真空镀膜技术基础张以忱.ppt

主讲人：张以忱,真空镀膜技术基础,真空技术,一. 真空技术概况 （巴德纯） 二. 真空工程理论基础 （张世伟） 三. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯） 四. 真空系统组成与设计基础 （刘坤） 五. 真空获得设备原理与技术基础 （张以忱） 六. 真空测量技术基础 （刘玉岱） 七.真空镀膜技术基础 （张以忱） 八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱） 九. 真空冶金技术基础 （王晓冬） 十. 真空与低温技术及设备 （徐成海）,东北大学第八期,培训系列之,主要内容,1. 真空镀膜概论 2. 真空蒸发镀膜 3. 真空溅射镀膜 4. 真空离子镀膜和离子束沉积 技术,1. 真空镀膜概论,1.1 真空镀膜技术,真空镀膜 在真空条件下利用某种方法，在固体表面上镀一层与基体材料不同的薄膜材料，也可以利用固体本身生成一层与基体不同的薄膜材料，即真空镀膜技术。,1.2 真空镀膜特点,在真空条件下镀膜，膜不易受污染，可获得纯度高、致密性好、厚度均匀的膜层。 膜材和基体材料有广泛的选择性，可以制备各种不同的功能性薄膜。 薄膜与基体附着强度好，膜层牢固。 对环境无污染。,1.3 真空镀膜技术分类,物理气相沉积（PVD） 如：热蒸发沉积、溅射沉积、离子镀和分子束外延 化学气相沉积（ CVD） 如：热化学气相沉积、光化学气相沉积、等离子体化学气相沉积 物理-化学气相沉积（PCVD）,真空表面处理技术的分类,各种干式镀膜技术的比较,1.4 真空镀膜的应用,薄膜的应用非常广泛，它可以应用于电子、机械、光学、能源、轻工、食品、建筑、装饰等工业方面以及传感器、变换器等。此外，塑料表面金属薄膜以及金属表面的塑料薄膜广泛应用于日常生活各方面。,薄膜的应用,2. 真空蒸发镀膜,2.1 真空蒸发镀膜原理,将膜材置于真空中，通过蒸发源对其加热使其蒸发，蒸发的原子或分子从蒸发源表面逸出。由于高真空气氛，真空室中气体分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸，故此蒸汽分子很少与其它分子相碰撞，以直线方式达到基片表面，通过物理吸附和化学吸附凝结在基片表面，形成薄膜。这就是真空蒸发镀膜的基本原理。,真空蒸发镀膜原理图,1. 基本加热电源 2. 真空室 3. 基片架 4. 基片 5. 膜材 6. 蒸发舟 7. 加热电源 8. 抽气口 9. 真空密封 10. 挡板 11. 蒸汽流,蒸发镀膜成膜条件,真空条件 蒸发条件 清洗条件,真空条件 蒸镀室内真空度应高于10-2Pa 室内残余气体的分子到达基片表面上的几率膜材的蒸发速率,蒸发条件 蒸发速率应足够大以达到工艺要求的沉积速率（kg/m2s）,某些金属蒸气压与温度的关系曲线,清洗条件 基片应进行镀前处理（粗糙度小，表面上无污染物，无氧化化层等）,2.2 蒸发源,电阻加热式 电子束加热式 感应加热式 空心阴极等离子体电阻式加热式 激光束加热式,按加热方式分类：,电阻加热式蒸发源 丝状源与箔状源,电阻加热式蒸发源 铝蒸发用坩埚加热器,电子束加热式蒸发源,电子束加热式蒸发源 e型枪工作原理示意图,1.发射体组件 2.阳极 3.电磁线圈 4.水冷坩埚 5.离子收集板 6.电子收集极 7.电子束轨迹 8.正离子轨迹 9.散射电子轨迹 10.等离子体,电子束加热式蒸发源 e型枪电子束偏转角,感应加热式蒸发源,空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源,1.冷却水套 2.空心阴极 3.辅助阳极 4.聚束线圈 5.枪头 6.膜材 7.坩埚 8.聚焦磁场 9.基片,空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源 HCD枪特性,主束电源与引束电源的匹配,辅助阳极孔径与主束电压及束流的关系,氩气流量与主束电压的关系,激光加热式蒸发源,1.玻璃衰减器 2.透镜 3.光圈 4.光电池 5.分光器 6.透镜 7.基片 8.探头 9.靶 10.真空室 11.激光器,蒸发源按形状分类：,点蒸发源 小平面蒸发源 环形蒸发源 环形线蒸发源、环形平面蒸发源、环形柱面蒸发源 环形锥面蒸发源 矩形平面蒸发源,点蒸发源 及点源对平面的蒸发,点蒸发源的发射,点源对平面的蒸发,小平面蒸发源 及小平面源对平行平面的蒸发,小平面蒸发源的发射,小平面源对平行平面的蒸发,环形蒸发源 环形线蒸发源,平面基片的环形线蒸发源,平行于基片的 环形线源的膜厚,环形蒸发源 环形平面蒸发源,平行于基片的环形平面蒸发源,环形蒸发源 环形柱面蒸发源,环形蒸发源 环形锥面蒸发源,基片与蒸发源的相对位置,点蒸发源的等膜厚球面 1.基片 2.球面工件架 3.点蒸发源,小平面源的等膜厚面 1.基片 2.球面工件架 3.小平面源,圆形平面源的膜厚分布,间歇式真空蒸发镀膜机 立式真空蒸发镀膜机 卧式真空蒸发镀膜机 半连续式真空蒸发镀膜机,2.3 真空蒸发镀膜机,立式真空蒸发镀膜机镀膜室 1.