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1、1真空镀膜技术 -磁控溅射2009.11.252主要内容 真空镀膜系统 蒸发镀膜技术 （磁控）溅射镀膜技术重点掌握镀膜原理3镀膜技术溶液镀膜技术PVDPVD真空镀膜技术蒸发镀膜溅射镀膜CVDCVD化学气相沉积化学气相沉积 化学反应沉积 Sol-Gel技术 阳极氧化技术 电镀技术 LB技术光学薄膜其它物理镀膜方法：其它物理镀膜方法：MBEMBE，PLDPLD气相气相液相：液相：4镀膜历史与发展趋势化学镀膜 CLD （化学气液相沉积 ）保护膜1817年减反射膜1930年出现了油扩散泵机械泵抽气系统 （条件）真空镀膜 PVD （物理气相沉积）蒸镀磁控溅射1935年单层减反射膜 1938年双层减反射膜
2、 1965年三层减反射膜 1937年通用公司第一盏镀铝灯 1939年介质薄膜型干涉滤管片1970年出现磁控溅射技术 1975年磁控溅射设备商品化 80年代后磁控溅射技术工业化5真空镀膜系统组成真空镀膜系统： 1.真空系统 2.蒸发/溅射系统 3.测量控制系统6真空获得设备 高真空扩散泵低真空机械泵（组）低温冷阱 高真空分子泵低真空机械泵（组）真空系统组成低真空机械泵的作用： 预抽真空：高真空泵的启动压力 作为高真空泵的前级泵真空获得设备真空测量仪器真空测量 低真空规（热偶规，电阻规） 高真空规（热阴极电离规） 超高真空规（BA电离规）7常用真空泵 （注意区分有无油污染） 1.气体传输泵：吸入气
3、体，再排出 变容原理：油封旋片机械泵，罗茨泵 动量传递原理：分子泵、扩散泵真空泵2.气体捕集泵：利用工作物质对气体分子的吸附 或者凝结作用抽除容器内的气体 例如：低温泵，吸附泵8 工作原理：真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。真空蒸镀属于物理气相沉积法。 由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又称热蒸发法。第一部分 真空蒸镀该图为真空蒸发镀膜原理示意图。主要部分有：(1)真空室，为蒸发过程提供必要的真空环境；(2) 蒸发源或
4、蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；(3) 基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜：10加热方法： 1.电阻加热 优点：简单、经济、操作方便 缺点： 不能蒸发高熔点的材料 膜料容易分解 膜料粒子沉积到基板的动能低，膜层疏松 2. 电子束加热 优点： 可蒸发高熔点材料（W，Mo，Ta，氧化物，陶瓷） 可快速升温，化合物膜料不易分解 膜料粒子沉积到基板的动能高，填充密度大，机械性能好真空蒸镀真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程：(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程。 即蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因 此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到
5、固相的相转变过程。 (2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运。即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及从蒸发源到基片之间的距离，常称源-基距。(1)加热蒸发过程 包括由凝聚相转变为气相 (固相或液相-气相)的相变过程。每种蒸发物质在不 同温度时有不相同的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中 有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间所谓“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶)、 使固体原子(或分子)从表面溅射出的现象。射出的 粒子大多呈原子状态常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性 粒子，因为离
6、子在电场下易于加速并获得所需动 能，因此大多采用离子作为轰击粒子。该粒子又 称入射离子。第二部分 溅射镀膜法第二部分 溅射镀膜法溅射这一物理现象是130多年前格洛夫(Grove)发现的，现已广泛地应用于各种薄膜的制备之中。如用于制备金属、 合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜。以及化合物半导 体薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至高Tc超导薄膜等。 与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。溅射的两种用途淀积和刻蚀是溅射过程的两种应用。溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有如下的特点：(1)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。不论是金属、半 导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块
7、状、粒状的物质都可以作为靶材。 由于溅射氧化物等绝缘材料和合金时，几乎不发生分解和分馏，所以可用于制备与靶材料组分相近的薄膜和组分均匀 的合金膜，乃至成分复杂的超导薄膜。 此外，采用反应溅射法还可制得与靶材完全不同的化合物 薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。溅射镀膜的特点(2)溅射膜与基板之间的附着性好。 由于溅射原子的能量比蒸发原子能量高1-2个数量级，因此高能粒子淀积在基板上进行能量转换，产生较高的热能，增 强了溅射原子与基板的附着力。 而且，一部分高能量的溅射原子将产生不同程度的注入现象 ，在基板上形成一层溅射原子与基板材料原子相互“混溶”的所谓扩散层。 此外，在溅射粒子的轰击过
8、程中，基板始终处于等离子区中 被清洗和激活，清除了附着不牢的淀积原子，净化且活化基 板表面。因此，使得溅射膜层与基板的附着力大大增强。溅射镀膜的特点(3)溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高。因为在溅射镀膜过程中，不存在真空蒸镀时无法避免的坩埚 污染现象。(4)膜厚可控性和重复性好。溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好，能够有 效地镀制预定厚度的薄膜。此外溅射镀膜还可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜溅射镀膜的特点溅射镀膜(主要是二极溅射)的缺点是：1. 溅射设备复杂、需要高压装置，溅射淀积的成膜速 率低，真空蒸镀淀积速率为0.15m/min，而溅射速 率则为0.010.5m/min
