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1、山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院实验一实验一 蒸发与溅射镀膜蒸发与溅射镀膜山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院?镀膜的意义：镀膜的意义： 改变材料表面性质改变材料表面性质 研制新材料研制新材料 缩小元件尺寸缩小元件尺寸?薄膜分类：薄膜分类： 按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄 膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。按其用途可分为光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄 膜、集成光学薄膜、信息存储薄膜、防护功能薄膜等。?薄膜的制备方法薄膜的制备方法 可分为物理法、化学法和物理化学综合法三大类。可分为物理法、化学法和物理化学综合
2、法三大类。 物理法主要指物理法主要指物理气相沉积技术物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition,简称简称PVD)。主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜二 主要形式。主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜二 主要形式。山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院?本实验的具体内容：本实验的具体内容：【实验目的】【实验目的】【实验原理】【实验原理】一 真空蒸发镀膜原理一 真空蒸发镀膜原理二 离子溅射镀膜原理二 离子溅射镀膜原理直流溅射，磁控溅射，射频溅射等直流溅射，磁控溅射，射频溅射等三 蒸发器与薄膜质量三 蒸发器与薄膜质量四 材料的清新四 材料的清新【实验仪器】【实验仪器
3、】【实验步骤】【实验步骤】【思考题】【思考题】山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院?【实验目的】【实验目的】?11掌握真空镀膜原理和真空镀膜的基本方法掌握真空镀膜原理和真空镀膜的基本方法；?2熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术；2熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术；?3了解真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁 度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等因素在薄膜生长过程中对 形成薄膜性质的影响。3了解真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁 度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等因素在薄膜生长过程中对 形成薄膜性质的影响。?1掌握溅射的基本概念；1掌握溅射的基本概念；?2掌握几种2掌握几种
4、主要溅射镀膜法基本原理及其特点主要溅射镀膜法基本原理及其特点；?3掌握3掌握溅射镀膜的基本方法溅射镀膜的基本方法；?4了解背景真空度、基片温度、工作压力、气体流量、溅 射功率等因素在薄膜生长过程中对形成薄膜性质的影响。4了解背景真空度、基片温度、工作压力、气体流量、溅 射功率等因素在薄膜生长过程中对形成薄膜性质的影响。?5学习薄膜厚度的测量方法；5学习薄膜厚度的测量方法；【实验原理】【实验原理】 一 真空蒸发镀膜原理一 真空蒸发镀膜原理1.气化：1.气化：加热至蒸发温度-气化-变成气态分子或原子；加热至蒸发温度-气化-变成气态分子或原子；2.吸附：2.吸附：化学吸附（化学键力）和物理吸附（范德
5、瓦尔斯力），蒸气分子吸附在基片表面上；化学吸附（化学键力）和物理吸附（范德瓦尔斯力），蒸气分子吸附在基片表面上；3. 成核：成核：当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气分子在其表面发生凝结，形成当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气分子在其表面发生凝结，形成“晶核晶核”；4. 成膜：成膜：晶核逐渐长大晶核逐渐长大-形成晶粒形成晶粒-晶粒连成网膜晶粒连成网膜-形成连续薄膜。形成连续薄膜。要求：要使蒸气分子无阻挡地直线达到基片表面，要求：分子平均自由程要求：要使蒸气分子无阻挡地直线达到基片表面，要求：分子平均自由程远大于 蒸发材料 到 基片的距离远大于 蒸发材料 到 基片的距离d。一般要求：平均。
6、一般要求：平均(23)(23)d山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院?气体分子平均自由程（在室温下气体分子平均自由程（在室温下,气体分子直径气体分子直径=3.510-8cm时）：时）：cmppkT n322105 221=根据上式可列出下表根据上式可列出下表P(Pa)100010010110-110-210-3(cm)0.0005 0.0050.050.5550500d)32( =d= /2/3 =16.625 (cm) P 10-2 Pa山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院二 离子溅射
7、原理二 离子溅射原理1、溅射、溅射、溅射装置及辉光放电、溅射装置及辉光放电3、溅射的特点、溅射的特点、溅射类型、溅射类型山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院1溅射1溅射?溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体（称为靶）表 面使其中的原子发射出来溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体（称为靶）表 面使其中的原子发射出来。?实际过程是入射粒子（通常为离子）通过与靶材碰撞， 把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形 成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得 向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。而入射粒子能量 的95%用于激励靶中的晶格热振动，只有5%左右
