第十八讲真空蒸发镀膜

1 概述 真空蒸发镀膜(简称蒸镀)是在真空条件下,用蒸发器加热蒸发物质,使之汽化,蒸发粒子流直接射向基片并在基片上沉积形成固态薄膜的技术.蒸镀是PVD技术中发展最早,应用较为广泛的镀膜技术,尽管后来发展起来的溅射镀和离子镀在许多方面要比蒸发镀优越,但真空蒸发镀膜技术仍有许多优点,如设备与工艺相对比较简单,可沉积非常纯净的膜层等等,因此,真空蒸发镀膜仍然是当今非常重要的镀膜技术.近年来由于电子轰击蒸发,高频感应蒸发以及激光蒸发等技术在蒸发镀膜技术中的广泛应用,使这一技术更趋完善.     

第十八讲真空蒸发镀膜

另一个问题,就是镀膜材料对蒸发源材料的湿润性问题,它关系到蒸发源形状的选择.多数蒸发材料在蒸发温度时呈熔融状态,它们和蒸发源支持体表面会形成三种不同的接触状态,即湿润、半湿润和不湿润.这是由两种材料间的表面张力的大小决定的.在湿润的情况下,高温熔化的薄膜材料容易在蒸发源材料上展开,蒸发会从较大面积上发生,其蒸发状态稳定,且蒸发材料与支持体间粘着良好,可认为是面蒸发源的蒸发;在湿润小的时候,可认为是点蒸发源的蒸发,这种情况下蒸发材料就容易从蒸发源上掉下来.半湿润情况则介于上述两种情况之间,在高温表面上不呈点状,虽沿表面有扩展倾向、但仅限于较小区域内,薄膜材料熔化后呈凸形分布.润湿状态的几种情况如图8所示.     

第十八讲 真空蒸发镀膜

正(接2013年第6期第78页)⑤具有轴向枪、磁聚焦和磁偏转90°的蒸发器:如图11(e)所示。采用水平安装电子枪,电子束经静电偏转或磁偏转之后再轰击镀料,可克服蒸气污染和占用有效空间的缺点。⑥具有横向枪和磁偏转180°的蒸发器:如图11(f)所示。它属于e型枪类,电子束的产生区域和蒸气的产生区域之间是隔离的。     

第十八讲真空蒸发镀膜

2.3.3 膜材的蒸发速率在蒸发物固(或液)相与其气相共存体系中,在热平衡状态下,根据气体分子运动论,若气体压力为p,温度为T,则单位时间内碰撞单位蒸发面积的分子数为z=1/4nv-=p/√2πmkT=pNA/√πMRT(12)式中,z为碰撞频率;n为分子密度;v为气体分子的算术平均速度;     

第十八讲真空蒸发镀膜

(接2013年第1期第96页)残余气体分子撞击着真空室内的所有表面,包括正在生长着的膜层表面.在室温和10-4 Pa压力下的空气环境中,形成单一分子层吸附所需的时间只有2.2s.可见,在蒸发镀膜过程中,如果要获得高纯度的膜层,必须使膜材原子或分子到达基片上的速率大于残余气体到达基片上的速率,只有这样才能制备出纯度好的膜层.这一点对于活性金属材料基片更为重要,因为这些金属材料的清洁表面的粘着系数均接近于1.     

