東北大學(xué)真空鍍膜技術(shù)培訓(xùn)：PVD物理氣相沉積

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1、真空鍍膜（一）：,主講人：巴德純,PVD物理氣相沉積,主要內(nèi)容,1. 真空鍍膜概論 2. 真空蒸發(fā)鍍膜 3. 真空濺射鍍膜 4. 真空離子鍍膜和離子束沉積技術(shù),1. 真空鍍膜概論,1.1 真空鍍膜技術(shù),真空鍍膜 在真空條件下利用某種方法，在固體表面上鍍一層與基體材料不同的薄膜材料，也可以利用固體本身生成一層與基體不同的薄膜材料，即真空鍍膜技術(shù)。,1.2 真空鍍膜特點(diǎn),在真空條件下鍍膜，膜不易受污染，可獲得純度高、致密性好、厚度均勻的膜層。 膜材和基體材料有廣泛的選擇性，可以制備各種不同的功能性薄膜。 薄膜與基體附著強(qiáng)度好，膜層牢固。 對(duì)環(huán)境無污染。,1.3 真空鍍膜技術(shù)分類,物理氣相沉積（PV

2、D） 如：熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、離子鍍和分子束外延 化學(xué)氣相沉積（ CVD） 如：熱化學(xué)氣相沉積、光化學(xué)氣相沉積、等離子體化學(xué)氣相沉積 物理-化學(xué)氣相沉積（PCVD）,真空表面處理技術(shù)的分類,各種干式鍍膜技術(shù)的比較,1.4 真空鍍膜的應(yīng)用,薄膜的應(yīng)用非常廣泛，它可以應(yīng)用于電子、機(jī)械、光學(xué)、能源、輕工、食品、建筑、裝飾等工業(yè)方面以及傳感器、變換器等。此外，塑料表面金屬薄膜以及金屬表面的塑料薄膜廣泛應(yīng)用于日常生活各方面。,薄膜的應(yīng)用,2. 真空蒸發(fā)鍍膜,2.1 真空蒸發(fā)鍍膜原理,將膜材置于真空中，通過蒸發(fā)源對(duì)其加熱使其蒸發(fā)，蒸發(fā)的原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出。由于高真空氣氛，真空室中氣體分子的平均自

3、由程大于真空室的線性尺寸，故此蒸汽分子很少與其它分子相碰撞，以直線方式達(dá)到基片表面，通過物理吸附和化學(xué)吸附凝結(jié)在基片表面，形成薄膜。這就是真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理。,真空蒸發(fā)鍍膜原理圖,1. 基本加熱電源 2. 真空室 3. 基片架 4. 基片 5. 膜材 6. 蒸發(fā)舟 7. 加熱電源 8. 抽氣口 9. 真空密封 10. 擋板 11. 蒸汽流,蒸發(fā)鍍膜成膜條件,真空條件 蒸發(fā)條件 清洗條件,真空條件 蒸鍍室內(nèi)真空度應(yīng)高于10-2Pa 室內(nèi)殘余氣體的分子到達(dá)基片表面上的幾率膜材的蒸發(fā)速率,蒸發(fā)條件 蒸發(fā)速率應(yīng)足夠大以達(dá)到工藝要求的沉積速率（kg/m2s）,某些金屬蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線,清洗條件

4、 基片應(yīng)進(jìn)行鍍前處理（粗糙度小，表面上無污染物，無氧化化層等）,2.2 蒸發(fā)源,電阻加熱式 電子束加熱式 感應(yīng)加熱式 空心陰極等離子體電阻式加熱式 激光束加熱式,按加熱方式分類：,電阻加熱式蒸發(fā)源 絲狀源與箔狀源,電阻加熱式蒸發(fā)源 鋁蒸發(fā)用坩堝加熱器,電子束加熱式蒸發(fā)源,電子束加熱式蒸發(fā)源 e型槍工作原理示意圖,1.發(fā)射體組件 2.陽極 3.電磁線圈 4.水冷坩堝 5.離子收集板 6.電子收集極 7.電子束軌跡 8.正離子軌跡 9.散射電子軌跡 10.等離子體,電子束加熱式蒸發(fā)源 e型槍電子束偏轉(zhuǎn)角,感應(yīng)加熱式蒸發(fā)源,空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源,1.冷卻水套 2.空心陰極 3.輔助陽極

