薄膜浅谈.doc

目 录1薄膜的概念22薄膜的制作方法22.1相关知识及技术22.1.1真空22.1.2入射离子32.1.3等离子体32.1.4微波ECR等离子体源32.1.5溅射现象32.1.6溅射沉积42.3磁控溅射又叫磁控镀膜43薄膜的应用53.1薄膜在光学中的应用63.2薄膜在电子元器件中的应用：63.3薄膜在电子元器件领域的应用73.4薄膜在信息技术领域的应用73.5薄膜在力学领域的应用74总结710薄膜制作技术及应用 摘 要:随着薄膜越来越薄，量子效应显现，出现了许多新的性质，为新材料的发展提供了广阔的空间；几种不同性质的薄膜组合在一起，可以克服单一材料的缺点，设计出多功能的材料。薄膜技术在科学技术及国民经济中发挥着巨大的作用。本文综述了薄膜的制作过程中涉及的技术及方法，并详细介绍了物理制膜技术，着重论述了磁控溅射法，及其技术难点，研究方向；并简述了薄膜在光学、电子元器件及力学和信息技术等方面的应用。关键字：薄膜;薄膜技术;磁控溅射窗体顶端The Film Forming Technology And Its ApplicationAbstract:As the film thinner, quantum effects appear, there are many new properties, the development of new materials to provide a broad space; a combination of several different types of films together, can overcome the shortcomings of a single material, design more material functions. Thin film technology play a huge role in science and technology and the national economy. This paper reviews the techniques and methods of film production process involved, and details the physical film technology, focuses on the magnetron sputtering, and technical difficulties, research; and outlines the film in the optical, electronic devices and mechanical and information technology and otheand other applications. Keywords: film; film technology; magnetron sputtering;窗体底端薄膜制作技术及应用薄膜材料已经应用生活的方方面面，无论是技术生产还是日常生活都与薄膜息息相关。一方面这给薄膜的应用提供了十分广阔的前景，另一方面，也对薄膜技术提出了更高的挑战。例如，在机械加工的切削过程中，对刀片温度的测量实现过程中，由于其有变化快、难以实施精准监控等特点。所以，在这种情形下，要求温度传感器反应灵敏、精确性高、可靠性高。而薄膜温度传感器具有体积小热容量小、灵敏度高操作简便等优点，能够比较理想地满足要求。总之，薄膜材料为各种各样的生活生产提供了最佳的机会。.薄膜在为电子领域的应用、推广，使得电子元器件的提及越来越小、功能越来越多，而且，成本也越来越低，批量化生产越来越普及。故薄膜在电子元器件制造领域，占有十分重要的地位，其中，薄膜电阻、薄膜电容、薄膜声表面波器件应用相广泛。