真空蒸发和离子溅射镀膜

实验一 真空蒸发和离子溅射镀膜 随着材料科学的发展，近年来薄膜材料作为其中的一个重要分支从过去体材料一统天下的局面中脱赢而出。

如过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅需数几个器件或一块集成电路板就能完成，薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。

薄膜技术还可以将各种不同的材料灵活的复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性。

薄膜的应用围越来越宽，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。

目前，薄膜材料在科学技术和社会经济各个领域发挥着越来越重要的作用。

因此薄膜材料的制备和研究就显得非常重要。

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。

物理法主要指物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition,简称PVD)，即在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀膜材料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。

物理气相沉积过程可概括为三个阶段：1.从源材料中发射出粒子；2.粒子输运到基片；3.粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜。

由于粒子发射可以采用不同的方式，因而物理气相沉积技术呈现出各种不同形式，主要有真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜三种主要形式。

在这三种PVD 基本镀膜方法中，气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。

本实验主要介绍了真空蒸发和离子溅射两种镀膜技术。

在薄膜生长过程中，膜的质量与真空度、基片温度、基片清洁度、蒸发器的清洁度、蒸发材料的纯度、蒸发速度等有关。

在溅射薄膜的生长过程中，气体流量（压力）也会对形成的薄膜的性质产生影响。

通过改变镀膜条件，即可得到性质炯异的薄膜材料。

对制备的薄膜材料，可通过X 射线衍射、电子显微镜（扫描电镜、透射电镜等）、扫描探针（扫描隧道显微镜、原子力显微镜等）以及光电子能谱、红外光谱等技术来进行分析和表征，还可通过其它现代分析技术测试薄膜的各种相应特性等。

【实验目的】1．掌握溅射的基本概念，学习直流辉光放电的产生过程和原理；2．掌握几种主要溅射镀膜法基本原理及其特点，掌握真空镀膜原理；3．掌握真空镀膜和溅射镀膜的基本方法；4．熟悉金属和玻璃片的一般清洗技术，学习薄膜厚度的测量方法；5．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。

【实验原理】一 真空蒸发镀膜原理任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（固态，液态）变成为气态离开物质表面，但固体在常温常压下，这种蒸发量是极微小的。

如果将固体材料置于真空中加热至此材料蒸发温度时，在气化热作用下材料的分子或原子具有足够的热震动能量去克服固体表面原子间的吸引力，并以一定速度逸出变成气态分子或原子向四周迅速蒸发散射。

当真空度高，分子平均自由程λ远大于蒸发器到被镀物的距离d 时（一般要求()d 3~2λ=），材料的蒸气分子在散射途中才能无阻当地直线达到被镀物和真空室表面。

在化学吸附（化学键力引起的吸附）和物理吸附（靠分子间德瓦尔斯力产生的吸附）作用下，蒸气分子就吸附在基片表面上。

当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气发分子在其表面发生凝结，即核化过程，形成“晶核”。

当蒸气分子入射到基片上密度大时，晶核形成容易，相应成核数目也就增多。

在成膜过程继续进行中，晶核逐渐长大，而成核数目却并不显著增多。

由于（1）后续分子直接入射到晶核上；（2）已吸收分子和小晶核移徒到一起形成晶粒；（3）两个晶核长大到互相接触合并成晶粒等三个因素，使晶粒不断长大结合。

构成一层网膜。

当它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面紧密结合而沉积成一层连续性薄膜。

在平衡状态下，若物质克分子蒸发热H ∆与温度无关，则饱和蒸气压S P 和绝对温度T 有如下关系：RT ΔHS e K P -⋅= (1.1)式中R 为气体普适常数，K 为积分常数。

在真空环境下，若物质表面静压强为P ，则单位时间从单位凝聚相表面蒸发出的质量，即蒸发率为()P P TM α105.833ΓS 2-⨯=- (1.2) 式中α为蒸发系数，M 为克分子量，T 为凝聚相物质的温度。

若真空度很高（0P ≈）时蒸发的分子全部被凝结而无返回蒸发源，并且蒸发出向外飞行的分子也没有因相互碰撞而返回，此时蒸发率为RT ΔH -2S 2e K TM α105.833P T M α105.833Γ⋅⋅⨯=⨯=-- (1.3) 根据数学知识从（1.3）式可知，提高蒸发率Γ主要决定于上式指数因式，因而温度T 的升高将使出蒸发率迅速增加。

在室温K 293T 0=,气体分子直径cm 103.5σ8-⨯=时，由气体分子动力学可知气体分子平均自由程λ可表示为 p 105p πσ2kTn πσ21λ322-⨯≈== （1.4） 式中k 为波尔兹曼常数，n 为气体分子密度。