5、 4.聚束線圈 5.槍頭 6.膜材 7.坩堝 8.聚焦磁場(chǎng) 9.基片,空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源 HCD槍特性,主束電源與引束電源的匹配,輔助陽極孔徑與主束電壓及束流的關(guān)系,氬氣流量與主束電壓的關(guān)系,激光加熱式蒸發(fā)源,1.玻璃衰減器 2.透鏡 3.光圈 4.光電池 5.分光器 6.透鏡 7.基片 8.探頭 9.靶 10.真空室 11.激光器,蒸發(fā)源按形狀分類：,點(diǎn)蒸發(fā)源 小平面蒸發(fā)源 環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形線蒸發(fā)源、環(huán)形平面蒸發(fā)源、環(huán)形柱面蒸發(fā)源 環(huán)形錐面蒸發(fā)源 矩形平面蒸發(fā)源,點(diǎn)蒸發(fā)源 及點(diǎn)源對(duì)平面的蒸發(fā),點(diǎn)蒸發(fā)源的發(fā)射,點(diǎn)源對(duì)平面的蒸發(fā),小平面蒸發(fā)源 及小平面源對(duì)平行平面的蒸發(fā),小平面蒸

6、發(fā)源的發(fā)射,小平面源對(duì)平行平面的蒸發(fā),環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形線蒸發(fā)源,平面基片的環(huán)形線蒸發(fā)源,平行于基片的 環(huán)形線源的膜厚,環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形平面蒸發(fā)源,平行于基片的環(huán)形平面蒸發(fā)源,環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形柱面蒸發(fā)源,環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形錐面蒸發(fā)源,基片與蒸發(fā)源的相對(duì)位置,點(diǎn)蒸發(fā)源的等膜厚球面 1.基片 2.球面工件架 3.點(diǎn)蒸發(fā)源,小平面源的等膜厚面 1.基片 2.球面工件架 3.小平面源,圓形平面源的膜厚分布,間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 立式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 臥式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),2.3 真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),立式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)鍍膜室 1.室體 2.球面行星轉(zhuǎn)動(dòng)基片架 3.膜厚測(cè)量晶體 4.烘烤裝置

7、5.擋板 6.膜材 7.e型槍蒸發(fā)源,間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),單室半連續(xù)真空鍍膜機(jī)鍍膜室,1.照明燈 2.放卷輥 3.基帶 4.導(dǎo)向輥 5.張緊輥 6.水冷輥 7.擋板 8.坩堝 9.送絲機(jī)構(gòu) 10.室體 11.觀察窗 12.抽氣口,半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),送絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 1.坩堝 2.導(dǎo)管 3.膜材絲 4.主動(dòng)輥輪 5. 壓輪 6. 導(dǎo)向輥 7. 支架 8. 繞絲輪,半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),1.室體2.收卷輥3.照明燈4.導(dǎo)向輥5.觀察窗6.水冷輥 7.隔板8.擋板9.蒸發(fā)源10.鍍膜室抽氣口11.橡膠輥 12.銅輥13.烘烤裝置14.放卷輥 15.卷繞室抽氣口,半連

8、續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),蒸發(fā)源的位置 1. 基體 2.蒸發(fā)源,半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),開啟機(jī)構(gòu)示意圖 1.真空室體 2.卷繞機(jī)構(gòu) 3.密封大板 4.動(dòng)力柜 5.行程開關(guān) 6.小車,半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī),2.4 特殊蒸發(fā)技術(shù),閃蒸蒸鍍法 多蒸發(fā)源蒸鍍法 反應(yīng)蒸鍍法 三溫度蒸鍍法,蒸發(fā)鍍膜工藝中應(yīng)考慮的問題,膜厚的均勻性問題 點(diǎn)源、小平面源、蒸距等對(duì)薄膜的影響 基片架的運(yùn)動(dòng)方式 工藝參數(shù)的選擇問題 蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)速率、基片溫度、蒸距、蒸發(fā)壓力等 減小膜基界面上的應(yīng)力提高膜的附著強(qiáng)度（附著力）的問題熱應(yīng)力、淀積內(nèi)應(yīng)力、附加內(nèi)應(yīng)力應(yīng)盡量小 基片鍍前處理與成膜時(shí)對(duì)基片加熱（烘烤、離子轟擊等） 沉積速率的選

