真空镀膜技术基础

毕英慧真空镀膜技术基础2011.8.25主要内容1真空镀膜概论2真空蒸发镀膜3真空溅射镀膜4真空离子镀膜1.1真空镀膜技术真空镀膜技术在真空条件下利用某种方法，在固体表面上镀一层与基体材料不同的薄膜材料，也可以利用固体本身生成一层与基体不同的薄膜材料，即真空镀膜技术。1真空镀膜概论1.2真空镀膜特点在真空条件下镀膜，膜不易受污染，可获得纯度高、致密性好、厚度均匀的膜层。膜材和基体材料有广泛的选择性，可以制备各种不同的功能性薄膜。薄膜与基体附着强度好，膜层牢固。对环境无污染。1.3真空镀膜技术分类物理气相沉积（PVD）如：热蒸发沉积、溅射沉积、离子镀和分子束外延。化学气相沉积（CVD）如：热化学气相沉积、光化学气相沉积、等离子体化学气相沉积。物理-化学气相沉积（PCVD）表1真空表面处理技术的分类表2各种干式镀膜技术的比较1.4真空镀膜的应用真空镀膜的应用非常广泛，它可以应用于电子、机械、光学、能源、轻工、食品、建筑、装饰等工业方面以及传感器、变换器等。此外，塑料表面金属薄膜以及金属表面的塑料薄膜广泛应用于日常生活各方面。表3薄膜的应用2真空蒸发镀膜2.1真空蒸发镀膜原理2.1.1真空蒸发镀膜的物理过程将膜材置于真空室内的蒸发源中，在高真空条件下，通过蒸发源加热使其蒸发，膜材蒸气的原子或分子从蒸发源表面逸出。由于高真空气氛，真空室中气体分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸，故此蒸汽分子很少与其它分子相碰撞，以直线方式达到基片表面，通过物理吸附和化学吸附凝结在基片表面，形成薄膜。这就是真空蒸发镀膜的基本原理。图2-1真空蒸发镀膜原理图1.基本加热电源2.真空室3.基片架4.基片5.膜材6.蒸发舟7.加热电源8.抽气口9.真空密封10.挡板11.蒸汽流真空蒸发镀膜从物料蒸发输运到沉积成膜，经历的物理过程为：1）采用各种能源方式转换成热能，加热膜材使之蒸发或升华，成为具有一定能量（0.1～0.3eV）的气态粒子（原子、分子或原子团）；2）离开膜材表面，具有相当运动速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基片表面；3）到达基片表面的气态粒子凝聚形核后生长成固相薄膜；4）组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。2.1.2蒸发镀膜成膜条件2.1.2.1蒸发过程中的真空条件当真空容器内蒸气分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离时，就会获得充分的真空条件。L：蒸发源与基片的距离，即蒸距；λ：气体分子的平均自由程；N1：从蒸发源蒸发出来的蒸气分子数；N0：在相距为L的蒸发源与基片之间发生碰撞而散射的蒸气分子数；图2-2N1/N0与L/λ的关系曲线1）在真空蒸发镀膜设备中，真空镀膜室的起始真空度必须高于10-2Pa，至少为10-3Pa。2）由于残余气体在蒸镀过程中对膜层的影响很大，因此要求膜材蒸气分子到达基片表面的速率高于残余气体分子到达基片表面上的速率，以减少残余气体分子对膜层的撞击和污染，提高膜层的纯度。2.1.2.2镀膜过程中的蒸发条件蒸发速率应足够大，以达到工艺要求的沉积速率（kg/m2s）。图2-3某些金属蒸气压与温度的关系曲线基片应进行镀前处理，使其粗糙度小，表面上无污染物，无氧化化层等。2.1.2.3镀膜前基片的清洗2.2蒸发源蒸发源是用来加热膜材使之汽化蒸发的装置。按加热方式分类电阻加热式电子束加热式感应加热式空心热阴极等离子体电子束式激光束加热式2.2.1电阻加热式蒸发源---最简单电阻加热式蒸发源材料需具有以下特点：（1）高熔点。必须高于待蒸发膜材的熔点。（2）低饱和蒸气压。保证足够低的自蒸发量，不至于影响系统真空度和污染膜层。（3）化学性能稳定。在高温下不应与膜材发生反应生成化合物或合金化。图2-4电阻加热式蒸发源——丝状源与箔状源图2-5电阻加热式蒸发源——蒸发用坩埚加热器2.2.2电子束/枪加热式蒸发源---现在应用较多电子束加热式蒸发源是利用热阴极发射电子在电场作用下成为高能量密度的电子束直接轰击到镀料上。