室体 2.球面行星转动基片架 3.膜厚测量晶体 4.烘烤装置 5.挡板 6.膜材 7.e型枪蒸发源,间歇式真空蒸发镀膜机,单室半连续真空镀膜机镀膜室,1.照明灯 2.放卷辊 3.基带 4.导向辊 5.张紧辊 6.水冷辊 7.挡板 8.坩埚 9.送丝机构 10.室体 11.观察窗 12.抽气口,半连续式真空蒸发镀膜机,送丝机构的结构 1.坩埚 2.导管 3.膜材丝 4.主动辊轮 5. 压轮 6. 导向辊 7. 支架 8. 绕丝轮,半连续式真空蒸发镀膜机,双室半连续真空蒸发镀膜机,1.室体2.收卷辊3.照明灯4.导向辊5.观察窗6.水冷辊 7.隔板8.挡板9.蒸发源10.镀膜室抽气口11.橡胶辊 12.铜辊13.烘烤装置14.放卷辊 15.卷绕室抽气口,半连续式真空蒸发镀膜机,蒸发源的位置 1. 基体 2.蒸发源,半连续式真空蒸发镀膜机,开启机构示意图 1.真空室体 2.卷绕机构 3.密封大板 4.动力柜 5.行程开关 6.小车,半连续式真空蒸发镀膜机,2.4 特殊蒸发技术,闪蒸蒸镀法 多蒸发源蒸镀法 反应蒸镀法 三温度蒸镀法,蒸发镀膜工艺中应考虑的问题,膜厚的均匀性问题 点源、小平面源、蒸距等对薄膜的影响 基片架的运动方式 工艺参数的选择问题 蒸发温度、蒸发速率、基片温度、蒸距、蒸发压力等 减小膜基界面上的应力提高膜的附着强度（附着力）的问题热应力、淀积内应力、附加内应力应尽量小 基片镀前处理与成膜时对基片加热（烘烤、离子轰击等） 沉积速率的选择与控制 镀前对基片打底膜,3. 真空溅射镀膜,3.1 溅射镀膜,溅射： 所谓“溅射”，就是用荷能粒子（通常用气体正离子）轰击物体，引起物体表面原子从母体中逸出的现象。 溅射镀膜： 在真空条件下，利用低压等离子体气体放电中的溅射现象制备薄膜，即真空溅射镀膜。,离子轰击固体表面时发生的物理过程,与溅射率有关的因素,溅射率与靶材有关 溅射率与入射正离子的能量有关 溅射率与入射离子的种类有关 溅射率与离子入射角有关 溅射率与靶材温度有关,溅射率与离子能量的关系,银、铜钽金属的溅射率与能量为45keV的轰击离子的函数关系,溅射率与离子入射角的典型曲线,几种靶材的溅射率与温度的关系,镍的溅射率与总压力的关系曲线,溅射镀膜特点,膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流和靶电流可分别控制，通过控制靶电流则可控制膜厚 溅射膜与基体之间的附着性好。高能粒子沉积在基体上进行能量转换，增强了溅射原子与基体的附着力。部分高能粒子产生注入现象，形成伪扩散层。等离子区清洗和激活，净化且活化基体表面 制膜范围广。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 溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高,3.2 直流溅射镀膜,3.2.1直流二极溅射装置 3.2.2直流偏压溅射装置 3.2.3三极或四极溅射装置,依据直流辉光放电原理制备薄膜的方法称为直流溅射镀膜，其装置称为直流溅射装置。,直流二极溅射装置原理图,1.真空室 2.加热器 3.阴极靶 4.基体（阳极） 5.Ar入口 6.负高压电源 7.加热电源 8.真空系统,3.2.1 直流二极溅射装置,直流偏压溅射示意图,1.溅射室 2.阴极 3.基体 4.阳极 5.排气系统 6.氩气入口,3.2.2 直流偏压溅射装置,1-机械泵2-阀3-可调漏泄阀4-低真空计5-高真空计 6-阴极7-稳定性电极8-电磁线圈9-溅射室10-蒸镀基体灯丝11-靶12-阳极13-闸阀14-液氨阱15-放气阀16-液氮阱 17-扩散泵18-水冷密封板19-钛升华泵20-加热器,1-热阴极2-稳定性电极3-基体 4-阳极5-靶6-线圈7-靶电源,四极溅射装置,（a）四极溅射装置结构示意图 （b）四极溅射装置的电气部分,3.2.3 三极或四极溅射装置,3.3 直流磁控溅射镀膜,直流磁控溅射镀膜是在直流溅射装置中增加了磁场，利用磁场的洛仑兹力束缚阴极靶表面电子的运动，导致轰击靶材的高能离子的增多和轰击基片的高能电子的减少， “低温”、“高速”沉积高质量薄膜。,磁控溅射原理图,直流磁控溅射镀膜特点,低温：电子被正交电磁场约束减少了向基片的磁接，降低了基片同电子轰击所产生的热量，使基片温度降，故磁控溅射又称为高速低温溅射。 高速：电子在正交电磁场下增大了运动路程，使电子与工作气体分子磁控几率大大增加从而提高了溅射率，即提高沉积速率。,3.3.2 磁控溅射靶,磁控溅射靶的分类有：同轴圆柱形靶、圆形平面靶、S-枪靶、矩形平面靶、旋转式圆柱形靶及特殊结构靶等。各自结构如下图所示。,各种磁控溅射靶的结构,磁控溅射靶电流-电压特性,磁控溅射放电均为低压等离子体放电，其电流-电压特性基本一致：随着放电电流的增加，放电电压均需增高；随着气压的增高，放电电压下降；磁场影响放电特性。,沉积速率,沉积速率是表征成膜速度的参数，一般以单位时间沉积的平均膜厚来表征。