9、擇與控制 鍍前對(duì)基片打底膜,3. 真空濺射鍍膜,3.1 濺射鍍膜,濺射： 所謂“濺射”，就是用荷能粒子（通常用氣體正離子）轟擊物體，引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。 濺射鍍膜： 在真空條件下，利用低壓等離子體氣體放電中的濺射現(xiàn)象制備薄膜，即真空濺射鍍膜。,離子轟擊固體表面時(shí)發(fā)生的物理過程,與濺射率有關(guān)的因素,濺射率與靶材有關(guān) 濺射率與入射正離子的能量有關(guān) 濺射率與入射離子的種類有關(guān) 濺射率與離子入射角有關(guān) 濺射率與靶材溫度有關(guān),濺射率與離子能量的關(guān)系,銀、銅鉭金屬的濺射率與能量為45keV的轟擊離子的函數(shù)關(guān)系,濺射率與離子入射角的典型曲線,幾種靶材的濺射率與溫度的關(guān)系,鎳的濺射率與總壓力的

10、關(guān)系曲線,濺射鍍膜特點(diǎn),膜厚可控性和重復(fù)性好。由于濺射鍍膜時(shí)的放電電流和靶電流可分別控制，通過控制靶電流則可控制膜厚 濺射膜與基體之間的附著性好。高能粒子沉積在基體上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了濺射原子與基體的附著力。部分高能粒子產(chǎn)生注入現(xiàn)象，形成偽擴(kuò)散層。等離子區(qū)清洗和激活，凈化且活化基體表面 制膜范圍廣。任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物 濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高,3.2 直流濺射鍍膜,3.2.1直流二極濺射裝置 3.2.2直流偏壓濺射裝置 3.2.3三極或四極濺射裝置,依據(jù)直流輝光放電原理制備薄膜的方法稱為直流濺射鍍膜，其裝置稱為直流濺射裝置。,直流二極濺射裝

11、置原理圖,1.真空室 2.加熱器 3.陰極靶 4.基體（陽極） 5.Ar入口 6.負(fù)高壓電源 7.加熱電源 8.真空系統(tǒng),3.2.1 直流二極濺射裝置,直流偏壓濺射示意圖,1.濺射室 2.陰極 3.基體 4.陽極 5.排氣系統(tǒng) 6.氬氣入口,3.2.2 直流偏壓濺射裝置,1-機(jī)械泵2-閥3-可調(diào)漏泄閥4-低真空計(jì)5-高真空計(jì) 6-陰極7-穩(wěn)定性電極8-電磁線圈9-濺射室10-蒸鍍基體燈絲11-靶12-陽極13-閘閥14-液氨阱15-放氣閥16-液氮阱 17-擴(kuò)散泵18-水冷密封板19-鈦升華泵20-加熱器,1-熱陰極2-穩(wěn)定性電極3-基體 4-陽極5-靶6-線圈7-靶電源,四極濺射裝置,（a）

12、四極濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖 （b）四極濺射裝置的電氣部分,3.2.3 三極或四極濺射裝置,3.3 直流磁控濺射鍍膜,直流磁控濺射鍍膜是在直流濺射裝置中增加了磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)的洛侖茲力束縛陰極靶表面電子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致轟擊靶材的高能離子的增多和轟擊基片的高能電子的減少， “低溫”、“高速”沉積高質(zhì)量薄膜。,磁控濺射原理圖,直流磁控濺射鍍膜特點(diǎn),低溫：電子被正交電磁場(chǎng)約束減少了向基片的磁接，降低了基片同電子轟擊所產(chǎn)生的熱量，使基片溫度降，故磁控濺射又稱為高速低溫濺射。 高速：電子在正交電磁場(chǎng)下增大了運(yùn)動(dòng)路程，使電子與工作氣體分子磁控幾率大大增加從而提高了濺射率，即提高沉積速率。,3.3.2 磁控濺射靶,磁控