电子束的动能转化为热能，使镀料加热汽化，完成蒸发镀膜。电子束加热蒸发的优点：（1）电子束加热比电阻加热具有更高的能量密度，可以蒸发高熔点材料，如W、Mo、Al2O3等，并可得到较高的蒸发速率；（2）被蒸发材料置于水冷铜坩锅内，可避免坩埚材料污染，可制备高纯薄膜；（3）电子束蒸发粒子动能大，有利于获得致密、结合力好的膜层。电子束加热蒸发的缺点：（1）结构较复杂，设备价格较昂贵；（2）若蒸发源附近的蒸气密度高，电子束流和蒸气粒子之间会发生相互作用，电子的能量将散失和轨道偏移；同时引起蒸气和残余气体的激发和电离，会影响膜层质量。图2-6电子束加热式蒸发源——e型枪工作原理示意图1发射体组件2阳极3电磁线圈4水冷坩埚5离子收集板6电子收集极7电子束轨迹8正离子轨迹9散射电子轨迹10等离子体图2-7电子束加热式蒸发源——e型枪电子束偏转角2.2.3感应加热式蒸发源---过去应用较多，现在应用不多利用高频电磁场感应加热膜材使其汽化蒸发的装置称为感应加热式蒸发源。缺点：不易对输入功率进行微调。感应加热式蒸发源具有如下特点：1）蒸发速率大。在卷绕蒸发镀膜中，比电阻加热式蒸发源高10倍左右；2）蒸发温度均匀稳定，不易产生液滴飞溅现象，提高膜层质量。3）蒸发源一次装料，无需送丝机构，温度控制比较容易，操作简单。4）对膜材纯度要求略宽些，可降价膜材的生产成本。5）坩埚温度较低，坩埚材料对膜层污染较少。图2-8感应加热式蒸发源2.2.4空心热阴极电子束等离子体蒸发源---由于阴极钽管特贵，现在应用不多特点：1）形成高密度等离子体放电，通过阴极的气体可大部分被电离；2）阴极温度可高达3200K，电子束的电流密度高而且可在坩埚上方激发电离膜材的蒸发原子，其离化率可达20%。3）基片上加10～100V负偏压时可实现金属离子轰击基片且沉积成膜，因此膜层的附着强度好；4）由于在低电压大电流状态下工作，因此较安全且易于自动控制；5）阴极寿命长、结构简单。图2-9空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源1.冷却水套2.空心阴极3.辅助阳极4.聚束线圈5.枪头6.膜材7.坩埚8.聚焦磁场9.基片2.2.5激光加热式蒸发源---工厂不用，加工精密特殊功能的材料用其原理是利用激光源发射的光子束的光能作为加热膜材的热源，使膜材吸热汽化蒸发。图2-10激光加热式蒸发源1.玻璃衰减器2.透镜3.光圈4.光电池5.分光器6.透镜7.基片8.探头9.靶10.真空室11.激光器2.3.1间歇式真空蒸发镀膜机1)立式真空蒸发镀膜机2)卧式真空蒸发镀膜机2.3.2半连续式真空蒸发镀膜机2.3真空蒸发镀膜机1室体2球面行星转动基片架3膜厚测量晶体4烘烤装置5挡板6膜材7e型枪蒸发源2.3.1间歇式真空蒸发镀膜机图2-11立式真空蒸发镀膜机镀膜室1照明灯2放卷辊3基带4导向辊5张紧辊6水冷辊7挡板8坩埚9送丝机构10室体11观察窗12抽气口2.3.2半连续式真空蒸发镀膜机图2-12单室半连续真空镀膜机镀膜室蒸发镀膜工艺中应考虑的问题膜厚的均匀性问题；点源、小平面源、蒸距等对薄膜的影响；基片架的运动方式；工艺参数的选择问题，如蒸发温度、蒸发速率、基片温度、蒸距、蒸发压力等；减小膜基界面上的应力提高膜的附着强度（附着力）的问题（热应力、淀积内应力、附加内应力应尽量小）基片镀前处理与成膜时对基片加热（烘烤、离子轰击等）沉积速率的选择与控制镀前对基片打底膜。3真空溅射镀膜---现在应用最多3.1溅射镀膜溅射用高能粒子（通常是由电场加速的正离子）轰击固体表面，固体表面的原子、分子与入射的高能粒子交换动能后从固体表面飞溅出来的现象。溅射出来的原子（或原子团）具有一定的能量，它们可以重新沉积凝聚在固体基片表面上形成薄膜。溅射镀膜在真空条件下，利用低压等离子体气体放电中的溅射现象制备薄膜，即真空溅射镀膜。