真空镀膜技术和真空镀膜机

第二章薄膜制造技术，2.4迪通恒业技术开发的外延制膜技术，2.3富森钛金设备开发的溶液涂层技术，2.2薄膜的化学气相沉积，2.1薄膜的物理气相沉积，第一节薄膜的物理气相沉积，2.1.1引言，薄膜沉积方法是获得薄膜的关键。 薄膜材料的质量和性能不仅与薄膜材料的化学组成有关，而且与薄膜材料的制备工艺有一定的关系。 随着科学技术的发展和各学科之间的相互交叉，新的薄膜制造技术相继出现。 这些薄膜制备方法的出现，不仅大大改善了薄膜的质量，而且为发展新的薄膜材料提供了必要的制备技术。 第二节薄膜的物理气相沉积，2.1.1引言，薄膜的制备方法包括： 1、气相沉积法PVD:PhysicalVaporDeposition，无化学反应的CVD:ChemicalVaporDeposition，化学反应2，非气相沉积法(主要为液相)，第一节薄膜的物理气相沉积，2.1.1引言， 真空蒸发溅射沉积、离子镀、物理气相沉积(PVD )、化学气相沉积(CVD )、气相沉积、电阻加热、电弧放电加热、感应加热、电子束加热、激光加热、化学反应法、热分解法、直流溅射、高频溅射、磁控溅射、离子束溅射， 直流二极型离子镀、高频放电离子镀、等离子体离子镀、氢还原法、卤素输送法含氢化合物分解法、有机金属热分解法、分子束外延固相外延、离子外延、第一节薄膜的物理气相生长、2.1.1引言、非气相生长、氧化法离子注入法、扩散法、电化学法、涂布法、液相生长法、Sol-gel法、高温氧化、低温氧化、阳极氧化、气相扩散、固相扩散、电解电镀、无电解电镀溶液输送法、溶液温度减少法、第一节薄膜物理气相生长法、2.1.2PVD法、物理气相生长法(PVD )是物质的热蒸发或粒子碰撞时的物质表面原子的溅射，块状材料(靶材料)，薄膜，物质输送能量输送，能量，基板，第1节薄膜的物理气相生长，2.1.2PVD法，方法的核心点：薄膜材料通过物理方法生成并输送到基板表面的电镀方法； 通常为固体或熔融源，一般在气相或基板表面没有化学反应； 需要相对较低的气体压力环境： a )其他气体分子对气相分子的散射作用小的b )气相分子的运动路径大致为直线的c )气相分子在基板上的堆积概率接近100%。 典型技术：蒸镀膜、溅射膜； 技术特点：真空度高，沉积温度低，设备比较简单。 薄膜质量控制度小，表面容易变得不均匀。 第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、要点：真空蒸镀原理蒸发源的蒸发特性和膜厚分布蒸发源的类型合金和化合物的蒸发、真空蒸镀法(简称真空蒸镀)是真空室，在蒸发容器中加热形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化而脱离，形成蒸气流，入射到基板表面，冷凝、第一节薄膜物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、加热丝、加热舟、坩埚、箱状源、常用蒸发源、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、(1)优点：成膜速度快：0.150m/min，设备比较简单用口罩可以得到清晰的图案；薄膜生长机理简单。 (2)缺点：薄膜附着力小，结晶不完全，工艺的再现性不充分，膜厚控制困难； 胶卷的质量不太好。第一节薄膜的物理气相沉积、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、基本过程： (1)加热蒸发过程、凝聚相气相阶段的主要作用要素：饱和蒸汽压(2)输送过程、气化原子或分子的蒸发源与基板之间的输送阶段的主要作用要素：分子的平均自由行程(工作气压)、源-基间距离(3) 基板表面堆积过程气相固相凝聚成核连续薄膜、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、气体和蒸汽、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法，各气体具有特定的温度，高于该温度时，气体不能通过等温压缩液化，该温度温度高于临界温度的气体物质叫做气体，温度低于临界温度的气体物质叫做蒸汽。 注意：蒸汽不是理想的气体！ 只在较低的气压下符合理想的气体方程式。 气体与蒸汽、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、临界温度不是沸点！ 第一节薄膜的物理气相沉积，2.1.2PVD法，一、真空蒸镀法，在一定温度下，气、固或气、液两相平衡时，蒸汽压力称为该物质的饱和蒸汽压力。 饱和蒸气压(Saturationvaporpressure ) :注意：根据液体(或固体)的性质和温度，与液体(或固体)的存在量无关。 