薄膜材料在半导体、光电子、新能源这些领域已经离不开了。工业上制备薄膜的方法很多，磁控溅射属于物理气相沉积（PVD）里很成熟的一条路线。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究围绕磁控溅射镀AZO膜展开。AZO是掺铝氧化锌（Al-doped ZnO），透明导电性能尚可，太阳能电池、LED、触摸屏都在用，把镀膜、结构表征、性能测试串起来跑一遍。

磁控溅射原理与AZO薄膜

磁控溅射是一种物理气相沉积（PVD）方法。电场加速电子使其与真空腔体内的氩原子碰撞，产生Ar⁺离子和二次电子。磁场约束电子运动路径，提高其与氩原子的碰撞概率，形成高密度等离子体。Ar⁺离子在电场作用下轰击靶材表面，靶材原子获得动能脱离晶格，沉积在基片上逐渐形成致密薄膜。掺铝氧化锌（AZO）薄膜因光电性能优异，在太阳能电池、发光二极管、触摸屏等领域应用广泛。

实验流程

实验使用单室四靶磁控溅射镀膜机，AZO靶材纯度99.99%（ZnO:Al₂O₃(2wt.%））。基片为1cm×1cm的石英玻璃和单晶硅片，依次经丙酮、乙醇、去离子水超声清洗后氮气干燥。实验仅改变射频功率（40W和100W），其余条件固定：沉积时间90min，氩气气压2Pa，本底真空6.0×10⁻⁴ Pa，基底转速3rpm，靶基距10cm。样品按基底和功率命名，如AZO-Q40W（Q为石英基底）、AZO-Si100W（Si为硅片基底）。表征方面，用台阶仪测厚度，X射线衍射仪分析晶体结构，紫外可见分光光度计测光吸收，接触角仪测表面润湿性。

晶体结构

磁控溅射AZO薄膜XRD

XRD 显示，AZO 薄膜是六方纤锌矿结构，对应 ZnO 的标准 PDF 卡片（No. 36-1451）。主要衍射峰在 2θ ≈ 34.4°、36.2°、62.8°、72.5° 附近，分别对应 (002)、(101)、(103)、(004) 晶面。其中 34.4° 的 (002) 峰最强，说明膜在 c 轴方向择优生长。铝掺进氧化锌里并没有改变化锌矿晶体结构，只是替位掺杂。

薄膜厚度

磁控溅射AZO薄膜厚度

磁控溅射AZO-Si100W薄膜表面高度随扫描距离的变化（台阶仪轮廓曲线）

用台阶仪扫台阶高度，结果显示：功率从 40 W 提到 100 W，沉积速率明显变快：石英基底上膜厚从 181.6 nm 增加到 964.6 nm；硅基底上从 192.7 nm 增加到 998.7 nm，几乎翻了五倍。原因很直接：功率越高，靶材溅射产额越大，单位时间落到衬底上的粒子越多。台阶仪曲线还显示，膜厚在台阶边缘附近迅速上升，进入膜层内部后趋于稳定，说明膜厚均匀、表面平整。

光学性能

磁控溅射 AZO-Q100W 薄膜紫外-可见吸收光谱

用紫外-可见分光光度计测吸收谱，再用Tauc plot法处理。对直接带隙半导体，把 (Ahν)² 对 hν作图，线性段外推到横轴的截距就是禁带宽度 Eg。测得AZO-Q40W的Eg = 3.38 eV，AZO-Q100W的Eg = 3.43 eV，文献里常温ZnO的Eg约3.37 eV。功率升高后Eg略有蓝移，这通常和晶粒尺寸变小、载流子浓度增加带来的Burstein-Moss效应有关。

表面润湿性

水滴在磁控溅射 AZO 薄膜表面的接触角

水滴在四个样品表面的接触角分别是 101°、108°、105°、104°，都表现出疏水性。文献报道 (002) 择优取向的纤锌矿氧化锌薄膜接触角约为 109°，实验值和它接近。AZO薄膜表面能本来就低，加上柱状晶结构，水不容易铺展。

本教学实验利用磁控溅射方法在石英玻璃和单晶硅基片上沉积AZO薄膜，并测定了薄膜的厚度、晶体结构、光吸收性能和表面润湿性能。结果表明，利用磁控溅射方法能够在基片上沉积厚度为数百纳米的AZO薄膜，薄膜具有六方纤锌矿结构且在(002)方向上择优取向生长，在可见光区有较高的透过率，在紫外光区有较强的光吸收，表面呈现一定的疏水性。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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原文参考：《磁控溅射法薄膜制备及其性能分析综合实验教学设计》