影响沉积速率的因素： 气体压力 靶-基距 靶电流 最大功率密度 靶材料种类,功率效率,影响功率效率的因素 离子能量 气压 磁场强度,各种参数下的功率效率,间歇式磁控溅射镀膜机 半连续式磁控溅射镀膜机 连续式磁控溅射镀膜机,3.3.3磁控溅射镀膜机,磁控溅射镀膜机主要由镀膜室、抽气系统、电控系统、以及辅助设备等组成。其中镀膜室由磁控溅射靶、基片架、烘烤装置、充气系统以及测试监控系统等组成。由于溅射靶及工艺连续性的不同，可分为：,1.底法兰 2.基片架 3.矩形平面靶 4.矩形挡板 5.烘烤装置 6. 钟罩 7.同轴圆柱靶 8.圆形平面靶 9.圆形挡板 10.充气系统 11.S枪靶 12. 支柱 13. 主动转轴 14.密封圈,间歇式多靶磁控 溅射镀膜机,间歇式磁控溅射镀膜机,1.进料室 2.基片盒 3.闸阀 4.加热器 5.预热室 6.台板 7.镀膜室 8.溅射靶 9.冷却室 10.成品片 11.取料室 12. 抽气系统,半连续式磁控溅射镀膜机,连续式磁控溅射镀膜机,典型的连续式平面磁控溅射镀膜玻璃生产线,连续式磁控溅射镀膜机镀膜室,1.密封圈 2. 溅射室上盖 3. 密封圈 4. 平面磁控溅射阴极 5. 绝缘件 6. 电极导入板（阳极） 7.8.9.隔离挡板 10.溅射镀膜室壳体 11.真空阀门 12. 隔离挡板 13.输送辊道,3.4 射频溅射镀膜,射频溅射镀膜原理图 1.基片架 2.等离子体 3.射频溅射靶 4.溅射室 5.匹配网络 6.电源 7.射频发生器,3.4.1 射频溅射镀膜工作原理,射频频率通常为13.56MHz。当绝缘基板背面的导体处于负电位时，等离子体中正离子向基板加速飞行，轰击绝缘基板使其溅射。这种溅射只能维持10-7秒的时间,此后在绝缘基板上积累的正电荷形成的正电位抵消了导体基板上的负电位，因此停止高能正离子对绝缘基板的轰击。此时，如果倒转电源极性，电子就会轰击绝缘基板，并在10-9秒时间内中和绝缘基板上的正电荷，使其电位复零。这时，再倒转极性，又能产生10-7秒时间的溅射。如此反复，即为射频溅射镀膜工作原理。,3.4.2 射频溅射镀膜装置,射频二极溅射装置 射频磁控溅射装置,射频二极溅射装置,射频二极溅射装置,1-氧气瓶 2-减压阀 3-压力计 4-可调漏泄阀 5-档扳 6-溅射原子 7-暗区 8-氩离子 9-真空室 10-阴极靶 11-射频电机 12-匹配箱 13-功率表 14-靶电源 15-真空计 16-等离子 17-主阀 18-液氮阱 19-盖斯勒管20-机械泵 21-扩散泵 22-予抽阀 23-基体架 24-基体,聚束磁场强弱造成放电区域变化示意图 （a）发散型 （b）均匀型 （c）聚束型 1.射频电源 2.射频靶 3.溅射室 4.磁场线圈 5.等离子体 6.基体,射频磁控溅射装置,溅射靶为磁控溅射靶的射频溅射装置称为射频磁控溅射装置，兼有射频溅射和磁控溅射两种溅射装置的优点。,射频溅射靶的结构,（a）常规射频溅射 （b）射频磁控溅射 1.进水管 2.出水管 3.绝缘子 4.接地屏蔽罩 5.射频电极6.磁环 7.磁芯 8.靶材 9.基体 10.基体架,3.5 反应溅射镀膜,在溅射镀膜时，有目的地将某种反应性气体引入到溅射室并达到一定的分压，可以改变或控制沉积特性，从而获得不同于靶材的新物质薄膜，如各种金属氧化物、氮化物、碳化物以及绝缘介质等薄膜。这种伴随有化学反应的溅射镀膜方法称为反应溅射镀膜。,3.5.1 反应溅射的机理及特性,膜层性质与反应性气体和惰性气体的比例有关,溅射过程中电阻率及电阻温度系数与氮分压的关系曲线,3.5.2 反应溅射镀膜装置,间歇式反应溅射装置 半连续式反应溅射装置,间歇式反应溅射装置,溅射室结构 1.室体 2.磁控溅射靶 3.基片架,半连续式反应溅射装置,ITO连续性溅射设备 1.基片装卸台 2.升降机 3、5、7、12、14.闸阀 4.进片室 6.加热室 8.低温泵 9.溅射室 10.溅射靶 11.加热器 13.出片室 15.传输系统,3.6 各磁控溅射靶的磁场,3.6.1 矩形平面磁控溅射靶的磁场,3.6.2 圆形平面磁控溅射靶的磁场,圆形平面磁控溅射靶的磁路系统 1.中心磁柱 2.磁环 3.轭铁,磁环的磁场,3.6.3 同轴圆柱形磁控溅射靶的磁场,3.6.4 旋转式圆柱形磁控溅射靶的磁场,中部横截面的磁场,端部永磁体结构及磁场,3.6.5 S-枪溅射靶的磁场,4. 真空离子镀膜和 离子束沉积技术,4.1 真空离子镀膜,真空离子镀膜技术（简称离子镀）是在真空蒸发和真空溅射两种镀膜技术基础上发展起来的。离子镀膜过程中，基片始终受到高能离子的轰击，与蒸发镀和溅射镀相比具有一系列的优点。,离子镀的类型,蒸发源型离子镀：通过各种加热方式加热镀膜材料，使之蒸发产生金属蒸气，将其引入以各种方式激励产生的气体放电空间中使之电离成金属离子，它们到达施加负偏压的基片上沉积成膜。 溅射离子镀：通过采用高能离子对膜材表面进行溅射而产生金属粒子，金属粒子在气体放电空间电离成金属离子，它们到达施加负偏压的基片上沉积成膜。