真空镀膜技术基础张以忱

经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。东北大学第八期《真空技术》培训班经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。主讲人：张以忱真空镀膜技术基础VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China《真空技术》一.真空技术概况（巴德纯）二.真空工程理论基础（张世伟）三.干式真空泵原理与技术基础（巴德纯）四.真空系统组成与设计基础（刘坤）五.真空获得设备原理与技术基础（张以忱）六.真空测量技术基础（刘玉岱）七.真空镀膜技术基础（张以忱）八.质谱原理与真空检漏（刘玉岱）九.真空冶金技术基础（王晓冬）十.真空与低温技术及设备（徐成海）东北大学第八期培训系列之VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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.真空离子镀膜和离子束沉积技术VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.真空镀膜概论VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1真空镀膜技术真空镀膜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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3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）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空表面处理技术的分类VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China各种干式镀膜技术的比较VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4真空镀膜的应用薄膜的应用非常广泛，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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China薄膜的应用VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.真空蒸发镀膜VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.1真空蒸发镀膜原理将膜材置于真空中，通过蒸发源对其加热使其蒸发，蒸发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。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China蒸发镀膜成膜条件真空条件蒸发条件清洗条件VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空条件蒸镀室内真空度应高于10-2Pa室内残余气体的分子到达基片表面上的几率膜材的蒸发速率10NL~Nλ曲线VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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）某些金属蒸气压与温度的关系曲线VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China清洗条件基片应进行镀前处理（粗糙度小，表面上无污染物，无氧化化层等）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.2蒸发源电阻加热式电子束加热式感应加热式空心阴极等离子体电阻式加热式激光束加热式按加热方式分类：VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China电阻加热式蒸发源——丝状源与箔状源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China电阻加热式蒸发源——铝蒸发用坩埚加热器VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China电子束加热式蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China电子束加热式蒸发源——e型枪电子束偏转角VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China感应加热式蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源——HCD枪特性主束电源与引束电源的匹配辅助阳极孔径与主束电压及束流的关系氩气流量与主束电压的关系VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China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VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China蒸发源按形状分类：点蒸发源小平面蒸发源环形蒸发源环形线蒸发源、环形平面蒸发源、环形柱面蒸发源环形锥面蒸发源矩形平面蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China点蒸发源及点源对平面的蒸发点蒸发源的发射点源对平面的蒸发VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China小平面蒸发源及小平面源对平行平面的蒸发小平面蒸发源的发射小平面源对平行平面的蒸发VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China环形蒸发源——环形线蒸发源平面基片的环形线蒸发源平行于基片的环形线源的膜厚VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China环形蒸发源——环形平面蒸发源平行于基片的环形平面蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China环形蒸发源——环形柱面蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China环形蒸发源——环形锥面蒸发源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China基片与蒸发源的相对位置点蒸发源的等膜厚球面1.基片2.球面工件架3.点蒸发源小平面源的等膜厚面1.基片2.球面工件架3.小平面源VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China圆形平面源的膜厚分布VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China间歇式真空蒸发镀膜机立式真空蒸发镀膜机卧式真空蒸发镀膜机半连续式真空蒸发镀膜机2.3真空蒸发镀膜机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China立式真空蒸发镀膜机镀膜室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7.e型枪蒸发源间歇式真空蒸发镀膜机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China单室半连续真空镀膜机镀膜室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.抽气口半连续式真空蒸发镀膜机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China送丝机构的结构1.坩埚2.导管3.膜材丝4.主动辊轮5.压轮6.导向辊7.支架8.绕丝轮半连续式真空蒸发镀膜机VacuumandFluidEngineeringResearchCenterof