薄膜光学技术-3-2讲义

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1、1,薄膜沉积技术,2,3.4 热蒸发镀膜技术,光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造。 本节将主要介绍用热蒸发方法制造光学薄膜的工艺原理，并将综合讨论影响光学薄膜质量的主要工艺因素。,3,1.电阻加热蒸发,电阻加热蒸发原理：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热，使蒸发源中承放的膜料汽化或升华。 选用蒸发源应考虑的因素： 1. 熔点高，热稳定性好； 2. 蒸发源在工作温度有足够低的蒸气压； 3. 不与膜料反应； 4. 高温下与膜料不相湿润（相渗）；或虽相湿润，但不相溶； 5. 经济实用。,4,电阻热蒸发的优点： 简单，经济，操作方便。 电阻热蒸发的缺点： 不能蒸发高熔点材料； 膜

2、料容易热分解； 膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度差。,5,常用蒸发源材料及其特性,为了尽可能减小蒸发源的污染，薄膜材料的蒸发温度应低于蒸汽压为10-6Pa时所对应的温度。,6,常用蒸发源形状：螺旋丝；泊舟；石墨舟；上加热舟；盒,7,2 电子束加热蒸发,工作原理： 1. 灯丝通大电流，形成热电子发射流： 2. 电子流在电位差为U的电场中被加速至V， 由 得 （ m/S） 例: U=6 10 kV时，v=4.66107 m/S 如此高速! 若聚焦, 能量极高! 3.电子流被加速的同时，由电磁场使其聚成细束，并对准坩埚内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。在极短时间内温度上升到几千度!,8,

3、三种偏转枪,大功率、大范围扫描 较小功率、较小扫描范围, 用于光学薄膜,束斑均匀 扫描速度高 电子束垂直入射,避免灯丝沾污、防止材料落到灯丝,寿命长,结构,9,结构,直式电子枪,C型电子枪,10,优点： 1. 电子束焦斑大小可调，位置可控，既方便小坩埚，也方便大坩埚； 2. 可一枪多坩埚，既易于蒸发工艺的重复稳定，也方便使用多种膜料； 3. 灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长； 4. 使用维修方便。,11,特点,1. 可蒸发高熔点材料（W, Ta, Mo, 氧化物，陶瓷，）； 2. 蒸发速度易控，方便多源同蒸； 3. 可快速升温到蒸发温度，化合物分解小； 4. 膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高

4、，机械强度好。,12,优点：设备简单，大多数材料都可以作为膜层材料蒸发。 缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能。 原因：膜层的微观柱状结构。 改进措施：改中性粒子沉积为带电离子在电场辅助 下的电沉积。,热蒸发镀膜技术的优缺点：,13,3.5 溅射, 用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀件表面凝聚成膜。,14,溅射镀与热蒸发镀相比较： 优点： 膜层在基片上的附着力强； 膜层纯度高： 可同时溅射多种不同成分的合金膜，或化合物。 缺点： 需制备专用镀料； 靶利用率低。,15,3.5.1 辉光放电溅射,工作原理：利用电极间的辉光放电进

5、行溅射。 1.辉光放电基础 气压在110Pa时，高压电极间气体电离形成低压大电流导体，并伴有辉光的气体放电现象。,离子电子与气体分子非弹性碰撞的产物； 等离子体由电子、离子和中性原子组成，对外呈电中性。,16,气体放电 状态特性,AB段 非自持暗放电状态； BC段 自持暗放电状态； CE段 气体击穿，辉光出现，建立稳定放电状态 之前的过度段； EF段 正常辉光放电状态（增加放电功率时，放电电流增大，极间电压不变）； FG段 反常辉光放电状态； GH段 增大放电功率时，电流急遽增大，极间电压反而迅速下降，是辉光放电向弧光放电过度的阶段； H后段 弧光放电状态。,(1). 直流辉光放电,17,.