13、濺射靶的分類有：同軸圓柱形靶、圓形平面靶、S-槍靶、矩形平面靶、旋轉(zhuǎn)式圓柱形靶及特殊結(jié)構(gòu)靶等。各自結(jié)構(gòu)如下圖所示。,各種磁控濺射靶的結(jié)構(gòu),磁控濺射靶電流-電壓特性,磁控濺射放電均為低壓等離子體放電，其電流-電壓特性基本一致：隨著放電電流的增加，放電電壓均需增高；隨著氣壓的增高，放電電壓下降；磁場(chǎng)影響放電特性。,沉積速率,沉積速率是表征成膜速度的參數(shù)，一般以單位時(shí)間沉積的平均膜厚來表征。影響沉積速率的因素： 氣體壓力 靶-基距 靶電流 最大功率密度 靶材料種類,功率效率,影響功率效率的因素 離子能量 氣壓 磁場(chǎng)強(qiáng)度,各種參數(shù)下的功率效率,間歇式磁控濺射鍍膜機(jī) 半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī) 連續(xù)式磁控濺

14、射鍍膜機(jī),3.3.3磁控濺射鍍膜機(jī),磁控濺射鍍膜機(jī)主要由鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、以及輔助設(shè)備等組成。其中鍍膜室由磁控濺射靶、基片架、烘烤裝置、充氣系統(tǒng)以及測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)等組成。由于濺射靶及工藝連續(xù)性的不同，可分為：,1.底法蘭 2.基片架 3.矩形平面靶 4.矩形擋板 5.烘烤裝置 6. 鐘罩 7.同軸圓柱靶 8.圓形平面靶 9.圓形擋板 10.充氣系統(tǒng) 11.S槍靶 12. 支柱 13. 主動(dòng)轉(zhuǎn)軸 14.密封圈,間歇式多靶磁控 濺射鍍膜機(jī),間歇式磁控濺射鍍膜機(jī),1.進(jìn)料室 2.基片盒 3.閘閥 4.加熱器 5.預(yù)熱室 6.臺(tái)板 7.鍍膜室 8.濺射靶 9.冷卻室 10.成品片 11.取料室

15、 12. 抽氣系統(tǒng),半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī),連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī),典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產(chǎn)線,連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī)鍍膜室,1.密封圈 2. 濺射室上蓋 3. 密封圈 4. 平面磁控濺射陰極 5. 絕緣件 6. 電極導(dǎo)入板（陽極） 7.8.9.隔離擋板 10.濺射鍍膜室殼體 11.真空閥門 12. 隔離擋板 13.輸送輥道,3.4 射頻濺射鍍膜,射頻濺射鍍膜原理圖 1.基片架 2.等離子體 3.射頻濺射靶 4.濺射室 5.匹配網(wǎng)絡(luò) 6.電源 7.射頻發(fā)生器,3.4.1 射頻濺射鍍膜工作原理,射頻頻率通常為13.56MHz。當(dāng)絕緣基板背面的導(dǎo)體處于負(fù)電位時(shí)，等離子體中正離子向基板加速飛

16、行，轟擊絕緣基板使其濺射。這種濺射只能維持10-7秒的時(shí)間,此后在絕緣基板上積累的正電荷形成的正電位抵消了導(dǎo)體基板上的負(fù)電位，因此停止高能正離子對(duì)絕緣基板的轟擊。此時(shí)，如果倒轉(zhuǎn)電源極性，電子就會(huì)轟擊絕緣基板，并在10-9秒時(shí)間內(nèi)中和絕緣基板上的正電荷，使其電位復(fù)零。這時(shí)，再倒轉(zhuǎn)極性，又能產(chǎn)生10-7秒時(shí)間的濺射。如此反復(fù)，即為射頻濺射鍍膜工作原理。,3.4.2 射頻濺射鍍膜裝置,射頻二極濺射裝置 射頻磁控濺射裝置,射頻二極濺射裝置,射頻二極濺射裝置,1-氧氣瓶 2-減壓閥 3-壓力計(jì) 4-可調(diào)漏泄閥 5-檔扳 6-濺射原子 7-暗區(qū) 8-氬離子 9-真空室 10-陰極靶 11-射頻電機(jī) 12-

