真空镀膜技术

1、固体物理实验方法固体物理实验方法二，真空镀膜技术二，真空镀膜技术物理气相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积 物理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。到薄膜的可控原子转移过程。真空蒸发真空蒸发1，将待，将待蒸发材料加热使蒸发材料加热使其由凝聚态变为气态。其由凝聚态变为气态。2，气态材料中的物质粒，气态材料中的物质粒子向温度较低的基片子向温度较低的基片运行。运行。3，粒子到达基片后凝结、，粒子到达基片后凝结、形核、生长、成膜形核、生长、成膜 。真空泵真空泵基片基片气相

2、物料气相物料蒸发源蒸发源电极电极电阻加热式蒸发源电阻加热式蒸发源蒸发条件蒸发条件Spp:Sp物料的饱和蒸气压物料的饱和蒸气压:p物料的气相分压物料的气相分压lnSBpAT加热方式：加热方式：低电压大电流供电低电压大电流供电（100 A）对蒸发源材料的要求：对蒸发源材料的要求：高熔点高熔点（10002000 ）低饱和蒸气压低饱和蒸气压高化学稳定性高化学稳定性常用的蒸发源材料：常用的蒸发源材料：W,Mo,Ta等等电阻加热式蒸发源电阻加热式蒸发源电阻加热式蒸发存在的问题电阻加热式蒸发存在的问题 物料与蒸发源发生反应；物料与蒸发源发生反应； 无法蒸发某些难熔材料；无法蒸发某些难熔材料； 合金或化合物可

3、能发生成分偏移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电子束蒸发源电子束蒸发源利用高能电子束轰击材料表面，将电子动能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。转化为热能，实现对材料的加热蒸发。 阴极灯丝阴极灯丝电子束电子束物料物料冷却水冷却水e型电子枪型电子枪脉冲激光沉积（熔射，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利用高功

4、率脉冲激光加热蒸发材料以形成薄膜光源：光源：XeCl，KrF，ArF准分子激光准分子激光XeCl激光器，波长激光器，波长:308nm，脉宽：，脉宽：2030ns，能量：能量：100mJ/脉冲，脉冲重复频率：脉冲，脉冲重复频率：120 HzThin Solid Films. 189,283 (1990)XeCl激光器，波长激光器，波长:308nm，脉宽：，脉宽：2530ns，能量：能量：1J/脉冲，脉冲重复频率：脉冲，脉冲重复频率：1 HzKrF激光器，波长：激光器，波长：248nm，脉宽：，脉宽：2530ns，能量：能量：650mJ/脉冲，脉冲重复频率：脉冲，脉冲重复频率：5 Hz材料表面辐射

5、能：材料表面辐射能：13J/（脉冲（脉冲cm2）J. Appl. Phys. 68,1354 （1990） 薄膜组分几乎没有偏离。薄膜组分几乎没有偏离。 实现高质量的外延生长。实现高质量的外延生长。铁电陶瓷如钛酸铋，钛酸钡等，高温超导铁电陶瓷如钛酸铋，钛酸钡等，高温超导材料（材料（YBaCuO），庞磁电阻（），庞磁电阻（LaCaMnO），MgO，TiO等。等。PLD技术的优势技术的优势溅射镀膜原理溅射镀膜原理一，溅射镀膜的基本过程一，溅射镀膜的基本过程基片基片（衬底）（衬底）Cu（靶材）（靶材）-+仪器构造仪器构造进气进气（Ar）+真空泵真空泵排气排气入射离子与靶材的相互作用入射离子与靶材的相

6、互作用+衬底衬底薄膜薄膜+靶材靶材-+靶材靶材-+高浓度气体难以电离：高浓度气体难以电离：电子平均自由程太小电子平均自由程太小二，入射离子的产生：气体等离子辉光放电二，入射离子的产生：气体等离子辉光放电极少量的高能宇宙极少量的高能宇宙射线电离出极少量射线电离出极少量的游离电子和正离子的游离电子和正离子解决方案：抽真空解决方案：抽真空0.110.0 Pa等离子体伏安特性等离子体伏安特性靶材靶材-+VIO汤森放汤森放电区电区正常正常辉光辉光放电放电区区异异常常辉辉光光放放电电区区非非自自持持放放电电区区过过渡渡区区弧弧光光放放电电区区包含大量包含大量二次电子二次电子-阿斯顿暗区阿斯顿暗区阴极辉光区

7、阴极辉光区阴极暗区（克鲁克斯暗区）阴极暗区（克鲁克斯暗区）负辉光区负辉光区法拉第暗区法拉第暗区阳极光柱阳极光柱+维持辉光放电及影响维持辉光放电及影响溅射效率的关键因素：溅射效率的关键因素：阴极暗区电位降阴极暗区电位降负辉光区电位升负辉光区电位升三，高效能的溅射镀膜技术：磁控溅射三，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提高溅射产能的方法：通过增加电离度提高正离子数量正离子数量+靶材靶材-范艾仑辐射带的形成示意图范艾仑辐射带的形成示意图靶材靶材NS 靶材靶材圆形平面溅射源（枪）圆形平面溅射源（枪）S冷却水冷却水屏蔽罩屏蔽罩固定环固定环磁铁磁铁平面溅射源表面磁场与电子

8、轨迹平面溅射源表面磁场与电子轨迹http:/ http:/ http:/ http:/ 磁控溅射磁控溅射利用磁场对电子的束缚，增加电子运行路径，从而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。大幅度提高电离度，获得较高的溅射产能。http:/ - -正半周正半周负半周负半周ut指向绝缘靶材的自偏压指向绝缘靶材的自偏压射频溅射频率：射频溅射频率：13.56MHz绝缘基片的自偏压？绝缘基片的自偏压？ 与阳极板之间存在漏电与阳极板之间存在漏电 溅射源的形状溅射源的形状 射频射频磁控磁控溅射溅射E导体靶材导体靶材-+- - -射频溅射导体靶材射频溅射导体靶材阻抗匹

9、配阻抗匹配化学气相沉积化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) 气相前驱物通过化学反应生成固态气相前驱物通过化学反应生成固态薄膜。薄膜。热热CVD基片（加热）基片（加热）携载气体携载气体+前驱物前驱物进气进气排气排气固态生成物固态生成物表面附着、扩散表面附着、扩散 化学反应化学反应气态生成物气态生成物 热分解热分解 SiH4 (气) = Si (固)+ 2 H2 (气） 还原反应还原反应 SiCl4 (气) + 2 H2 (气) = Si (固)+4 HCl (气） 氧化反应氧化反应 SiH4 (气) + O2 (气) = SiO2 (固) + 2 H2 (气) 氮化

10、反应氮化反应 3 SiH4 (气) + 4 NH3 (气) = Si3N3 (固) + 12 H2 (气) 化合物化合物 Ga(CH3)3(气) + AsH3 (气) = GaAs (固) + 3 CH3 (气) 常压反应器常压反应器 不采用真空装置的不采用真空装置的CVD技术，设备简单但需技术，设备简单但需要大流量携载气体，得到的膜污染程度较高。要大流量携载气体，得到的膜污染程度较高。 低压反应器低压反应器 压强减至压强减至10103 Pa，增加反应气体分子的自，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。低反应温度）并改善薄膜质量。准确控制薄膜组分准确控制薄膜组分大面积沉积均匀致密的薄膜材料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可以在形状复杂的材料表面沉积薄膜所需反应温度过高所需反应温度过高热热CVD技术