1薄膜的概念薄膜是一种特殊的物质结构，在厚度方向上物质的连续性中断，所以，薄膜材料与块状材料相比具有很否不同的性质。现在，薄膜材料，不仅仅是一门独特的应用技术，而且是改进某些工艺的不可代替的手段。2薄膜的制作方法薄膜的制作方法有很多种，如物理气相沉积法，化学气相沉积法，离子注入法等。其中由于固体材料在一定条件下所发生的溅射和蒸发现象是所有物理沉积制备薄膜技术的物理基础，故物理气相沉积法中溅射法是应用最广泛，最基础。下面先介绍几个相关的概念，再介绍直流溅射、射频溅射、磁控溅射等技术较为成熟的几种其中物理方法，其中详细探讨了磁控溅射的原理。2.1相关知识及技术2.1.1真空真空是指气压低于一个大气压的空间，并非没有任何物质，现在能获得的最低真空中，每立方厘米仍有几百个分子。所以真空的概念是相对的，其程度是用所指空间的压强来表征的，叫做真空度，随着空间压强的减小，起表现出的性质也将不同。为了研究的方便，我们把真空分为粗真空、中真空、高真空、超高真空等四个等级。真空的获得真空泵是获得真空的关键设备，但是真空系统的真空度不仅仅由真空泵决定，它还与管道等的设计有关。所以，真空泵、真空室及管道和阀门选配十分关键；一般来说尽，可能地选用粗而短的管道尤为重要。2.1.2入射离子溅射镀膜中，通常利用低压惰性气体的辉光放电来产生入射粒子。其中，阴极为镀膜材料，阳极为基片，真空室中通入0.1Pa-10Pa的Ar，阴极靶加直流负高压，产生辉光放电，得到等离子体。辉光放电是指低压气体中显示辉光的放电现象，是稀薄气体的自发放电现象。2.1.3等离子体等离子体又叫电浆，是由原子或原子团被电离而产生的离子和离子团，组成的气状物，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，具有显著的集体行为，常被视为物质存在的第四态。2.1.4微波ECR等离子体源微波电子回旋共振（ECR）离子源是一种无阴极源，电离能力很强，约10%，等离子密度很高（1081014Pa/cm3）、气压低（101Pa级）、性能稳定等优点，而且反应粒子活性高、离子能量低、无高能粒子损伤。又由于受磁场束缚污染少、等离子体与反应室壁的相互作用少。所以，它是一种低气压、高密度的等离子源，能在较低的气压下产生大面积均匀的高密度等离子体。微波ECR等离子体溅射有以下特点：工作气体的电离率高，能够产生高密度的等离子体；溅射气压低，低于磁控溅射的工作气压，在这个气压范围内，溅射粒子的平均自由程大于靶基距离，这样，溅射离子就不会因为碰撞而损失能量，这就意味着，薄膜生长所需要能量中性粒子也可以提供，而不是仅仅依靠离子。微波ECR等离子体离子能量低，对基片碰撞弱，损伤小。微波ECR有可能实现低温条件下合成亚稳态薄膜，创造出更多新材料，开辟一个全新的领域。2.1.5溅射现象用带有几十电子伏特动能的粒子（入射离子）去轰击固体表面时，靠近固体表面的原子会获得轰击粒子的一部分能量，当这部分能量足以克服固体表面的束缚时，这些原子就会脱离固体而进入真空，这种现象叫溅射。由于粒子易于在电磁场中加速、偏转，故荷能粒子一般是离子，称为溅射粒子；被轰击的固体称为靶，从靶上溅射出来的粒子或粒子团叫溅射原子。2.1.6溅射沉积溅射沉积过程主要分样品准备、抽真空、溅射清洗、溅射沉积等。清洗是为了避免膜表面凹凸不平，使得临界厚度增加。抽真空是为了减少杂质离子对成膜过程的影响。溅射清洗主要是用高能粒子轰击衬底表面，以排除衬底表面吸附的气体及有机物，而且同时能够增加表面的微观粗糙程度，提高薄膜的附着力。在以上操作都完成以后，才可以溅射沉积。薄膜形成以后，因薄膜太薄，机械强度差，必须设计一个连接结构来承受制和使用过程中有可能出现的外力及变形。这些多是必须考虑的因素。 