,离子镀膜层的沉积离子来源于各种类型的蒸发源或溅射源，从离子来源的角度可分成蒸发源型离子镀和溅射离子镀两大类：,4.1.1离子镀原理和成膜条件,离子镀膜原理图,1-绝缘引线 2-基片架 3-高压引线 4-阴极暗区 5-钟罩 6-辉光放电区 7-蒸发源 8-底座,离子镀原理,真空室抽至103104Pa，随后通入工作气体（Ar），使其真空度达到1101Pa，接通高压电源，在蒸发源（阳极）和基片（阴极）之间建立起一个低压气体放电的低温等离子区。在负辉区附近产生的工作气体离子进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，可有效地清除基片表面的气体和污物。随后，使膜材汽化，蒸发的粒子进入等离子区，并与等离子区中的正离子和被激发的工作气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，大部分原子达不到离化的能量，处于激发状态。被电离的膜材离子和工作气体离子一起受到负高压电场加速，以较高的能量轰击基片和镀层的表面，并沉积成膜。,离子镀的成膜条件,一般认为入射离子都具有反溅、剥离能力。在离子镀中，要想沉积成膜，必须使沉积效果大于溅射剥离效果，即成膜条件为： nni n：单位时间入射到单位基片表面上的金属原子数 ni：单位时间轰击基体表面的离子数 即当沉积作用大于反溅（剥离）作用时才能制备成膜。,4.1.2 等离子体在离子镀膜中的作用,在被蒸发的膜材粒子与反应气体分子之间产生激活反应，增强了化合物膜的形成 改变薄膜生长动力学，使其组织结构发生变化，导致薄膜的物理性能的变化,4.1.3离子镀膜工艺参数,气体压力 蒸发速率 蒸发源与基片间距离 沉积速率 基片温度 基片偏压,基片偏压对膜层密度的影响,离子镀工艺必须满足的基本条件,（1）在基片附近要有足够高的离化率 （2）到达基片的离子流密度 ji0.77mAcm2s （3）膜材粒子的流通量要满足 nni,4.1.4 离子镀膜装置,直流二极型离子镀装置 三极型或多极型离子镀装置 ARE活性反应离子镀装置 空心阴极放电离子镀装置,直流二极型离子镀装置,1.基片架（阴极） 2.蒸发源（阳极） 3.室体 4.蒸发电源 5.高压起源 6.充气系统 7.抽气系统,三极型或多极型离子镀装置,三极型离子镀装置,1.阳极 2.进气口 3.蒸发源 4.电子吸收极 5.基体 6.电子发射极 7.直流电源 8.真空室 9.蒸发电源 10.真空系统,1.阳极 2.蒸发源 3.基体 4.热电子发射阴极 5.可调电阻 6.灯丝电源 7.直流电源 8.真空室 9.真空系统 10.蒸发电源11.进气口,多阴极离子镀装置,ARE活性反应离子镀装置,1.真空室 2.膜材蒸发粒子流 3.散射环 4.探测极 5.烘烤装置 6.基片 8.坩埚,空心阴极放电离子镀装置,1.冷却水套 2.空心阴极 3.辅助阳极 4.聚束线圈 5.枪头 6.膜材 7.坩埚 8.聚焦磁场 9.基片,4.2 真空电弧离子镀膜,利用真空条件下的弧光放电进行基片表面涂层的技术称为真空电弧离子镀膜技术，简称电弧镀。真空电弧镀具有电压低、成膜快的特点，在制备硬质膜和装饰膜领域有广泛应用。,4.2.1 弧光放电及真空电弧镀机理,弧光放电,当阴极受到大量高速正离子轰击而被加热到高温时，因阴极产生显著的热电子发射，从而使等离子体放电中的阴极位降降低，放电电流增大。该阴极位降只需保持阴极区能量（即电流与阴极位降的乘积），即足以使阴极维持电子热发射所需要的温度，称之为弧光放电。,真空阴极电弧放电过程机理,探针的特性曲线,4.2.2 真空电弧镀蒸发源,圆形平面电弧镀蒸发源 矩形平面电弧镀蒸发源 圆柱形电弧镀蒸发源 环形平面电弧镀蒸发源 旋转式圆柱形电弧镀蒸发源 圆形平面可控电弧镀蒸发源 阳极真空电弧镀蒸发源,圆形平面电弧镀蒸发源 1.屏蔽罩 2.密封圈 3.靶材 4.水冷源体 5.磁体 6.引弧极,电弧源电流受力图,圆形平面可控电弧镀蒸发源,4.3 离子束辅助沉积技术,离子束辅助沉积技术是把离子束注入与气相沉积镀膜技术相结合的离子表面复合处理技术。即在镀膜的同时，使具有一定能量的离子不断地入射到膜与基材的界面，借助于级联碰撞导致界面原子混合，在初始界面附近形成原子混合过渡区，提高膜与基材之间的结合力，然后在原子混合区上，再在离子束参与下继续生长出所要求厚度和特性的薄膜。,离子束辅助沉积机理,利用轰击离子在膜层中发生的级联碰撞，增加了沉积膜材原子的迁移，减轻或削除了成膜过程中的阴影效应 荷能离子的轰击，使沉积膜材原子与基片原子之间相互扩散，形成一层相互混杂的混合层，提高了膜层对基片的附着力 离子束的轰击能提供了膜层原子间发生化学反应的激活能，有利于形成晶态化合，可在室温下制备出通常需要在高温下才能生成的化合物薄膜,离子束辅助沉积技术分类,蒸发镀的离子束辅助沉积技术 溅射镀的离子束辅助沉积技术 低压反应离子镀的离子束辅助沉积技术,蒸发镀的离子束辅助沉积技术,1.离子束源 2.蒸发源 3.室体 4.旋转基片架 5.加热装置,溅射镀的离子束辅助沉积技术,1.溅射离子束源 2.辅助离子束源 3.溅射靶 4.旋转基片架 5.烘烤装置 6.室体,低压反应离子镀的离子束辅助沉积技术,1.基片 2.离子束源 3.e型枪蒸发源 4.室体,4.4 离子束沉积技术,离子束沉积技术 利用离化的粒子作为镀膜材料，在比较低的基片温度下形成良好特性的薄膜的镀膜技术称为离子束沉积技术。