6、应用 A. 正常辉光放电用于离子源 增大电流时，离子浓度增加，而电压不变，离子能量不变。 B. 反常辉光放电用于溅射 电流电压可调，方便成膜速率和轰击能量的控制。 C. 弧光放电用于弧源离子镀 一源同时完成快速成膜和离子轰击双重功能。,18,辉光放电中的阴极暗区,A. 辉光放电时的极间“光区”“电压”“电荷”分布,没有电荷和压降， 唯一作用是连接负辉光区和阳极,19,B. 阴极暗区（克鲁克斯暗区）,. 只在此区，正离子占优势，可形成明显的冲击阴极的离子流； .两极间压降几乎全部降落在此区，电场对离子的加速作用主要在此区间完成。 辉光溅射就是建立在此实验基础之上，靶材作为阴极，被镀零件作为阳极或

7、偏置，可以放在阴极暗区之外任何方便的地方。,20,(2). 低频交流辉光放电, 用于零件同时双面镀。 两靶交替成为阴阳极，在每半周内，两极间足以建立直流辉光放电。,靶材,靶材,被镀件,21,(3). 射频辉光放电 极间电压变化频率超过10MHz时，电场能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，电极不再要求一定是导体。 因此，可用于溅射任意一种材料。即可以溅射非金属靶，又可以在绝缘体上镀膜。,22,2. 溅射方式,(1). 二极溅射（阴极溅射/直流溅射） 阴极靶材；阳极被镀件。 一般情况下，两极间的距离只是阴极暗区宽度的3 4倍即可。,23,优点： 结构简单，操作方便，可长时间工作。 缺点： 成膜速率

8、低 二极直流辉光放电离化率低（百分之几）所致； 基片温升高（二次电子轰击），不耐高温镀件不宜； 工作气压高，气体对膜层有污染； 不能溅射介质靶材。,二极溅射的优缺点,110Pa,24,(2). 三极/四极溅射,特点： 热阴极与阳极间的低压大电流弧光放电形成等离子体，靶和基片虽置于等离子体边缘，但不参与放电； 靶上施加负偏压，将离子从等离子体引向靶，形成溅射镀。四极溅射相对三极溅射在热阴极前增设了一个辅助阳极，有稳定放电的作用。 优点：离子密度高， 工作气压低， 成膜速率快， 基片温升低。 缺点：仍不能溅射介质靶。,为了克服二极溅射基片温升高,有稳定电极为四极溅射， 无稳定电极为三极溅射。,25

9、,(3). 射频溅射,靶材作为一个电极，其上施加高频电压，穿过靶的是位移电流。 优点：可溅射介质靶材；工作电压和气压均较直流放电低. 缺点：成膜速率低；仍有基片过热问题。,为了克服直流溅射不能溅射介质靶材问题,26,3.5.2 磁控溅射, 平行于阴极表面施加强磁场，将电子约束在阴极靶材表面近域，提高电离效率。 常见结构 1. 被镀件参与放电（阳极）型： 平面磁控溅射,靶为平面阴极, 平行于阴极表面的磁场将电子约束在阴极靶材表面附近, 形成高密度等离子体, 有效地提高溅射速度; 并减少了轰击零件的电子数目, 降低了零件因电子轰击的温升。,27,柱面磁控溅射,a,b中，电子反射面： 减少二次电子的

10、端部损失， 防止二次电子逃逸。,C,d中，弯曲的磁场： 也可防止二次电子的逃逸。,28,2. 被镀件不参与放电型磁控溅射源,在磁控器内自设一个阳极，形成一个可独立工作的溅射源。被镀件独立于溅射源之旁。 S枪型磁控溅射源 平面磁控溅射源：阳极是平行置于阴极靶旁的条形或园环形金属。,电子在正交电磁场的作用下作旋轮式运动，并以这种形式沿跑道转圈。,29,磁控溅射的特点： 1. 电场与磁场正交设置，约束电子在靶面近域，致使靶面近域有高密度等离子体，溅射速率很高； 2. 磁控溅射源相对被镀件独立，基片不再受电子轰击而升温，可对塑料等不耐高温的基片实现溅射镀； 3. 磁控溅射源可以象热蒸发源一样使用，从而

11、使被镀件的形状和位置不再受限制。,30,磁控溅射的新技术非平衡磁控溅射,31,3.5.3 离子束溅射,用离子源发射的离子束直接轰击靶材，使其溅射、沉积到零件表面成膜。,专门的离子发射装置（离子源）,32,离子束溅射的特点,1. 溅射出的膜料粒子能量有几十eV，比常规溅射高，致使：膜层附着力强，结构致密； 2. 利用束流能量的可调控性，可定量研究溅射率及膜层质量与离子束性能参数之间的关系； 3. 溅射率与离子能量、离子束入射角和靶材等有关（不同质靶材的溅射率差别不超过一个数量级）； 4. 膜层应力随离子束参数改变而可调控。,33,3.5.4 离子、靶材与溅射率,热蒸发中影响蒸发速率的是膜料的汽化