17、匹配箱 13-功率表 14-靶電源 15-真空計(jì) 16-等離子 17-主閥 18-液氮阱 19-蓋斯勒管20-機(jī)械泵 21-擴(kuò)散泵 22-予抽閥 23-基體架 24-基體,聚束磁場(chǎng)強(qiáng)弱造成放電區(qū)域變化示意圖 （a）發(fā)散型 （b）均勻型 （c）聚束型 1.射頻電源 2.射頻靶 3.濺射室 4.磁場(chǎng)線圈 5.等離子體 6.基體,射頻磁控濺射裝置,濺射靶為磁控濺射靶的射頻濺射裝置稱為射頻磁控濺射裝置，兼有射頻濺射和磁控濺射兩種濺射裝置的優(yōu)點(diǎn)。,射頻濺射靶的結(jié)構(gòu),（a）常規(guī)射頻濺射 （b）射頻磁控濺射 1.進(jìn)水管 2.出水管 3.絕緣子 4.接地屏蔽罩 5.射頻電極6.磁環(huán) 7.磁芯 8.靶材 9.基

18、體 10.基體架,3.5 反應(yīng)濺射鍍膜,在濺射鍍膜時(shí)，有目的地將某種反應(yīng)性氣體引入到濺射室并達(dá)到一定的分壓，可以改變或控制沉積特性，從而獲得不同于靶材的新物質(zhì)薄膜，如各種金屬氧化物、氮化物、碳化物以及絕緣介質(zhì)等薄膜。這種伴隨有化學(xué)反應(yīng)的濺射鍍膜方法稱為反應(yīng)濺射鍍膜。,3.5.1 反應(yīng)濺射的機(jī)理及特性,膜層性質(zhì)與反應(yīng)性氣體和惰性氣體的比例有關(guān),濺射過程中電阻率及電阻溫度系數(shù)與氮分壓的關(guān)系曲線,3.5.2 反應(yīng)濺射鍍膜裝置,間歇式反應(yīng)濺射裝置 半連續(xù)式反應(yīng)濺射裝置,間歇式反應(yīng)濺射裝置,濺射室結(jié)構(gòu) 1.室體 2.磁控濺射靶 3.基片架,半連續(xù)式反應(yīng)濺射裝置,ITO連續(xù)性濺射設(shè)備 1.基片裝卸臺(tái) 2.

19、升降機(jī) 3、5、7、12、14.閘閥 4.進(jìn)片室 6.加熱室 8.低溫泵 9.濺射室 10.濺射靶 11.加熱器 13.出片室 15.傳輸系統(tǒng),3.6 各磁控濺射靶的磁場(chǎng),3.6.1 矩形平面磁控濺射靶的磁場(chǎng),3.6.2 圓形平面磁控濺射靶的磁場(chǎng),圓形平面磁控濺射靶的磁路系統(tǒng) 1.中心磁柱 2.磁環(huán) 3.軛鐵,磁環(huán)的磁場(chǎng),3.6.3 同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場(chǎng),3.6.4 旋轉(zhuǎn)式圓柱形磁控濺射靶的磁場(chǎng),中部橫截面的磁場(chǎng),端部永磁體結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng),3.6.5 S-槍濺射靶的磁場(chǎng),4. 真空離子鍍膜和離子束沉積技術(shù),4.1 真空離子鍍膜,真空離子鍍膜技術(shù)（簡(jiǎn)稱離子鍍）是在真空蒸發(fā)和真空濺射兩種鍍膜技術(shù)

20、基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。離子鍍膜過程中，基片始終受到高能離子的轟擊，與蒸發(fā)鍍和濺射鍍相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。,離子鍍的類型,蒸發(fā)源型離子鍍：通過各種加熱方式加熱鍍膜材料，使之蒸發(fā)產(chǎn)生金屬蒸氣，將其引入以各種方式激勵(lì)產(chǎn)生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子，它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜。 濺射離子鍍：通過采用高能離子對(duì)膜材表面進(jìn)行濺射而產(chǎn)生金屬粒子，金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子，它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜。,離子鍍膜層的沉積離子來源于各種類型的蒸發(fā)源或?yàn)R射源，從離子來源的角度可分成蒸發(fā)源型離子鍍和濺射離子鍍兩大類：,4.1.1離子鍍?cè)砗统赡l件,離子鍍膜原理圖,1-絕緣引線 2-基