,4.4.1 离子束沉积技术机理,离子束照射到基片或沉积膜层表面，由于入射离子能量的不同，可以产生沉积、溅射或离子注入效应。 离子束沉积技术要求入射离子的能量必须低于某一临界值EC，否则，由于溅射作用导致膜层不会生长。临界能量EC可定义为入射离子的溅射率为1时的能量。,Si基片上进行Ge+离子束沉积时Ge的沉积量与入射离子能量的关系,4.4.2 离子束沉积技术的分类,非质量分离式离子束沉积技术 质量分离式离子束沉积 技术 团簇离子束沉积技术 气固两用离子束沉积技术,质量分离式离子束沉积 技术,1.质量分离用偏转磁铁 2.偏转板 3.沉积室 4.硅基片 5.离子电流 6.四极虑质器 7.绝缘子 8.离子加速电源 9.引出电源 10.离子源,团簇离子束沉积技术,1.膜材 2.喷射口 3.冷却水 4.电离化所用电子的引出栅极 5.加速电极 6.热电偶 7.基片架 8.加热器 9.基片 10.挡板 11.团簇离子及中性粒子团束 12.离化用热电子灯丝 13.坩埚加热灯丝 14.坩埚 15.冷却水出口 16.冷却水入口,气固两用离子束沉积技术,1.坩埚 2.阳极筒 3.磁场线圈 4.放电室体 5.灯丝阴极 6.栅极 7.加速极,4.5 分子束外延技术,分子束外延技术,在超高真空系统中，将需要结晶的材料放入喷射炉（或称喷射源）内加热使其形成分子束，从炉中喷出后沉积在单晶基片上。基片温度稳定为几百度，沉积材料在基片上以单晶结构外延生长，从而可获得单晶薄膜。,分子束外延技术的特点,超高真空条件下进行的分子束外延，无污染，纯度高 生长速度缓慢（110m/h） 可获得大面积的表面和界面具有原子平整度的外延生长膜 可原位观察薄膜生长过程，研究生长机制 基片温度低（Si生长温度只需200） 膜层的组分和杂质可控制 缺点是生长时间长，真空度要求太高不易实现大批量工业性生产,影响分子束外延的因素,外延温度 基片晶体的擗开 工作真空度 残余气体 蒸发速率 基片表面的缺陷 电场 膜厚,分子束外延装置,1.蒸发室 2.俄歇电子谱仪 3.探测器 4.基片架与加热器 5.四极质谱仪 6. 电子计算机 7.电子枪 8. 离子溅射枪 9. 快门 10.喷射炉,电子计算机控制的分子束 外延装置示意图,4.6 微波电子回旋共振等离子体增强溅射沉积,工作原理,频率为2.45GHz的微波经过矩形波导管、同轴线和天线耦合进入等离子体放电室，在磁场强度0.0875T时，电子回旋运动与微波场产生共振，电子吸收微波能量，气体电离，产生高密度ECR等离子体。等离子体在发散磁场作用下，由放电室出口引入工作室，轰击基片上沉积的金属薄膜，形成金属化合物薄膜。,微波ECR等离子体增强溅射沉积装置示意图,1.微波天线 2.石英罩 3.等离子体放电室 4.磁场线圈 5.等离子体因出口 6.工作室 7.基片台 8.磁控溅射靶 9.旋转机构 p.接真空系统,微波等离子体溅射沉积特性,沉积温度低。AIN、TiN膜沉积温度约为100，与IBAD沉积温度相当 入射离子与已沉积的金属原子碰撞，增加已沉积原子的动能，增大被俘获的几率，加速薄膜沉积 附着强度高。在负偏压作用下，入射离子与金属离子有注入原子层的混合，形成薄膜-基片过渡层，提高附着强度 可制备严格化学计量成分的金属化合物薄膜 压力不变，等离子体密度随放电功率增加而增加；功率不变，等离子体密度随气压增加而增加 具有独立的磁控放电特性,CVD化学气相沉积,第一章 气相沉积技术概述,1.1气相沉积技术的定义 1.2气相沉积技术的分类 1.3气相沉积技术的特点 1.4气相沉积技术的应用,1.1气相沉积技术的定义,所谓气相沉积技术是利用在气相中物理、化学反应过程，在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层的方法。,1.2气相沉积技术的分类,1.3气相沉积技术的特点,几种不同PVD和CVD技术特性的比较,1.4气相沉积技术的应用,第二章 化学气相沉积技术,2.1化学气相沉积定义 2.2化学气相沉积物理化学基础 2.3化学气相沉积反应物质源 2.4化学气相沉积涂层质量影响因素 2.5化学气相沉积装置 2.6高温化学气相沉积技术 2.7中温化学气相沉积技术,2.1化学气相沉积定义,化学气相沉积(简称CVD)是一种化学气相反应生长法。在不同的温度场、不同的真空度下，将几种含有构成涂层材料元素的化合物或单质反应源气体，通入放有被处理工件的反应室中，在工件和气相界面进行分解、解吸、化合等反应，生成新的固态物质沉积在工件表面，形成均匀一致的涂层。,2.2化学气相沉积物理化学基础,2.2.1.CVD反应方式 2.2.2.CVD反应条件 2.2.3.CVD反应过程,2.2.1CVD反应方式,1）氧化还原反应 2）歧化反应 3）合成或置换反应 4）金属有机化合物反应,2.2.2 CVD反应条件,1）必须达到足够的沉积温度，各种涂层材料的沉积温度，可以通过热力学计算而得到。 2）在沉积温度下，参加反应的各种物质必须有足够的蒸气压。 