9、。2. 基板温升较高和易受杂质气体影响等。但是，由于射频溅射和磁控溅射技术的发展，在实现 快速溅射淀积和降低基板温度方面已获得了很大的 进步。溅射镀膜的特点溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅 射过程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子都来 源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。溅射的基本原理溅射过程包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向 基片的迁移和在基板上成膜的过程。1靶材的溅射过程靶材的溅射过程当入射离子在与靶材
10、的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获得的能量超过其结合能时，才可 能使靶原子发生溅射。这是靶材在溅射时主要发生的 一个过程。实际上，溅射过程十分复杂，当高能入射离子轰击固体 表面时，还会产生如图所示的许多效应。 溅射过程溅射过程-离子轰击固体表面所引起的各种效应溅射系统的主要缺点是淀积速率较低，特别是阴极溅射，因 为它在放电过程中只有大约0.30.5的气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率 。磁控溅射 特点：利用磁场与电子交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行， 从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞 向靶面从而溅射出靶材。 -磁
11、控溅射 引入了正交电磁场：对许多材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。磁控溅射的工作原理如图所示: 电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞， 使其电离出Ar和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生 溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子则淀积在基片上形成薄膜 。二次电子e一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。 磁控溅射工作原理 23磁控溅射工作原理 Substrate Mo Si 为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受 电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首 先在
12、阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并 且是垂直于磁力线运动的。在这种情况下，电子由于受到磁场B洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。电子旋转半周之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当 电子接近靶面时，速度降到零。 磁控溅射工作原理 此后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电子就这 样周而复始，跳跃式地朝E(电场)B(磁场)所指的方向漂移(见图3-40)，简称EB漂移。电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就 以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。 二次电子在环状磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶 表面的
13、等离子体区域内，在该区中电离出大量的Ar离子用来轰击靶材，从 而实现了磁控溅射淀积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量 消耗殆尽，逐步远离靶面。并在电场E的作用下最终沉积在基片上。 由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较 低。另外对于e2类电子来说，由于磁极轴线处的电场与磁场平行，电 子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，所以e2电子 很少，对基片升温作用极微。 磁控溅射工作原理 综上所述，磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向、并束缚和延长电子的运动轨迹、从而提高了电子对工作气体的电离几率 和有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材
14、轰击所引起的靶材溅 射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时 才沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”，“高速“。两大特点的道理。26磁控溅射工作原理 2728 直流磁控溅射（DC-MS） 射频磁控溅射（RF-MS）1直流辉光放电溅射是在辉光放电中产生的，因此，辉光放电是溅射的 基础。辉光放电是在真空度约为10-1Pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。气体放电时，两电极间的电压和电流的关系不能用简单的欧 姆定律来描述，因为二者之间不是简单的直线关系。下图表 示直流解光放电的形成过程，亦即两电极之间的电压随电流 的变化曲线。直流辉光放电伏安特性
15、曲线2，BC-汤森放电随着电压升高，带电离子和电子获得了足够能量。与中性气体分子碰撞产 生电离，使电流平稳地增加。但是电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈 一常数，BC区域称为“汤森放电区”。在此区内，电流可在电压不变情况下增大。1， AB- “无光”放电当两电极加上直流电压时，开始时电流非常小，此AB区域叫 做“无光”放电。3，CD-过渡区然后发生“雪崩点火”。离子轰击阴极，释放出二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞产生更多的离子，这些离子再轰击阴极，又产生出新的更 多的二次电子。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体 开始起辉，两极间电流剧增，电压迅速下降，放电呈现负阻持性。这个 CD区域叫做过渡区。在D点以后，电流与电压无关，即增大电源功率时，电压维持不变，而电流平稳增加，此时两极板间出现辉光。在这一 区域内若增加电源电压或改变电阻来增大电流，两极板间的 电压几乎维持不变。从D到E之间区域叫做“正常辉光放电区 ”。在正常辉光放电时，放电自动调整阴极轰击面积。最初，轰击是不均匀的，轰击集中在靠近阴极边缘处，或在表面 其它不规则处。随着电源功率的增大，轰击区逐渐扩大，直 到阴极面上电流密度几乎均匀为止。E点以后，当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，会使放电区内的电压和电流密度，即两极间 的电流随着电压的增大而增大，EF这一区域称“