12、温度和蒸发源的加热温度。 在溅射镀膜中，影响溅射速率的靶材的溅射率和溅射装置的功率。 溅射率又称溅射产额，定义为一个入射离子可以击出的靶材原子数。,34,1). 与入射离子能量 2). 与入射离子种类 3).与离子入射角 4).与靶材（被溅射物质种类）,1.溅射率（溅射产额）与入射离子的关系,35,入射的Ar+离子能量对溅射产额的影响,离子入射角度对溅射产额的影响,36,溅射产额,被溅射物质种类对溅射产额的影响,入射离子种类对溅射产额的影响,37,2.合金膜和化合物膜,(1).化合物膜 用化合物靶，辅之以反应气体； 用金属靶和反应气体。 (2). 合金膜 合金靶 镶嵌靶 多靶同置,各种不同结构

13、的镶嵌靶,38,离子镀兼有热蒸发的高成膜速率和溅射的高能离子轰击膜层的双优效果。,1. 原理,膜料仍是加热蒸发，但蒸发源设置为阳极，工件为阴极，在其间施加高电压，并充工作气体至110-1Pa,形成辉光放电，膜料原子部分被离化，在强电场加速下轰击并沉积在零件表面。,3.6 离子镀,膜料加热,-1-5kV,39,2. 离子镀的特点,1. 膜层附着力强 注入和溅射所致。 2. 绕镀性好原理上，电力线所到之处皆可镀上膜层，有利于面形复杂零件膜层的镀制。 3. 膜层致密高能离子轰击破坏了膜层柱状结构的形成。 4. 成膜速率高热蒸发的成膜速率。 5. 可在任何材料的工件上镀膜绝缘体可施加高频电场。,40,

14、3. 离子镀的常见类型,蒸发源：任何一种热蒸发方式。 离化方式：直流辉光放电； 高频辉光放电； 弧光放电； 电子束型； 热电子型； 已形成的实用技术有：活化反应离子镀； 空心阴极离子镀；弧源离子镀；,41,（1）活化反应离子镀(ARE),1). 工作原理：,工作气体和蒸发膜料蒸气在电子枪散焦电子和膜料发射二次电子以及外加高压作用下，通过辉光放电，发生强烈化学反应，生成化合物沉积在被镀件表面。,42,2). 活化离子镀的种类, 基本型（ARE）：工件不加偏压； 负偏型（ BARE）：工件加负偏压15KV； 低压等离子体沉积(LPPD)：工件与活化电极合并； 强化型（EARE）：专设热电子发射极，

15、提高等离子体浓度和膜料粒子离化率； 双电子枪型：专设一个电子枪发射辉光放电所需的电子。其特点是：能够将电子约束在电子枪蒸发源的上方，使蒸发源上方具有很强的等离子体浓度，以增强离化率； 等离子体源型：专设一个等离子体发生器，其内发生辉光放电，等离子体被外扩引出到蒸发源上方，蒸气穿过等离子体时被离化。,43,(2). 空心阴极离子镀（HCD）,1).工作原理用空心阴极电子枪取代前述e型电子枪而成。,HCD既是蒸发源， 又是离化源,异常辉光发电下，离子轰击阴极钽管，钽管发射大量的电子参与放电,电子轰击阳极膜料，离子与膜料原子碰撞，产生高速中性粒子和离子,负偏压基片,44,2). 空心阴极离子镀（HC

16、D）的特点,HCD既是蒸发源，又是离化源。 从HCD枪引出的是离子、电子混合束。 与高压电子枪相比，HCD枪的优点是：可在1010-2 Pa的宽气压范围稳定工作，不象高压电子枪只能工作在气压低于10-1Pa； 低压大电流电源较高压电源简单安全操作方便。,45,(3).弧源离子镀（多弧离子镀）,1). 电弧蒸发源及其特性 引弧机构： 图中采用接触短路引弧器，是一种完成类似电焊引弧动作的结构装置。在接触引弧的瞬间，引弧点形成高温，致使金属靶材蒸发，极间电场使金属蒸气原子离化，并依靠离化金属维持弧光放电。 磁场稳弧 加磁场后：阴极弧斑被约束在靶面 内；弧斑被分成均匀分布的微小 弧斑，形成均匀刻蚀并消除了熔滴。 水冷稳弧阴极靶面温度过高将导致放电不稳或灭弧。,46,2). 弧源离子镀的特点,1. 蒸发