8、的能量传递给 溅射原子。实际过程是入射粒子（通常为离子）通过与靶材碰撞， 把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形 成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得 向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。而入射粒子能量 的95%用于激励靶中的晶格热振动，只有5%左右的能量传递给 溅射原子。山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院2溅射装置及辉光放电2溅射装置及辉光放电直流溅射装置直流溅射装置辉光放电区V 溅射气体 抽真空绝缘阳极基片溅射靶两极间气体放电体系模型两极间气体放电体系模型山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院直流溅射系统中两极
9、间电流和电压的关系曲线直流溅射系统中两极间电流和电压的关系曲线山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院?直流辉光放电过程的电位分布和等离子体鞘层直流辉光放电过程的电位分布和等离子体鞘层V0 0 V 阴极 阴极电位 阳极 鞘层阴极 鞘层3 溅射的特点3 溅射的特点山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院（1）（1）溅射粒子的平均能量溅射粒子的平均能量比蒸发粒子的平均动能KT高得多， 溅射所获得的薄膜与基片结合较好；(溅射粒子能量达几个电子 伏，而3000K蒸发时粒子的平均动能仅0.26eV)。（2）比蒸发粒子的平均动能KT高得多， 溅射所获得的薄膜与基片结
10、合较好；(溅射粒子能量达几个电子 伏，而3000K蒸发时粒子的平均动能仅0.26eV)。（2）入射离子能量与溅 射率的关系：入射离子能量与溅 射率的关系： 在几千电子伏范围内 溅射率随入射离子能量 的增大而增大。入射离 子能量再增大，溅射率 达到极值；当能量增大 到几万电子伏，离子注 入效应增强，溅射率下 降，如右图。在几千电子伏范围内 溅射率随入射离子能量 的增大而增大。入射离 子能量再增大，溅射率 达到极值；当能量增大 到几万电子伏，离子注 入效应增强，溅射率下 降，如右图。102 103 104 105 106 107 溅射速率?原子/离子? 321溅射阈值 eV山东师范大学物理与电子科
11、学学院山东师范大学物理与电子科学学院?（3）（3）入射离子质量增大入射离子质量增大，溅射率增大。，溅射率增大。?（4）（4）入射离子方向入射离子方向与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增 大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。与靶面法线方向的夹角增大，溅射率增 大(倾斜入射比垂直入射时溅射率大)。?（5）（5）溅射优先溅射优先：单晶靶在密排方向上发生优先溅射。：单晶靶在密排方向上发生优先溅射。?（6）（6）不同靶材不同靶材的溅射率很不相同。的溅射率很不相同。右图：Ar+在 400KV加速电 压下对各种 元素的溅射 产额右图：Ar+在 400KV加速电 压下对各种 元素的溅射 产额山东师范大学物理与电
12、子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院（7）（7）不同溅射气体不同溅射气体的溅射率也不相同，如图1-6的溅射率也不相同，如图1-6图1-6 不同入射离子在 45KV加速电压下对Ag靶 的溅射产额图1-6 不同入射离子在 45KV加速电压下对Ag靶 的溅射产额（8）溅射所得薄膜纯度高，致密性好； （9）溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大 面积基片上获得厚度均匀的薄膜。等。（8）溅射所得薄膜纯度高，致密性好； （9）溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大 面积基片上获得厚度均匀的薄膜。等。4溅射类型4溅射类型 按电极不同可分为按电极不同可分为直流溅射直流溅射，磁控溅射磁控溅射，射
13、频溅射射频溅射、 合金溅射、反应溅射等等。、 合金溅射、反应溅射等等。山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院（1）直流溅射系统：（1）直流溅射系统：优点：优点：装置简单，操作方 便，可在大面积基片上制取 均匀的薄膜等。装置简单，操作方 便，可在大面积基片上制取 均匀的薄膜等。 缺点：缺点：镀膜沉积速率低、只 能溅射金属导电材料等。因 此，仅用于实验室。镀膜沉积速率低、只 能溅射金属导电材料等。因 此，仅用于实验室。辉光放电区V溅射气体抽真空绝缘阳极基片溅射靶 山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院二级直流溅射要达到辉光放电自持，必须满足两个条件：二级
14、直流溅射要达到辉光放电自持，必须满足两个条件： 真空室内充入的气体压强要适度； 阴极-阳极间距要适度。真空室内充入的气体压强要适度； 阴极-阳极间距要适度。（1）如果气压太低或阴 阳极间距太短，在二次 电子打到阳极之前不会 有足够多的离化碰撞出 现； （2）如果气压太高或阴 阳极间距太长，则会使 产生的离子因非弹性碰 撞而减速，当它们打击 靶材时没有足够的能量 来产生二次电子。（1）如果气压太低或阴 阳极间距太短，在二次 电子打到阳极之前不会 有足够多的离化碰撞出 现； （2）如果气压太高或阴 阳极间距太长，则会使 产生的离子因非弹性碰 撞而减速，当它们打击 靶材时没有足够的能量 来产生二次电
15、子。溅射沉积速率与工作气体压力之间 的关系曲线溅射沉积速率与工作气体压力之间 的关系曲线山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院 （2）磁控溅射（2）磁控溅射 磁控溅射法是在靶的背面装上一组磁体磁控溅射法是在靶的背面装上一组磁体，如下图。 在靶的表面形成磁场。，如下图。 在靶的表面形成磁场。二次电子二次电子受到磁场洛仑兹力作用而 返回靶面，受到磁场洛仑兹力作用而 返回靶面，形成形成“跨栏式跨栏式”运动运动，延长了电子的运动轨迹，从而 增加了电子对工作气体的碰撞几率，提高了电离效率和溅射沉 积率。同时使电子能量降低，避免了对基片的强烈轰击。，延长了电子的运动轨迹，从而 增加了
16、电子对工作气体的碰撞几率，提高了电离效率和溅射沉 积率。同时使电子能量降低，避免了对基片的强烈轰击。优点：优点：磁控溅射具有沉积温度低、沉积速率高两大特点；磁控溅射具有沉积温度低、沉积速率高两大特点； 缺点：缺点：只能溅射导电材料或半导体材料。只能溅射导电材料或半导体材料。山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院常用磁控溅射仪主要使用平面结构和圆筒结构，如图1-11所示。常用磁控溅射仪主要使用平面结构和圆筒结构，如图1-11所示。磁控溅射又分为磁控溅射又分为直流(DC)磁控溅射直流(DC)磁控溅射和和射频(RF)磁控溅射射频(RF)磁控溅射山东师范大学物理与电子科学学院山东师范大学物理与电子科学学院（3）射频溅射：可以溅射所有材料，包括绝缘材料（3）射频溅射：可以溅射所有材料，包括绝缘材料 射频溅射是采用高频电磁辐射来维持低压气体辉光放电的 一种镀
