真空镀膜技术

电子束

物料 冷却水
阴极灯丝
e型电子枪
脉冲激光沉积（熔射，ablation） (Pulsed Laser Deposition) 利用高功率脉冲激光加热蒸发材料以形成薄膜 光源：XeCl，KrF，ArF准分子激光
XeCl激光器，波长:308nm，脉宽：20～30ns， 能量：100mJ/脉冲，脉冲重复频率：1～20 Hz Thin Solid Films. 189,283 (1990) XeCl激光器，波长:308nm，脉宽：25～30ns， 能量：1J/脉冲，脉冲重复频率：1 Hz KrF激光器，波长：248nm，脉宽：25～30ns， 能量：650mJ/脉冲，脉冲重复频率：5 Hz 材料表面辐射能：1～3J/（脉冲×cm2） J. Appl. Phys. 68,1354 （1990）
PLD技术的优势 • 薄膜组分几乎没有偏离。 • 实现高质量的外延生长。 铁电陶瓷如钛酸铋，钛酸钡等，高温超导 材料（YBaCuO），庞磁电阻（LaCaMnO） ，MgO，TiO等。
溅射镀膜原理
一，溅射镀膜的基本过程
仪器构造
+
基片 （衬底）
+ 排气
+ 进气 （Ar） +
+
Cu（靶材）
真空泵
• 利用射频电场产生等离子体（电子、离子 以及激发态原子或分子） • 反应温度远低于常规CVD
http://www.appliedmaterials.com/technologies/librar y/akt-pecvd-system-si-tft-lcd
http://www.sky.ac.cn/
固态生成物
排气
表面附着、扩散 化学反应
基片（加热）
• 热分解
SiH4 (气) = Si (固)+ 2 H2 (气）
• 还原反应
SiCl4 (气) + 2 H2 (气) = Si (固)+4 HCl (气）
• 氧化反应
SiH4 (气) + O2 (气) = SiO2 (固) + 2 H2 (气)
• 氮化反应
3 SiH4 (气) + 4 NH3 (气) = Si3N3 (固) + 12 H2 (气)
• 化合物
Ga(CH3)3(气) + AsH3 (气) = GaAs (固) + 3 CH3 (气)
• 常压反应器
不采用真空装置的CVD技术，设备简单但需 要大流量携载气体，得到的膜污染程度较高。
• 低压反应器
-
入射离子与靶材的相互作用
薄膜
+
衬底
+ + +
靶材
二，入射离子的产生：气体等离子辉光放电
+
极少量的高能宇宙 射线电离出极少量 的游离电子和正离子
+ 高浓度气体难以电离： 电子平均自由程太小
-
解决方案：抽真空 0.1～10.0 Pa
靶材
-
等离子体伏安特性
V
非 自 持 放 电 区 异 常 辉 光 正常 放 过 汤森放 渡 辉光 电 放电 区 电区 区 区 弧 光 放 电 区
圆形平面溅射源（枪）
靶材
屏蔽罩 固定环
靶材
N
S
S
冷却水
磁铁
平面溅射源表面磁场与电子轨迹
http://www.ajaint.com/systems_orion.htm
http://www.ajaint.com/systems_orion.htm
http://www.ajaint.com/systems_orion.htm
压强减至10～103 Pa，增加反应气体分子的自 由程，改善加热均匀性从而提高沉积速率（降 低反应温度）并改善薄膜质量。
热CVD技术优势和存在的问题：
□准确控制薄膜组分 □大面积沉积均匀致密的薄膜材料 □可以在形状复杂的材料表面沉积薄膜
■所需反应温度过高
等离子增强化学气相沉积 (Plasma Enhenced CVD，PECVD)
http://www.ajaint.com/systems_orion.htm
磁控溅射
利用磁场对电子的束缚，增加电子运行路径，从而 大幅度提高电离度，获得较高的溅射产能。
http://www.ajaint.com/
四.射频溅射
-
+ - - - -
- +
绝缘靶材
绝缘靶材
+
正半周
负半周
u
t
指向绝缘靶材的自偏压
电阻加热式蒸发存在的问题
• 物料与蒸发源发生反应； • 无法蒸发某些难熔材料； • 合金或化合物可能发生成分偏移；
The variation of the ratio of evaporated A and B element in binary alloy with time
电子束蒸发源
利用高能电子束轰击材料表面，将电子动能 转化为热能，实现对材料的加热蒸发。
电阻加热式蒸发源
基片
气相物料
蒸发源 电极
真空泵
蒸发条件
pS p
pS : p:
物料的饱和蒸气压 物料的气相分压
B ln pS A T
电阻加热式蒸发源
加热方式： • 低电压大电流供电（～100 A） 对蒸发源材料的要求： • 高熔点（＞1000～2000 ℃） • 低饱和蒸气压 • 高化学稳定性 常用的蒸发源材料： W,Mo,Ta等
-
包含大量 二次电子
+
靶材
O
I
负辉光区 阴极暗区（克鲁克斯暗区） 阿斯顿暗区 阴极辉光区 法拉第暗区 阳极光柱
+
维持辉光放电及影响 溅射效率的关键因素：
• 阴极暗区电位降 • 负辉光区电位升
三，高效能的溅射镀膜技术：磁控溅射
提高溅射产能的方法：通过增加电离度提高 正离子数量 +
-
-
靶材
-
-
范 艾 仑 辐 射 带 的 形 成 示 意 图
射频溅射频率：13.56MHz
绝缘基片的自偏压？
• 与阳极板之间存在漏电 • 溅射源的形状 • 射频磁控溅射
E
射频溅射导体靶材
-
+ - - - -
～
ห้องสมุดไป่ตู้
导体靶材
阻抗匹配
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition)
气相前驱物通过化学反应生成固态 薄膜。
热CVD
进气
携载气体+前驱物 气态生成物
固体物理实验方法
二，真空镀膜技术
物理气相沉积 化学气相沉积
物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition)
利用某种物理过程，实现从源物质 到薄膜的可控原子转移过程。
真空蒸发
1，将待蒸发材料加热使 其由凝聚态变为气态。 2，气态材料中的物质粒 子向温度较低的基片 运行。 3，粒子到达基片后凝结、 形核、生长、成膜 。