3）参加反应的各种物质必须是气态（也可由液态蒸发或固态升华成气态），而反应的生成物除了所需的硬质涂层材料为固态外，其余也必须为气态。,2.2.3CVD反应过程,根据反应气体、排出气体分析和光谱分析，其反应过程一般认为有如下几步： 第一步：反应气体（原料气体）到达基体表面； 第二步：反应气体分子被基体表面吸附； 第三步：在基体表面上产生化学反应，形成晶核； 第四步：固体生成物在基体表面解吸和扩散，气态生成物从基体表面脱离移开； 第五步：连续供给反应气体，涂层材料不断生长。,2.3化学气相沉积反应物质源,1）气态物质源 2）液态物质源 3）固态物质源,2.4CVD涂层质量影响因素,1）沉积温度 2）沉积室压力 3）反应气体分压（配比）,2.5化学气相沉积装置,负压CVD装置主要由以下几部分组成：反应气体流量控制；金属卤化物蒸发、制取及输送；加热炉及温度控制；沉积室及盛料舟；沉积室压力控制；真空及废气处理。,负压CVD装置主要性能简要说明,1）反应气体流量及输送 2）加热方式及控制 3）沉积室及结构 4）真空及废气处理,CVD工艺技术分类,高温化学气相沉积 沉积温度900(简称HT-CVD) 中温化学气相沉积 沉积温度700900（简称MT-CVD） 等离子体增强化学气相沉积 沉积温度600（简称PECVD） 常压化学气相沉积（APCVD）,2.6高温化学气相沉积技术,2.6.1 HT-CVD硬质涂层的分类 2.6.2 HT-CVD的主要工艺参数 2.6.3HT-CVD对基体材料的要求 2.6.4HT-CVD技术一般工艺过程,2.6.1HT-CVD硬质涂层的分类,适合作硬质涂层的金属化合物种类很多，它们按化学键的特征，一般分为金属键、共价键、离子键三个类型。,2.6.2HT-CVD的主要工艺参数,1）沉积温度 2）反应室压力 3）各反应气体分压（配比） 4）涂层和基体界面,2.6.3HT-CVD对基体材料的要求,高温化学气相沉积工艺技术对硬质合金基体材料性能要求主要有以下几方面： 1）具有好的抗高温脱碳能力 2）具有高抗弯强度和韧性 3）具有高的热硬性和抗高温塑性变 形能力,2.6.4HT-CVD技术一般工艺过程,1）工件沉积前处理 2）装炉 3）检漏 4）加热升温 5）沉积 6）冷却 7）检查、包装,2.7中温化学气相沉积技术,2.7.1MT-CVD反应机理 2.7.2含C/N有机化合物的选用 2.7.3主要工艺参数的影响 2.7.4MT-CVD工艺过程及设备,2.7.1MT-CVD反应机理,所谓MT-CVD技术，是以含C-N原子团的有机化合物，如：CH3CN (乙腈)、(CH3)3N（三甲基胺）、CH3(NH)2CH3（甲基亚胺）、HCN（氢氰酸）等为主要反应原料气体，和TiCl4、H2、N2等气体在700900温度下，产生分解、化合反应，生成TiCN的一种新方法。,2.7.2含C/N有机化合物的选用,在MT-CVD技术中，常用的几种含C/N有机化合物有：CH3CN (乙腈)、(CH3)3N（三甲基胺）、CH3(NH)2CH3（甲基亚胺）、HCN（氢氰酸）。研究认为，这几种含C/N有机化合物都能在550以上与TiCl4、H2反应生成TiCN，但其中CH3CN在生成TiCN反应中产生的副产物少，对涂层性能有利，再加上其使用性能好、毒性相对小等优点，所以在MT-CVD技术中一般均采用CH3CN作为反应气体。,2.7.3主要工艺参数的影响,1）沉积温度对沉积速率的影响 2）TiCl4/H2摩尔比对沉积速率的影响 3）沉积反应压力对沉积速率的影响 4）影响涂层成分的主要因素 5）基体和界面对涂层质量的影响,2.7.4MT-CVD工艺过程及设备,MT-CVD技术所用设备系统，基本和HT-CVD技术是一样的，只是在设备系统中附加一套C-N有机化合物的蒸发、输送及流量、压力控制系统，即可满足MT-CVD技术要求。 中温化学气相沉积工艺过程除沉积工艺外，其他各工序都和HT-CVD工艺过程一样。,MT-CVD技术沉积工艺参数,沉积温度：700900； 沉积反应压力：200020000Pa； 主要反应气体摩尔比：CH3CN/ TiCl4/H2=0.01/0.02/1左右； 沉积时间：14h。,第三章等离子体增强化学气相沉积技术,3.1 PECVD的定义及分类 3.2 PECVD的工艺过程 3.3 PECVD的特点 3.4射频等离子体化学气相沉积技术 3.5直流等离子体辅助化学气相沉积技术 3.6脉冲直流等离子体化学气相沉积技术 3.7激光化学气相沉积技术 3.8金属有机化学气相沉积技术 3.9微波等离子体化学气相沉积技术 3.10分子束外延技术,3.1 PECVD的定义及分类,等离子体增强化学气相沉积技术（简称PECVD）采用气态物质源，工件接负高压电源。在等离子体电场中气体通过激发、离解、电离、离解电离、离解附着等过程变成为高能量的气体离子，分子离子、高能中性原子、自由基的高能粒子。在阴极工件表面反应沉积为金属硬质涂层化合物。,等离子体增强化学气相沉积技术种类很多，如直流PECVD、脉冲直流PECVD、金属有机化合物PECVD、射频PECVD、微波PECVD、弧光PECVD等。,3.1 PECVD的定义及分类,3.2 PECVD的工艺过程,1）安装工件。 