21、片架 3-高壓引線 4-陰極暗區(qū) 5-鐘罩 6-輝光放電區(qū) 7-蒸發(fā)源 8-底座,離子鍍?cè)?真空室抽至103104Pa，隨后通入工作氣體（Ar），使其真空度達(dá)到1101Pa，接通高壓電源，在蒸發(fā)源（陽極）和基片（陰極）之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的低溫等離子區(qū)。在負(fù)輝區(qū)附近產(chǎn)生的工作氣體離子進(jìn)入陰極暗區(qū)被電場(chǎng)加速并轟擊基片表面，可有效地清除基片表面的氣體和污物。隨后，使膜材汽化，蒸發(fā)的粒子進(jìn)入等離子區(qū)，并與等離子區(qū)中的正離子和被激發(fā)的工作氣體原子以及電子發(fā)生碰撞，其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，大部分原子達(dá)不到離化的能量，處于激發(fā)狀態(tài)。被電離的膜材離子和工作氣體離子一起受到負(fù)高壓電場(chǎng)加速，以

22、較高的能量轟擊基片和鍍層的表面，并沉積成膜。,離子鍍的成膜條件,一般認(rèn)為入射離子都具有反濺、剝離能力。在離子鍍中，要想沉積成膜，必須使沉積效果大于濺射剝離效果，即成膜條件為： nni n：?jiǎn)挝粫r(shí)間入射到單位基片表面上的金屬原子數(shù) ni：?jiǎn)挝粫r(shí)間轟擊基體表面的離子數(shù) 即當(dāng)沉積作用大于反濺（剝離）作用時(shí)才能制備成膜。,4.1.2 等離子體在離子鍍膜中的作用,在被蒸發(fā)的膜材粒子與反應(yīng)氣體分子之間產(chǎn)生激活反應(yīng)，增強(qiáng)了化合物膜的形成 改變薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致薄膜的物理性能的變化,4.1.3離子鍍膜工藝參數(shù),氣體壓力 蒸發(fā)速率 蒸發(fā)源與基片間距離 沉積速率 基片溫度 基片偏壓,基片偏

23、壓對(duì)膜層密度的影響,離子鍍工藝必須滿足的基本條件,（1）在基片附近要有足夠高的離化率 （2）到達(dá)基片的離子流密度 ji0.77mAcm2s （3）膜材粒子的流通量要滿足 nni,4.1.4 離子鍍膜裝置,直流二極型離子鍍裝置 三極型或多極型離子鍍裝置 ARE活性反應(yīng)離子鍍裝置 空心陰極放電離子鍍裝置,直流二極型離子鍍裝置,1.基片架（陰極） 2.蒸發(fā)源（陽極） 3.室體 4.蒸發(fā)電源 5.高壓起源 6.充氣系統(tǒng) 7.抽氣系統(tǒng),三極型或多極型離子鍍裝置,三極型離子鍍裝置,1.陽極 2.進(jìn)氣口 3.蒸發(fā)源 4.電子吸收極 5.基體 6.電子發(fā)射極 7.直流電源 8.真空室 9.蒸發(fā)電源 10.真空

24、系統(tǒng),1.陽極 2.蒸發(fā)源 3.基體 4.熱電子發(fā)射陰極 5.可調(diào)電阻 6.燈絲電源 7.直流電源 8.真空室 9.真空系統(tǒng) 10.蒸發(fā)電源11.進(jìn)氣口,多陰極離子鍍裝置,ARE活性反應(yīng)離子鍍裝置,1.真空室 2.膜材蒸發(fā)粒子流 3.散射環(huán) 4.探測(cè)極 5.烘烤裝置 6.基片 8.坩堝,空心陰極放電離子鍍裝置,1.冷卻水套 2.空心陰極 3.輔助陽極 4.聚束線圈 5.槍頭 6.膜材 7.坩堝 8.聚焦磁場(chǎng) 9.基片,4.2 真空電弧離子鍍膜,利用真空條件下的弧光放電進(jìn)行基片表面涂層的技術(shù)稱為真空電弧離子鍍膜技術(shù)，簡(jiǎn)稱電弧鍍。真空電弧鍍具有電壓低、成膜快的特點(diǎn)，在制備硬質(zhì)膜和裝飾膜領(lǐng)域有廣泛應(yīng)