饱和蒸汽压，在一定温度下蒸发(或升华)的蒸汽分子量，物质的蒸发(或升华)能力，第1节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PvD法，一、真空蒸镀法，饱和蒸汽压：球杆克劳狄方程式：PV :饱和蒸汽压； vapHm :温度t下纯液体的摩尔汽化热； varphm与温度无关，或者温度范围小，因此，假设varphm可近似为常数，积分上式、得：第二节薄膜的物理蒸镀、6.2.2PVD法、一、真空蒸镀法、饱和蒸汽压：第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、第一节薄膜的物理蒸镀2.1.2PVD法一、真空蒸镀法、第一节薄膜的物理气相生长、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、饱和蒸汽压为10-2Torr时的温度。 由此，蒸发材料为：1)蒸发：蒸发温度大于熔点，多数金属2 )升华：蒸发温度小于熔点Cr、Ti、Mo、Fe等，蒸发温度，第1节薄膜物理蒸镀，2.1.2PVD法，1，真空蒸镀法，蒸发速度，气相分子的入射频度：其中， 不是所有气相分子入射到液面时凝结，而是C :凝结系数，n :分子密度Va :平均速度m :分子质量，分子运动论：第一节薄膜的物理气相生长，2.1.2PVD法，一、真空蒸镀法，蒸发速度，蒸发进入动态平衡时，气液和液气分子数相等，n :蒸发分子(原子数)，a :蒸发表面积， t :时间、Pv :饱和蒸汽压、Pk :液体静压v :蒸发系数Hertz-Knudsen-Langmuir式、v是否与c相等尚不确定，1、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、蒸发速度、最大蒸发速度： HKL式中v=1、Pk=0， 质量最大蒸发速度：第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法蒸发速度、实际蒸发过程中影响蒸发速度的要素饱和蒸汽压温度蒸发物质的分子量表面清洁度蒸发源的形状等，第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、蒸发速度、影响蒸发速度的要素：温度， 例如Al :温度变化1%、蒸发速度变化19%、公式：代入HKL式进行微分，则、1、需要正确控制蒸发速度时，必须正确控制光源温度。 2 .加热过程中应注意避免过大的温度梯度。从第1节薄膜的物理气相生长、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、1、薄膜纯度来看，单位时间内通过单位面积的气体的分子数：在25的情况下，在10-5托的情况下，Ng为10151016个/cm2s左右，此时，蒸发原子和杂质原子以大致1:1到达基板，在本底蒸发源物质的纯度加热装置、坩埚的污染、第一节薄膜的物理气相沉积、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、大气残留物(O2、N2、CO2、H2O )、泵油蒸气的扩散、真空室的吸气对真空蒸镀膜的质量有重要影响。 在设计优良的系统中，真空泵逆流扩散作用不明显。 P10-4Pa时，主要是拆装的真空室的吸气。 水蒸气的影响大，容易与金属膜反应，或者与w、Mo等加热材料反应，生成氧化物和氢。 从残留气体影响、第一节薄膜的物理气相沉积、2.1.2PVD法、第一、真空蒸镀法、2、碰撞概率的观点：背景真空度的选择考虑蒸发分子与残留气体分子的碰撞问题： N0个蒸发分子在飞行x距离后，未受到残留气体分子碰撞的数量：碰撞分子的百分比： 第一节薄膜的物理气相沉积2.1.2PVD法，一是真空蒸镀法，Example:为f0.1，源极间距为25cm时为P310-3Pa，为了有效地减少蒸发分子在过渡中的碰撞现象，可以使用 源极间距，第一节薄膜的物理气相沉积，2.1.1 膜厚的影响因素a，蒸发源的特性b .基板和蒸发源的几何形状，相对位置c .蒸发物质的蒸发量。 第一节薄膜的物理气相沉积、2.1.2PVD法、一、真空蒸镀法、蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，为了理论计算膜厚，找出其分布规律，进行了以下假设：1)蒸发源附近的蒸发原子间或分子间不发生碰撞；2 )蒸发原子或分子与残留气体分子间不发生碰撞第一节薄膜物理蒸镀，2.1.2PVD法，一、点蒸发源，蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，特征：向所有方向等量蒸发，:蒸发膜的密度t :蒸发膜的厚度，第一节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，一、点蒸发源，蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，最大厚度：=0时：其他情况： 