2.2物理制模技术2.2.1直流溅射直流溅射又叫二级溅射，是最简单、最成熟、最早利用的溅射方法之一。一般用平行板型电极结构。在真空室内，以渡材料为阳极，基片放在阳极上，抽为高真空后，充入工作气体至10Pa左右，两极加高压电，就会产生辉光放电，放电气体中的离子轰击耙表面，使溅射粒子沉积在基体表面上形成薄膜。直流溅射的优点是应用范围广、方法简单，可以溅射高熔点、低蒸汽压的元素。但是，在直流溅射中，带电的离子在靶材和基体上堆叠，从而形成屏蔽电场，从而影响沉积的进行，使沉积速率下降，效果差，效率低，成本高，无法满足生产要求。 2.2.2射频溅射射频溅射是在直流溅射装置的两极间加高频电压，一般为530MHz，这样在上半周期吸附于极板的电荷，在下半周期时就被释放，不会形成电荷积累，影响沉积。高频溅射沉积的膜结构紧密、牢固。由这种方法制成的电学膜应用广泛，但是其均匀性比较差，厚度不易控制，故在光学膜中应用很少。由于射频溅射是在直流溅射的基础上设计的，直流溅射不能很好的应用于介质材料的沉积这个难题，射频溅射在一定程度上解决了。2.2.3反应溅射如果在上述溅射方法的基础上，在沉积过程中加入反应气体，使溅射粒子和反应气体发生化学反应，从而合成化合物薄膜，就是反应溅射。其特点是：耙材与反应气体比较容易获得较高的纯度，所以可以获得高纯度的薄膜；可以通过调节各组分来调节薄膜的性质；反应过程中基片的温度不会升得很高。因此，对基片的限制很少；能够大面积均匀镀膜，可用于大规模工业生产，快速应用于生活。2.3磁控溅射又叫磁控镀膜磁控溅射是物理气相沉积的一种。在真空中利用荷能粒子轰击耙表面时，被轰击出的粒子沉积在基片上，形成薄膜。它有效地克服溅射效率低、基片温度升高快、靶材浪费多的弱点，故又称为高速低温溅射。具有设备简单、易于控制、镀膜面积大及附着力大等优点，从而获得广泛的应用 2.3.1原理 （1） 磁控溅射的原理是电子在强电场1kv3kv中，与Ar原子发生碰撞，使其电离产生Ar离子和电子。Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，以高能状态轰击耙平面，使耙材料发生溅射。在此过程中，中性的靶原子和分子沉积在基片上，形成薄膜。由于被溅射出的原子具有很高的能量，有利于提高粒子沉积时的扩散能力，提高薄膜的致密性，使薄膜与基片有较强的结合力。另一方面，产生的新电子在电磁场的作用下发生漂移，飞向基片，其轨迹可近似为一条摆线。所以其路径很长，而且是在靠近靶表面的等离子区域，这样电子就与Ar分子充分碰撞，解决了因低电压、低气压下，产生离子数目少，靶材溅射效率低的难题，使Ar离子浓度升高，提高膜的生长速度，并且使电子的速度减到很小，基片的温度不会很快升高。（2）磁控溅射中涉及到复杂的散射过程，多次的能量传递过程：入射离子与靶材原子的碰撞，将其部分能量传递给靶材原子，使得有些靶材原子的能量挣脱周围原子对它的束缚，从而从晶格点阵中逃出，并继续与附近的原子碰撞，发生级联碰撞。当这种级联碰撞传到晶格表面时，靠近靶材表面的受碰原子获得的能量大于表面结合能，原子就能脱离靶材表面而进入真空。2.3.2影响因素薄膜沉积过程实质上是包膜材料的成核与生长过程，影响其质量的因素主要有溅射真空度、溅射时的氧分压、溅射功率、溅射时间等。（1）溅射的是真空度 ：在溅射前对真空室预抽高真空，真空度越高越高，就越能避免杂志离子对薄膜质量的影响。（2）氧分压：氧分压直接影响薄膜的纯度。（3）溅射功率：溅射功率越大，轰击出的靶原子或分子的数目就越大，沉积到基片上的速度就越快；但是，膜的疏松度、颗粒度越大，膜的质量下降，薄膜易龟裂，且多杂质。溅射功率越小沉积速度小，制膜效率低；但是，膜的质量高。