25、用。,4.2.1 弧光放電及真空電弧鍍機(jī)理,弧光放電,當(dāng)陰極受到大量高速正離子轟擊而被加熱到高溫時(shí)，因陰極產(chǎn)生顯著的熱電子發(fā)射，從而使等離子體放電中的陰極位降降低，放電電流增大。該陰極位降只需保持陰極區(qū)能量（即電流與陰極位降的乘積），即足以使陰極維持電子熱發(fā)射所需要的溫度，稱之為弧光放電。,真空陰極電弧放電過程機(jī)理,探針的特性曲線,4.2.2 真空電弧鍍蒸發(fā)源,圓形平面電弧鍍蒸發(fā)源 矩形平面電弧鍍蒸發(fā)源 圓柱形電弧鍍蒸發(fā)源 環(huán)形平面電弧鍍蒸發(fā)源 旋轉(zhuǎn)式圓柱形電弧鍍蒸發(fā)源 圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源 陽極真空電弧鍍蒸發(fā)源,圓形平面電弧鍍蒸發(fā)源 1.屏蔽罩 2.密封圈 3.靶材 4.水冷源體 5.磁

26、體 6.引弧極,電弧源電流受力圖,圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源,4.3 離子束輔助沉積技術(shù),離子束輔助沉積技術(shù)是把離子束注入與氣相沉積鍍膜技術(shù)相結(jié)合的離子表面復(fù)合處理技術(shù)。即在鍍膜的同時(shí)，使具有一定能量的離子不斷地入射到膜與基材的界面，借助于級(jí)聯(lián)碰撞導(dǎo)致界面原子混合，在初始界面附近形成原子混合過渡區(qū)，提高膜與基材之間的結(jié)合力，然后在原子混合區(qū)上，再在離子束參與下繼續(xù)生長(zhǎng)出所要求厚度和特性的薄膜。,離子束輔助沉積機(jī)理,利用轟擊離子在膜層中發(fā)生的級(jí)聯(lián)碰撞，增加了沉積膜材原子的遷移，減輕或削除了成膜過程中的陰影效應(yīng) 荷能離子的轟擊，使沉積膜材原子與基片原子之間相互擴(kuò)散，形成一層相互混雜的混合層，提高了膜

27、層對(duì)基片的附著力 離子束的轟擊能提供了膜層原子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的激活能，有利于形成晶態(tài)化合，可在室溫下制備出通常需要在高溫下才能生成的化合物薄膜,離子束輔助沉積技術(shù)分類,蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 濺射鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 低壓反應(yīng)離子鍍的離子束輔助沉積技術(shù),蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術(shù),1.離子束源 2.蒸發(fā)源 3.室體 4.旋轉(zhuǎn)基片架 5.加熱裝置,濺射鍍的離子束輔助沉積技術(shù),1.濺射離子束源 2.輔助離子束源 3.濺射靶 4.旋轉(zhuǎn)基片架 5.烘烤裝置 6.室體,低壓反應(yīng)離子鍍的離子束輔助沉積技術(shù),1.基片 2.離子束源 3.e型槍蒸發(fā)源 4.室體,4.4 離子束沉積技術(shù),離子束沉積技術(shù) 利

28、用離化的粒子作為鍍膜材料，在比較低的基片溫度下形成良好特性的薄膜的鍍膜技術(shù)稱為離子束沉積技術(shù)。,4.4.1 離子束沉積技術(shù)機(jī)理,離子束照射到基片或沉積膜層表面，由于入射離子能量的不同，可以產(chǎn)生沉積、濺射或離子注入效應(yīng)。 離子束沉積技術(shù)要求入射離子的能量必須低于某一臨界值EC，否則，由于濺射作用導(dǎo)致膜層不會(huì)生長(zhǎng)。臨界能量EC可定義為入射離子的濺射率為1時(shí)的能量。,Si基片上進(jìn)行Ge+離子束沉積時(shí)Ge的沉積量與入射離子能量的關(guān)系,4.4.2 離子束沉積技術(shù)的分類,非質(zhì)量分離式離子束沉積技術(shù) 質(zhì)量分離式離子束沉積 技術(shù) 團(tuán)簇離子束沉積技術(shù) 氣固兩用離子束沉積技術(shù),質(zhì)量分離式離子束沉積 技術(shù),1.質(zhì)量