2）加热工件。 3）抽真空。 4）轰击净化或离子渗氮。 5）按需要通入反应气体沉积硬质涂层。 6）沉积工序结束后，停止通入反应气体移开加热炉进行冷却，冷至100以下，即可打开沉积室取出涂层制品,经检查合格后,包装入库。,3.3 PECVD的特点,1）与CVD技术相同，膜层元素来源于气态物质，设备结构简单。 2）与CVD技术相同，膜层的绕镀性好。 3）与CVD技术相同，膜层的成分可在很大程度上任意调控，容易获得多层膜。 4）与CVD技术相比，由于非平衡等离子体激活反应粒子代替传统的加热激活，它可使集体的沉积温度显著降低。 5）涂层沉积前，可以对钢基体进行等离子渗氮，然后再进行涂层。这样渗氮和涂层在一炉同时完成，不仅简化了工艺、提高了生产效率，而且使涂层制品的性能有了更进一步的提高。,3.4射频等离子体化学气相沉积技术,以射频(RF)辉光放电的方法产生等离子体的化学气相沉积装置，称为射频等离子体化学沉积（RF-PCVD）. 一般射频放电有电感耦合和电容耦合两种。 为提高沉积薄膜的性能，在设备上，对等离子体施加直流偏压或外部磁场。 射频等离子体CVD可用于半导体器件工业化生产中SiN和Si02薄膜的沉积。,直流偏压式射频等离子体CVD装置,主要的工艺参数：,1）射频功率 2）气体流量 3）工作气压 4）温度,3.5直流等离子体辅助化学气相沉积技术,上图是直流等离子辅助化学气相沉积装置(DC-PCVD)的示意图，和上面谈及的RF-PCVD装置相比，最大的不同是电源。由图可知，DC-PCVD主要包括炉体（反应室）、直流电源与电控系统、真空系统、气源与供气系统、净化排气系统。这个装置，适宜把金属卤化物或含有金属的有机化合物经热分解后电离成金属离子和非金属离子，从而为渗金属提供金属离子源。 目前，DC-PCVD技术，基本上可实现批量应用生产，可以沉积超硬膜，如TiN、TiC、Ti(C，N)等超硬膜。,3.6脉冲直流等离子体CVD技术,主要工艺参数 ：,1）脉冲电压 2）脉冲频率 3）工作气压 4）气体配比 5）温度,3.7激光化学气相沉积技术,激光化学气相沉积是用激光诱导来促进化学气相沉积。它的沉积过程是激光光子与反应主体或衬底材料表面分子相互作用的过程，依据激光的作用机制，可分为激光热解沉积和激光光解沉积。 激光化学气相沉积装置，主要由激光器、导光聚焦系统、真空系统与送气系统和沉积反应室等部件组成。,激光CVD工艺的特点,和一般的CVD工艺特点相比，激光CVD工艺也有其独特的特点。如可局部加热选区沉积，膜层成分灵活，可形成高纯膜、多层膜，也可获得快速非平衡结构的膜层，沉积速率高，而且可低温沉积(基体温度200)；还可方便地在工艺上实现表面改性的复合处理。,激光CVD工艺的应用：,激光化学气相沉积是近几年来迅速发展的先进表面沉积技术，其应用前景广阔。在太阳能电他，超大规模集成电路，特殊的功能膜及光学膜、硬膜及超硬膜等方面都会有重要的应用。,3.8金属有机化学气相沉积技术,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)是使用金属有机化合物和氢化物(或其他反应气体)作原料气体的一种热解CVD法(金属有机源MO也可在光解作用下沉积)。它能在较低温度下沉积各种无机物材料，诸如金属氧化物、氢化物、碳化物、氟化物及化合物半导体材料和单晶外延膜。,与传统的CVD相比，MOCVD沉积温度低，沉积能力强。主要缺点是沉积速度较慢，仅适合沉积微米级的表面膜层，而所用的原料MO源，往往又具毒性，这给防护和工艺操作带来难度。 金属有机化学气相沉积设备一般由反应室、反应气体供给系统、尾气处理系统和电气控制系统等四个部分组成。反应室又分卧式和竖式。,MOCVD的应用：,1）化合物半导体材料：MOCVD的发展和技术的提升，主要用于微电子领域，特别是半导体材料外延工艺的要求。 2）涂层材料：这里所指的涂层材料主要是各种金属、氧化物、氮化物、碳化物和硅化物等。 3）在器件上的应用，电子器件和光器件。 4）细线和图形的描绘,3.9微波等离子体化学气相沉积技术,微波放电具有放电电压范围宽、无放电电极、能量转换率高、可产生高密度的等离子体。在微波等离子体中，不仅含有高密度的电子和离子，还含有各种活性基团(活性粒子)，可以在工艺上实现气相沉积、聚合和刻蚀等各种功能，是一种先进的现代表面技术。,微波等离子体化学气相沉积装置： 1）微波等离子体CVD装置 2）电子回旋共振等离子体CVD装置 (ECR Microwave Plasma CVD Reactor),应用：,微波等离子体CVD设备昂贵，工艺成本高。在设汁选用微波等离子体CVD沉积薄膜时，重点应考虑利用它具有沉积温度低和沉积的膜层质优的突出优点。因此，它主要应用于低温高速沉积各种优质薄膜和半导体器件的刻蚀工艺。目前，应用在制备优质的光学用金刚石薄膜较多。美国已经研制成半球形的金刚石导弹整流罩，并已实现了实用。,3.10分子束外延技术（MBE）,分子束外延技术是在超高真空条件下一种或多种组元加热的原子束或分子束以一定的速度射人被加热的基片上面进行的外延生长。