第一节薄膜物理蒸镀2.1.2PVD法，二、小平面蒸发源、蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，特征：发射特性向角方向蒸发的材料的质量与cos成比例，最大厚度：正上方：=0，=0时：第一节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，蒸发源的蒸发特性和膜厚分布， 点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性好，但堆积速度相当低，原料的每单位质量的膜厚为1/4，第一节的薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，三，枯烯的蒸发源，蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，2r、l，分子流，第一节的薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，四，细长的平面蒸发源蒸发源的蒸发特性和膜厚分布由相当于热丝的多个小平面蒸发源构成，ds蒸发成d的质量，第1节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，4，细长的平面蒸发源，蒸发源的蒸发特性和膜厚分布，可以导致膜厚变化：积分后：第1节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD 环状蒸发源、蒸发源蒸发特性和膜厚分布、蒸发特性、dS1相当于小平面源的第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、实际的蒸发源的发射特征、1 )点源：发针形蒸发源、电子束蒸发源2 )小平面蒸发源：蒸发船3 )平面蒸发源：坩埚、圆锥形蒸发源4 )柱状蒸发源：蒸发材料润湿的螺旋第一节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，蒸发源与基板的相对位置，1 .点源，蒸发源为球心，基板放置在球面上可得到均匀的薄膜。 =0时，t为常数：蒸发源，基板处于同一球面上，可得到均匀的薄膜。 第1节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、蒸发源与基板的相对位置配置、2 .小平面源、蒸发源可直接配置在基板的中心线上：第1节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、蒸发源与基板的相对位置配置、3 .在小面积基板的情况下为a、基板公转自转的行星方式运动b， 取代单一蒸发源而采用多个分离点源的第1节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、蒸发源与基板的相对位置配置、4 .大面积基板的情况下为1点蒸发源、等间隔、等蒸发速度的4点蒸发源、不等间隔、等蒸发速度的4点蒸发源、等间隔、不蒸发速度的4点蒸发源、:膜厚最大相对偏差、第1节薄膜的物理蒸镀， 2.1.2PVD法蒸发源的加热方式，电阻加热法电子束加热法的高频感应加热激光加热，第1节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，蒸发源的加热方式，1 .电阻蒸发源，蒸发源材料的要求1 )熔点高，熔点高于被蒸发物质的蒸发温度(10002000)饱和蒸汽压低，蒸发源材料的蒸汽要求：蒸发材料蒸发温度低于蒸发源材料的平衡蒸气压为10-8torr时的温度. 3 )化学性能稳定，不与蒸发材料反应。 4 )耐热性好，热源变化时，功率密度变化小。 5 )经济耐久性。 第一节薄膜物理蒸镀，2.1.2PVD法，蒸发源的加热方式，1 .电阻蒸发源，加工性能： w最差，室温脆，需要400的高温退火，优选Mo，Ta最好，第一节薄膜的物理蒸镀，2.1.2PVD法，蒸发源的加热方式，1 .电阻蒸发源，金属蒸发源与电镀的反应罐铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽的改良方法：陶瓷坩埚、第一节薄膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、蒸发源的加热方式、1 .电阻蒸发源、镀敷与蒸发源浸润性浸润时、面蒸发源未浸润时，点蒸发源、线状蒸发源镀敷、第一节薄膜的物理气相沉积、2.1.2PVD法、蒸发源的加热方式、1 .电阻蒸发源、各种形状的电阻蒸发源、1 )线状、a )、b )要求润湿性，电镀为线状. 但是浸润好意味着轻微的合金化，只能使用一次。 c )要求润湿性，电镀可丝状、块状升华性材料(Cr )、润湿性材料(Ag、Cu )蒸发加热丝的直径：0.5-1mm、特殊1.5mm、多股、第1节膜的物理蒸镀、2.1.2PVD法、蒸发源的加热方式、1 .电阻蒸发源、各种形状的电阻蒸发源、2 )蒸发船、金属箔制， 箔厚0.05-0.15mm使块状、丝状、粉状的电镀蒸发，避免局部过热，注意不产生溅射，第一节薄膜的物理蒸