气体压强P 为帕时，-λ的单位为米。

根据（1.4）式可列出表1－1。

从表中看出，当真空度高于2101-⨯帕时，λ大于50cm ；在蒸发源到被镀物d 为15~20cm 情况下是满足()d 3~2λ=。

因此将真空镀膜室抽至2101-⨯帕以上真空度是必需，方可得到牢固纯净的薄膜。

二 离子溅射镀膜原理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。

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。

下面以最简单的直流辉光放电等离子体构成的离子源为例，说明入射离子的产生过程。

2．直流辉光放电考虑一个二极系统（参考图1-7），系统的电流和电压的关系曲线如图1-1所示，系统压强为几十帕。

在两电极间加上电压，系统中的气体因宇宙射线辐射产生一些游离离子和电子，但其数量非常有限，因此所形成的电流非常微弱，这一区域AB称为无光放电区。

随着两极间电压的升高，带电离子和电子获得足够高的能量，与系统中的中性气体分子发生碰撞并产生电离，进而使电流持续增加，此时由于电路中的电源有高输出阻抗限制，致使电压呈一恒定值，这一区域BC 称为汤森放电区。

当电流增加到一定值时（C 点），会产生“雪崩”现象。

离子开始轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气体分子碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极又产生出更多的二次电子，大量的离子和电子产生后，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，这一区域CD 叫做过度区，通常称为气体击穿。

在D 点以后，电流平稳增加，电压维持不变，这一区域DE 称为正常辉光放电区，这时，阴极表面并未全部布满辉光。

随着电流的增加，轰击阴极的区域逐渐扩大，达到E 点后，离子轰击已覆盖整个阴极表面。

此时增加电源功率，则使两极间的电流随着电压的增大而增大，这一区域EF 称做“异常辉光放电区”。

在这一区域，电流可以通过电压来控制，从而使这一区域成为溅射所选择的工作区域。

在F 点之后，继续增加电源功率，两极间电压迅速下降，电流则几乎由外电阻所控制，电流越大，电压越小，这一区域FG 称为“弧光放电区”。

众多电子、原子碰撞导致原子中的轨道电子受激跃到高能态，而后又衰变到基态并发射光子，大量光子形成辉光。

辉光放电时明暗光区的分布情况如图1-2所示。

从阴极发射出来的电子能量较低，很难与气体分子发生电离碰撞，这样在阴极附近形成阿斯顿暗区。

电子一旦通过阿斯顿暗区，在电场的作用下会获得足够多的能量与气体分子发生碰撞并使之电离，离化后的离子和电子复合泯灭产生光子，形成阴极辉光区。

从阴极辉光区出来的电子，由于碰撞损失了能量，已无法与气体分子碰撞使之电离，从而形成另一个暗区，叫做阴极暗区，又叫克鲁克斯暗区。

通过克鲁克斯暗区以后，电子又会获得足够的能量与气体分子碰撞并使之电离，离化后的离子和电子复合后又产生光子，从而形成了负辉光区。

负辉光区是辉光最强的区域，它是已获加速的电子与气体分子发生碰撞而产生电离的主要区域。

在此区域，正离子因质量较大，向阴极的运动速度较慢，形成高浓度的正离子区，使该区域的电位升高，与阴极形成很大的电位差，此电位差称为阴极辉光图1-2 一般直流辉光放电区域的划分 图1-3直流辉光放电过程的电位分布和等离子体鞘层图1-1 直流溅射系统中两极间电流和电压的关系曲线放电的阴极压降。

此压降区域又称为阴极鞘层，即阴极辉光区和负辉光区之间的区域，主要对应克鲁克斯暗区，如图1-3所示。

这个区域的压降占了整个放电电压的绝大部分，因此也可近似认为，仅仅在阴极鞘层中才有电位梯度存在，其形成的电压降约等于靶电压。

也正因为这个原因，阳极所处位置虽会影响气体击穿电压，但对放电后的靶电压影响不大，即阳极位置具有很大的自由度。

在实际溅射镀膜过程中，基片（衬底）通常置于负辉光区，且作为阳极使用。

经过负辉光区后，多数电子已丧失从电场中获得的能量，只有少数电子穿过负辉光区，在负辉光区与阳极之间是法拉第暗区和辉光放电区，其作用是连接负辉光区和阳极。

3．溅射的特点（1）溅射粒子(主要是原子，还有少量离子等)的平均能量达几个电子伏，比蒸发粒子的平均动能kT高得多(3000K蒸发时平均动能仅0.26eV)，溅射所获得的薄膜与基片结合较好；（2）入射离子能量增大(在几千电子伏围)，溅射率(溅射出来的粒子数与入射离子数之比)增大。

入射离子能量再增大，溅射率达到极值；能量增大到几万电子伏，离子注入效应增强，溅射率下降，如图1-4所示。

（3）入射离子质量增大，溅射率增大。

（4）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)。

（5）单晶靶由于焦距碰撞(级联过程中传递的动量愈来愈接近原子列方向)，在密排方向上发生优先溅射。

（6）不同靶材的溅射率很不相同。

图1-5 为Ar+在400KV加速电压下对各种元素靶材的溅射产额的变化情况。

由图中数据可以看出，元素的溅射产额呈现明显的周期性，即随着元素外层d电子数的增加，其溅射产额提高，因而，Cu、Ag、Au等元素的溅射产额明显高于Ti、Zr、Nb、Mo、W等元素的溅射产额。

（7）不同溅射气体的溅射率也不相同。

图1-6是45KV加速电压下各种入射离子轰击Ag 靶表面时得到的溅射率随入射离子的原子序数的变化。

由图中结果可以看出，使用惰性气体作为入射离子时，溅射产额较高。

而且，重离子的溅射额明显高于轻离子。

但是出于经济等方面的考虑，多数情况下均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。