分子束外延把生长的薄膜材料的厚度从微米量级推进到亚微米量级。,MBE的特点：,1）超高真空下进行的干式工艺，提供了极为清洁的生长环境 2）生长温度低，可清除体扩散对组分和掺杂浓度分布的干扰。 3）膜的生长速率高度可控。 4）可在大面积厂得到均匀性、重复性、可控制好的外延生长膜。 5）MBE是在非平衡态下生长，因此可以生长不受热力学机制控制的外延技术(如液相外延等技术)无法生长的又处于互不相溶的多元素材料. 6）MBE配置了多种在线原位分析仪器，可进行原位观察。,MBE装置的分类：,1）固态源分子束外延(SSMBE) 2）气态源分子束外延(GSMBE) 3）化学束外延（CBE） 4）金属有机物分子束外延 5）等离子体分子束外延（P-MBE）,分子束外延工艺：,1）化学清洗处理 2）热处理脱附 3）外延生长 4）掺杂,第四章 气相沉积设备,化学气相沉积工艺，是一个复杂的化学反应过程，它需要对沉积温度和各反应气体蒸发、生成温度；系统压力和各反应气体分压；各种反应气体流量；沉积时间等多项工艺参数进行严格控制，只有这样才能保证涂层制品的质量。所以生产用CVD涂层设备系统设计制造是非常重的。,CVD涂层设备系统主要技术指标,1）涂层材料种类 2）涂层工艺种类 3）沉积室有效恒温区尺寸 4）加热炉 5）沉积室反应气体压力 6）操作方式,CVD涂层设备系统各部分功能及设计要求,1)原料气体配送及再净化系统 2)金属卤化物及含C/N有机化合物蒸发、制取及输送系统 3)加热炉及温控系统 4)沉积室、底座及冷却罩系统 5)加热炉和沉积室升、降、移位系统 6)反应气体流量和沉积室压力控制系统 7)真空及废气处理系统 8)计算机自动控制系统,自动控制程序流程图,第五章 预处理主要辅助设备,5.1清洗 5.2刃口强化 5.3喷砂,5.1清洗,物件在涂层前，表面清洗质量好坏十分重要，它直接影响到涂层质量和涂层与基体之间的结合强度，影响到涂层制品的使用性能，所以涂层前必须对处理物件严格的清洗，达到工艺规定的要求。在大批量生产中，一般均采用多工位、机械化或自动控制的成套超声波清洗设备。具体清洗工艺按物件种类和表面情况、不同沉积工艺技术要求而有所不同。,对在机械工业中应用的硬质涂层制品，如工具、模具及耐磨损、耐腐蚀零件等，涂层前清洗工艺是： 1）物件装夹。 2）脱脂。 3）清水清洗。 4）碱溶液喷淋清洗。 5）最后清洗。 6）用热风吹810min，要保证所有物件 完全干燥。 7）清洗干净的物件，放入干净、密封的柜子里备用，防止二次污 染。,5.2刃口强化,5.2.1刃口强化的作用 1）使硬质合金刀具刃口由锋利的尖角，变成适当的圆弧，以提高刃口强度，改善刀具抗崩刃性能。 2）降低刀具（特别是刃口）的表面粗糙程度，增加涂层与基体之间的结合强度。 3）去掉刀具刃口的微小缺欠，改善刃口质量。 4）改善刀具表面应力状况，有利提高涂层质量。,5.2.2刃口强化工艺及设备,1）毛刷磨料研磨法工艺及设备 2）振动磨料研磨工艺及设备,5.3喷砂,对一些表面脏污严重或氧化严重的物件，在清洗前要喷细砂处理。去除赃物及氧化层。而对一些有特殊要求的涂层制品，在涂层后也要求进行喷砂处理，改善涂层制品的应力状态，提高其抗破损的性能。 涂层硬质合金制品喷砂处理，可以采用一般的喷砂机或采用喷丸设备。所用石英砂粒度及粒度分布、玻璃丸的力度、气体压力、喷嘴到工件的距离和角度，都是影响喷砂效果的重要因素。,第六章 膜层质量测试,6.1膜层宏观性能检测 6.2膜层内在质量测试,6.1膜层宏观性能检测,1.膜层硬度测量 涂层的硬度采用显微镜硬度计量。 显微硬度有两种测试表示方法： 1）维氏硬度 2）奴氏硬度。,2.膜层厚度测量,1）在线膜厚监控法 常用的有石英振荡法和极值法。 2）无损检测法、 3）破坏法 常用的有金相显微镜法、轮廓仪法、多光束干涉仪法、球痕法和球面法等。,3.膜层附着力测试,常用的方法有： 胶带剥离法 划线划格后急热急冷热循环试验法 划痕法,4.膜层内应力测试,1）X射线和电子衍射法 2）薄片变形法 3）光干涉法,6.2膜层内在质量测试,薄膜的性能取决于其内在质量，薄膜的内在质量包括： 1）成分 2）晶体结构 3）组织形貌,1.显微组织形貌分析,1）金相显微镜 2）扫描电子显微镜（SEM） 3）透射电子显微镜 4）扫描隧道显微镜和原子力显微镜,2.膜层的晶体结构分析,1）X射线衍射仪 2）电子衍射 3）拉曼谱仪,3.膜层成分分析,1）电子探针显微分析 2）俄歇电子能谱分析 3）X射线光电子能谱 4）离子探针显微分析,第七章气相沉积技术应用领域,7.1在硬质涂层中的应用 7.2在防护涂层中的应用 7.3在光学薄膜中的应用 7.4在建筑镀膜玻璃中的应用 7.5在太阳能利用领域中的应用 7.6在集成电路中的应用 7.7在信息显示器件中的应用 7.8在信心存储中的应用 7.9在装饰饰品中的应用,7.1在硬质涂层中的应用,硬质涂层在机械工业中，主要适用于切削工具、模具和耐磨损耐腐蚀零件的表面强化。硬质涂层能够显著提高工具、模具的使用寿命和被加工零件的质量。进入21世纪后，机械工业发展对涂层工具、模具工具性能的要求是“三高一专”（高效率、