29、分離用偏轉(zhuǎn)磁鐵 2.偏轉(zhuǎn)板 3.沉積室 4.硅基片 5.離子電流 6.四極慮質(zhì)器 7.絕緣子 8.離子加速電源 9.引出電源 10.離子源,團(tuán)簇離子束沉積技術(shù),1.膜材 2.噴射口 3.冷卻水 4.電離化所用電子的引出柵極 5.加速電極 6.熱電偶 7.基片架 8.加熱器 9.基片 10.擋板 11.團(tuán)簇離子及中性粒子團(tuán)束 12.離化用熱電子燈絲 13.坩堝加熱燈絲 14.坩堝 15.冷卻水出口 16.冷卻水入口,氣固兩用離子束沉積技術(shù),1.坩堝 2.陽極筒 3.磁場(chǎng)線圈 4.放電室體 5.燈絲陰極 6.柵極 7.加速極,4.5 分子束外延技術(shù),分子束外延技術(shù),在超高真空系統(tǒng)中，將需要結(jié)晶的材

30、料放入噴射爐（或稱噴射源）內(nèi)加熱使其形成分子束，從爐中噴出后沉積在單晶基片上。基片溫度穩(wěn)定為幾百度，沉積材料在基片上以單晶結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)，從而可獲得單晶薄膜。,分子束外延技術(shù)的特點(diǎn),超高真空條件下進(jìn)行的分子束外延，無污染，純度高 生長(zhǎng)速度緩慢（110m/h） 可獲得大面積的表面和界面具有原子平整度的外延生長(zhǎng)膜 可原位觀察薄膜生長(zhǎng)過程，研究生長(zhǎng)機(jī)制 基片溫度低（Si生長(zhǎng)溫度只需200） 膜層的組分和雜質(zhì)可控制 缺點(diǎn)是生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)，真空度要求太高不易實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)性生產(chǎn),影響分子束外延的因素,外延溫度 基片晶體的擗開 工作真空度 殘余氣體 蒸發(fā)速率 基片表面的缺陷 電場(chǎng) 膜厚,分子束外延裝置,1.蒸發(fā)

31、室 2.俄歇電子譜儀 3.探測(cè)器 4.基片架與加熱器 5.四極質(zhì)譜儀 6. 電子計(jì)算機(jī) 7.電子槍 8. 離子濺射槍 9. 快門 10.噴射爐,電子計(jì)算機(jī)控制的分子束 外延裝置示意圖,4.6 微波電子回旋共振等離子體增強(qiáng)濺射沉積,工作原理,頻率為2.45GHz的微波經(jīng)過矩形波導(dǎo)管、同軸線和天線耦合進(jìn)入等離子體放電室，在磁場(chǎng)強(qiáng)度0.0875T時(shí)，電子回旋運(yùn)動(dòng)與微波場(chǎng)產(chǎn)生共振，電子吸收微波能量，氣體電離，產(chǎn)生高密度ECR等離子體。等離子體在發(fā)散磁場(chǎng)作用下，由放電室出口引入工作室，轟擊基片上沉積的金屬薄膜，形成金屬化合物薄膜。,微波ECR等離子體增強(qiáng)濺射沉積裝置示意圖,1.微波天線 2.石英罩 3.等離子體放電室 4.磁場(chǎng)線圈 5.等離子體因出口 6.工作室 7.基片臺(tái) 8.磁控濺射靶 9.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) p.接真空系統(tǒng),微波等離子體濺射沉積特性,沉積溫度低。AIN、TiN膜沉積溫度約為100，與IBAD沉積溫度相當(dāng) 入射離子與已沉積的金屬原子碰撞，增加已沉積原子的動(dòng)能，增大被俘獲的幾率，加速薄膜沉積 附著強(qiáng)度高。在負(fù)偏壓作用下，入射離子與金屬離子有注入原子層的混合，形成薄膜-基片過渡層，提高附著強(qiáng)度 可制備嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量成分的金屬化合物薄膜 壓力不變，等離子體密度隨放電功率增加而增加；功率不變，等離子體密度隨氣壓增加而增加 具有獨(dú)立的磁控放電特性,課程結(jié)束,謝 謝 大 家！,E N D,