真空溅射镀膜图3-1离子轰击固体表面时发生的物理过程与溅射率有关的因素溅射率与靶材有关溅射率与入射正离子的能量有关溅射率与入射离子的种类有关溅射率与离子入射角有关溅射率与靶材温度有关溅射镀膜特点膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流和靶电流可分别控制，通过控制靶电流则可控制膜厚。溅射膜与基体之间的附着性好。高能粒子沉积在基体上进行能量转换，增强了溅射原子与基体的附着力。部分高能粒子产生注入现象，形成伪扩散层。等离子区清洗和激活，净化且活化基体表面。制膜范围广。任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。3.2直流溅射镀膜依据直流辉光放电原理制备薄膜的方法称为直流溅射镀膜，其装置称为直流溅射装置。3.2.1直流二极溅射直流二极溅射是在溅射靶材上施加直流负电位（称阴极靶），把阳极作为放置被镀工件的基片架。图3-2直流二极溅射装置原理图1真空室2加热器3阴极靶4基体（阳极）5氩气入口6负高压电源7加热电源8真空系统3.2.2直流三极或四极溅射1）直流三极溅射三极溅射中的三极是指阴极、阳极和靶极。直流三极溅射是在二极溅射装置中引入热灯丝阴极和与之相对的阳极，灯丝阴极连接机壳接地（规定电位为零），阳极为50～100V。靶电极阳极基片热灯丝阴极高压（-Ve）+100V图3-3直流三极溅射原理图2）直流四极溅射四极是指在三极的基础上再加上辅助阳极（稳定电极），辅助阳极的作用是稳定热电子发射及中心部位的等离子区。1热阴极2辅助阳极3基片4阳极5靶6等离子体聚束线圈7靶电源图3-4直流四极溅射装置原理图3.3直流磁控溅射镀膜直流磁控溅射镀膜是在直流溅射阴极靶中增加了磁场，利用磁场的洛仑兹力束缚和延长电子在电场中的运动轨迹，增加电子与气体原子的碰撞机会，导致气体原子的离化率增加，使得轰击靶材的高能离子增多和轰击基片的高能电子的减少，“低温”、“高速”沉积高质量薄膜。图3-5磁控溅射原理图3.3.1磁控溅射靶磁控溅射靶的分类有：同轴圆柱形靶、圆形平面靶、S-枪靶、矩形平面靶、旋转式圆柱形靶及特殊结构靶等。图3-6各种磁控溅射靶的结构3.3.2直流磁控溅射镀膜特点低温：电子被正交电磁场约束减少了向基片的磁接，降低了基片同电子轰击所产生的热量，使基片温度降，故磁控溅射又称为高速低温溅射。高速：电子在正交电磁场下增大了运动路程，使电子与工作气体分子磁控几率大大增加从而提高了溅射率，即提高沉积速率。3.3.2.1磁控溅射靶电流-电压特性磁控溅射放电均为低压等离子体放电，其电流-电压特性基本一致：随着放电电流的增加，放电电压均需增高；随着气压的增高，放电电压下降；磁场影响放电特性。3.3.2.2沉积速率沉积速率是表征成膜速度的参数，一般以单位时间沉积的平均膜厚来表征。影响沉积速率的因素：气体压力靶-基距靶电流最大功率密度靶材料种类间歇式磁控溅射镀膜机半连续式磁控溅射镀膜机连续式磁控溅射镀膜机3.3.3磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机主要由镀膜室、抽气系统、电控系统、以及辅助设备等组成。其中镀膜室由磁控溅射靶、基片架、烘烤装置、充气系统以及测试监控系统等组成。由于溅射靶及工艺连续性的不同，可分为：1底法兰2基片架3矩形平面靶4矩形挡板5烘烤装置6钟罩7同轴圆柱靶8圆形平面靶9圆形挡板10充气系统11S枪靶12支柱13主动转轴14密封圈图3-7间歇式磁控溅射镀膜机1进料室2基片盒3闸阀4加热器5预热室6台板7镀膜室8溅射靶9冷却室10成品片11取料室12抽气系统图3-8半连续式磁控溅射镀膜机图3-9连续式磁控溅射镀膜机镀膜室1密封圈2溅射室上盖3密封圈4平面磁控溅射阴极5绝缘件6电极导入板（阳极）7.8.9.隔离挡板10溅射镀膜室壳体11真空阀门12隔离挡板13输送辊道3.4射频溅射镀膜图3-10射频溅射镀膜原理图3.4.1射频溅射镀膜工作原理1基片架2等离子体3射频溅射靶4溅射室5匹配网络6电源7射频发生器射频频率通常为13.56MHz。当绝缘基板背面的导体处于负电位时，等离子体中正离子向基板加速飞行，轰击绝缘基板使其溅射。这种溅射只能维持10-7秒的时间,此后在绝缘基板上积累的正电