薄膜技术_磁控溅射
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
与此相反，利用溅射也可以进行刻蚀。
溅射镀膜的特点
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 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。
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0.1~5μm/min，而溅射速 率则为0.01~0.5μm/min。
2. 基板温升较高和易受杂质气体影响等。
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（B－A电离规）
6
真空泵 常用真空泵 （注意区分有无油污染） 1. 气体传输泵：吸入气体，再排出 ① 变容原理：油封旋片机械泵，罗茨泵 ② 动量传递原理：分子泵、扩散泵
10
真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程：
(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
(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。
(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固相的相转变过程。
第二部分 溅射镀膜法
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。
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
7
第一部分 真空蒸镀 • 工作原理： 真空蒸发镀膜法(简ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
磁控溅射
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
4
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
5
真空系统组成 真空获得设备＋真空测量仪器
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）
其它物理镀膜方法：MBE，PLD
3
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
1935年单层减反射膜 1938年双层减反射膜 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
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：
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。
溅射的两种用途
淀积和刻蚀是溅射过程的两种应用。
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。
8
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：
真空蒸镀
• 加热方法： 1.电阻加热 • 优点：简单、经济、操作方便 • 缺点： ① 不能蒸发高熔点的材料 ② 膜料容易分解 ③ 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： ① 可蒸发高熔点材料（W，Mo，Ta，氧化物，陶瓷） ② 可快速升温，化合物膜料不易分解 ③ 膜料粒子沉积到基板的动能高，填充密度大，机械性能好
真空镀膜技术 --磁控溅射
2009.11.25
1
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
2
镀膜技术
气相
PVD真空镀膜技术 CVD化学气相沉积
蒸发镀膜 溅射镀膜
光学薄膜
液相：溶液镀膜技术
★ 化学反应沉积 ★ Sol-Gel技术 ★ 阳极氧化技术 ★ 电镀技术 ★ LB技术
溅射镀膜的特点
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 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。
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0.1~5μm/min，而溅射速 率则为0.01~0.5μm/min。
2. 基板温升较高和易受杂质气体影响等。
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（B－A电离规）
6
真空泵 常用真空泵 （注意区分有无油污染） 1. 气体传输泵：吸入气体，再排出 ① 变容原理：油封旋片机械泵，罗茨泵 ② 动量传递原理：分子泵、扩散泵
10
真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程：
(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
(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。
(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固相的相转变过程。
第二部分 溅射镀膜法
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。
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
7
第一部分 真空蒸镀 • 工作原理： 真空蒸发镀膜法(简ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
磁控溅射
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
4
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
5
真空系统组成 真空获得设备＋真空测量仪器
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）
其它物理镀膜方法：MBE，PLD
3
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
1935年单层减反射膜 1938年双层减反射膜 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
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：
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。
溅射的两种用途
淀积和刻蚀是溅射过程的两种应用。
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。
8
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：
真空蒸镀
• 加热方法： 1.电阻加热 • 优点：简单、经济、操作方便 • 缺点： ① 不能蒸发高熔点的材料 ② 膜料容易分解 ③ 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： ① 可蒸发高熔点材料（W，Mo，Ta，氧化物，陶瓷） ② 可快速升温，化合物膜料不易分解 ③ 膜料粒子沉积到基板的动能高，填充密度大，机械性能好
真空镀膜技术 --磁控溅射
2009.11.25
1
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
2
镀膜技术
气相
PVD真空镀膜技术 CVD化学气相沉积
蒸发镀膜 溅射镀膜
光学薄膜
液相：溶液镀膜技术
★ 化学反应沉积 ★ Sol-Gel技术 ★ 阳极氧化技术 ★ 电镀技术 ★ LB技术