單模光纖*低能耗波長(zhǎng)1.55um處具有增益高、噪聲低、頻帶寬及飽和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信中用作中繼放大器、功率放大器和前置放大器，是實(shí)現(xiàn)全光傳輸?shù)暮诵牟考Ａ硗猓嗫譇l2O3薄膜在可見(jiàn)光范圍和紅外波段內(nèi)都有良好透光特性，透光率的大小及范圍受膜厚和膜結(jié)構(gòu)影響。

02

機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用

Al2O3薄膜機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高(Mohs9)、耐磨、抗蝕、高溫穩(wěn)定性好、化學(xué)惰性強(qiáng)，所以在機(jī)械領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，常涂覆到零件表面用以改性。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的磨損相當(dāng)嚴(yán)重，需要經(jīng)常更換，既不經(jīng)濟(jì)也不方便。但若在活塞環(huán)槽上鍍上一層陶瓷膜，提高了耐磨性，從而延長(zhǎng)使用壽命節(jié)約了不必要的開(kāi)支。

03

微電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

在微電子領(lǐng)域，Al2O3薄膜*突出的性質(zhì)是具有很高的介電常數(shù)(約為8.1)絕緣性很好，電阻率為3X1015Ω·m，在半導(dǎo)體器件中比SiO2更具優(yōu)勢(shì)，介電常數(shù)比SiO2高出4倍，而廣泛應(yīng)用。

Al2O3是很重要的電介質(zhì)材料，有很多的用途。例如:可作為金屬反射器的保護(hù)膜;可作為高溫穩(wěn)定層；可作為全吸收鏡的保護(hù)膜等。

Al2O3薄膜的制備

Al2O3薄膜有多種制備技術(shù)，其性質(zhì)取決于制備薄膜的過(guò)程參數(shù)，不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)其性能要求不同，所采用的制備工藝與技術(shù)也隨之不同。制備薄膜的方法主要有物**相沉積和化學(xué)氣相沉積。

物**相沉積

1

磁控濺射沉積

固體材料的濺射和蒸發(fā)是目前物**相沉積制備薄膜工藝的兩個(gè)*基本過(guò)程。這種方法的特點(diǎn)是沉積的離子能量范圍寬。

磁控濺射原理圖

2

脈沖激光沉積

將準(zhǔn)分子脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于鋁靶表面，使鋁靶表面產(chǎn)生高溫及熔蝕，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，這種等離子體定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積而形成Al2O3薄膜。但該方法也存在薄膜沉積過(guò)程能量高、薄膜沉積面積小等缺點(diǎn)。

3

微弧氧化沉積

微弧氧化又稱(chēng)為等離子體氧化或陽(yáng)極火化沉積。它不同于普通的陽(yáng)極氧化，而是一種在Al、Mg、Ti、Zr等有色金屬表面上，于非法拉第區(qū)進(jìn)行火化放電，原位生長(zhǎng)陶瓷氧化膜的技術(shù)。

微弧氧化裝置示意圖

4

磁過(guò)濾陰極弧沉積

這種方法是對(duì)普通的真空弧陰極離子鍍技術(shù)的改進(jìn)，在普通的真空弧與基體之間增加了一段磁過(guò)濾通道。通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度和偏壓等參數(shù)，使得等離子體中的大顆粒中性成分及部分離子在通道中過(guò)濾掉。

磁過(guò)濾沉積裝置示意圖

5

離子輔助沉積

該方法的優(yōu)點(diǎn)是能控制鍍膜的物理和化學(xué)變化，適合在不易加熱的基片上制備光學(xué)薄膜，缺點(diǎn)是不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

6

電子束物**相沉積

這種方法嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)較少，操作和控膜生長(zhǎng)相對(duì)容易，制備的薄膜不會(huì)產(chǎn)生很多不可控雜質(zhì)，適合制備熱阻擋層。

化學(xué)氣相沉積

1

液體源化學(xué)氣相沉積

這種技術(shù)是指將含鋁的有機(jī)金屬物溶解在有機(jī)溶劑中作為液體源，然后將這種源用超聲波噴射以氣霧劑的形式或溶滴注入的形式引入到反應(yīng)室中進(jìn)行沉積得到Al2O3薄膜。

2

等離子體化學(xué)氣相沉積

在制備沉積過(guò)程中經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器攜帶有機(jī)金屬鋁的氬氣與氧氣混合進(jìn)入等離子體反應(yīng)室，然后沉積制得Al2O3膜。用這種技術(shù)制備的薄膜其優(yōu)越性在于:成膜溫度低，壓力小，膜層附著力大，可在不耐高溫的基體上制備，還可通過(guò)改變沉積參數(shù)來(lái)制備所需要的薄膜。

3

金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積

此方法制備Al2O3薄膜是將鋁的金屬有機(jī)物氣化后利用載氣(一般為氬氣)通入反應(yīng)室和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的生成物沉積到襯底上從而形成Al2O3薄膜。