（4）溅射时间：在溅射功率与真空度相同时，溅射膜的厚度与溅射时间有很好的线性关系：即，时间越长，膜的厚度越大；时间越短，膜的厚度越小。2.3.3直流溅射技术的关键 对于不同的材料、目的，选择、控制溅射过程的真空度、功率、溅射时间，是目前的技术难点，对于提高渡膜的效率、降低生产成本，一直是科学技术的核心任务。3薄膜的应用3.1薄膜在光学中的应用光学薄膜由薄的分层介质构成，是同过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用已有近百年历史，始于20世纪30年代，现已广泛应用于光学、光电子技术等领域，在改善各种光学器件方面有着不可替代的作用。例如，根据薄膜的光学性质，可以改变镜片表面对光的透射、反射能力。主要的光学薄膜器件有反射膜、增透膜、偏振膜等。这些光学薄膜在日常生活得到广泛的应用，获得科研工作者日益重视。比如，使用增透膜后，使复杂的光学透镜组的光通量损失数十倍的减少；采用高反射比的反射膜后，可使激光器的输出功率数倍提高等。最简单的光学膜是光滑而各向同性的均匀介质薄膜，在这时，可以用光的波动理论来探究它的各种光学性质。当一束单色光光学膜上时，在它的两个表面分别发生反射、直射，其遵循反射定律、直射定律及菲尼尔公式。下面注重介绍一下增透膜相关研究。3.1.1增透膜：光学仪器中各种元件界面的反射光，不仅影响光的通透率，而且还造成光污染，严重影响仪器的成像质量。所以在元件表面镀膜，以提高光在透镜中的通透率。根据不同透镜的功能，可以设计出对各种频率光波通透性不同的薄膜，实现对透过光波的选择。在光学透镜表面镀一层低折射率的介质，如果介质的厚度刚好为红光在这种介质中传播时波长的1/4，那么在这个薄膜两侧的反射光就会发生干涉；而且根据干涉原理，它们会发生干涉相消。所以，在透镜的光线反射方向上就看不见反射光。增透膜的设计不仅要考虑它的光学性质，而且还需考虑它的力学性质、热学性质，比如硬度、耐热性、耐寒性、吸热性以及与玻璃等光体结合力度等。虽然金刚石是目前性能最好的材料，但是存在工艺复杂、成本太高等难以解决的难题，大规模生产还难以实现，所以人们常用的材料有氯化镁等。另外一个难题是，光学薄膜对均匀性的要求比较高，而且厚度要控制在波长的1/4的数量级。3.1.2反光膜在光学透镜表面镀一层折射率高的介质，以提高透镜表面对广播的反射能力，同样，也可以调节反射光波的范围，以满足各种不同镜片的需要。3.2薄膜在电子元器件中的应用：3.2.1薄膜电阻器：薄膜电阻器是用绝缘材料为衬底，溅射或蒸镀的。首先，在绝缘衬底上溅射或蒸镀一层金属合成膜，然后通过修编技术来调整其阻值，最后焊上引线并封装。薄膜电）阻具有温度系数小、噪声低、寿命长等优点。3.2.3薄膜电容器：薄膜电容器被广泛应用于模拟型号连接的地方。它是将金属薄膜与聚丙烯等塑料薄膜，从两端重叠卷成圆筒状的结构的电容器。如PP电容，具有很都优点，无极性、绝缘阻抗高、频率响应宽广，且介质损伤小。由于它具有如此优越的性质，被广泛应用于模拟电路。尤其在信号交接部分，必须使用频率特征好、介质损失少的电容器，才能保证信号在传输时不会有太多的失真。现在市场上的高品质音响的零部件大多采用PP电容等。薄膜电容器的一种制造方法是金属化膜法，即在塑料膜上真空蒸镀上一层金属做电极。这样的电容器体积更小、容量更大。薄膜电容器是电子产品的重要零部件。3.2.4薄膜电路薄膜技术在电子元器件制造领域的应用已十分广泛，其优良特性几乎不可替代。薄膜电路是薄膜在此领域的领域的一个重要分支。它是将电路所需的各种元器件及引线全部用厚度在1um以下的薄膜构成，即通过真空蒸镀、溅射、电镀等工艺在抛光的基片上制作导线与绝缘介质膜、构成相互交叠的多层互联结构。因为它具有互联密度高、集成度高、可制作多功能电路、整个封装结构具有系统级功能等突出优点，在微波领域