真空蒸发镀膜设备性能的改进

为提高镀膜设备的效率及可靠性,以适就应技术发展需要,对真空镀膜设备的设计制造(重点是箱式前开门型设备)方面,对镀膜审的布局,基片装载量及真空系统的配置和电气控制等方面进行了适当的改进,提高挡次.并尽可能留有增加可选配功能部件的装配位置,如光学膜厚测量控制装置和石英晶体膜厚测量控制仪,低能宽束离子源,氩离子射频轰击装置等改进膜层质量,扩大功能适应各种使用要求.     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2016年第4期第80页)(2)膜层沉积不均匀薄膜厚度均匀性是衡量薄膜质量和镀膜装置性能的一项重要指标。任何一种有实际应用价值的薄膜,都对膜厚分布有特定的要求,都要求所镀的膜层厚度尽可能均匀一致,有尽可能好的膜厚均匀性。提高膜厚均匀性有多种方法,比如将溅射靶源和基片放置在合适的位置,采用旋转基片,增加遮挡机构等等。对于磁控溅射镀膜,理想的     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2016年第2期第80页)由此得出电子在磁控溅射中磁场作用域内三维方向的自由运动情况(即不考虑与其它粒子相互碰撞等作用)如下:x方向(横向:跑道断面与靶水平的方向,指向内侧的为正):围绕磁力线的在两极间的变幅螺旋往复振荡(在两极附近回旋半径最小,在走廊中心线处回旋半径最大,其本身就是xyz的三维运动);y方向(竖向:垂直靶面的方向,离开靶面朝外的方向为正):恒有一个离开靶面的速度分量;z方向(纵向:电漂移方向,即E×B方向为     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2018年第1期第72页)b.带有中空阴极的平面磁控溅射系统图104给出了一个在传统的平面磁控溅射系统中附加了中空阴极电子枪的溅射装置,这是一个三极装置,其中阴极为磁性阴极,中空阴极电子源作为一个二极阴极。电子源靠近磁阴极,以使它位于阴极的边缘,但仍基本处于磁场中。中空阴极在磁场中的位置是至关重要的。从中空阴极中发射出来的电子产生额外的气体离化,由     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2015年第1期第80页)按照Ar的巴邢曲线(见图21),对于二极溅射金属靶而言,若Ar压力为10 Pa,电极间距为4 cm,则p.d=4×10 Pa·cm,相应击穿电压约为400 V。此时,处于巴邢曲线的最低点左侧。若提高气压,还可以降低击穿电压。对直流二极溅射,气压p和放电电压V以及放电电流I三个参量之间,只能独立改变其中两个参量。典型的二极溅射工艺条件为:工作气体压力10 Pa(10~100 Pa),靶电压3 000 V(1 000~5 000 V),     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2015年第3期第80页)电子e在电场E作用下被加速,在飞向基体的过程中与Ar气原子发生碰撞,若电子具有足够的能量(约30 e V),则电离出Ar+和一个e,电子飞向基片,Ar+在电场E作用下加速飞向阴极靶并以高能量轰击靶表面,使靶材产生溅射。在溅射粒子中,中性的靶原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。同时被溅射出的二次电子在阴极暗区被加速,在飞向基片的过程中,落入正交电磁     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2016年第6期第80页)图70给出了在非平衡四靶闭合磁场结构和四靶镜像磁场结构中,磁控溅射系统的磁场分布情况。比较这两种结构的磁场分布情况,可以看出两者在靶面附近的磁场差别不大,在内外磁极之间以横向磁场为主,通过对电子的紧约束,形成一个电离度很高的等离子体阴极区。区内的正离子对靶面的强烈溅射刻蚀构成了靶材中性粒     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2017年第1期第80页)图77所示的多靶非平衡磁控溅射系统,是在四个非平衡磁控溅射靶的外侧再增加一个电磁激励线圈,以形成非平衡闭合磁场。这种磁场结构比较适用于镀膜设备的镀膜区域较大,构成非平衡磁场的四个单靶之间距离较大,磁阻较大,虽然靶对之间在镀膜区域的纵向磁场是闭合的,但是磁场强度较弱,减弱了两靶之间的闭合磁场对电子的约束,从而使得该区域的等离子体     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2016年第1期第80页)b.组合磁路改进磁场结构,用组合磁场代替传统的单一磁场,其目的是更有利于放电的稳定(离化率高)和增宽靶材的刻蚀区,提高靶材的利用率。图42是传统磁控源的磁场结构原理图。为单一磁路系统,磁力线的方向都是垂直靶面的,依靠磁力线在空间弯曲,在拱形磁力线的顶部形     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2017年第5期第80页)(2)中频溅射的沉积速率高。对硅靶,中频反应溅射的沉积速率是直流反应溅射速率的10倍。比射频溅射高五倍左右。(3)中频溅射过程可稳定在设定的工作点。它既消除了打火现象,又能够克服直流放电状态下常出现的靶中毒和阳极消失现象。(4)中频电源的制作成本较低,设备安装、调试及维护比射频溅射容易,运行稳定,中频电源     

第十九讲 真空溅射镀膜

<正>(接2015年第4期第80页)从图28中可以明显地看出,除磁控溅射方式之外,在其它所有溅射方式中,靶的平均离子电流密度为1 m A/cm2左右,而在磁控溅射方式中,很容易达到10~100 m A/cm2。在磁控溅射的工作电压范围内,其靶电流密度最大,所以沉积速率最高。磁控溅射运行压强(约0.1 Pa)比二极溅射的工作压强低一个数量级,溅射电压降至几百伏(300~500 V),都利于提高溅射速率。     

第十九讲 真空溅射镀膜

正用高能粒子(通常是由电场加速的正离子)轰击固体表面,固体表面的原子、分子与入射的高能粒子交换动能后从固体表面飞溅出来的现象称为溅射。溅射出来的原子(或原子团)具有—定的能量,它们可以重新沉积凝聚在固体基片表面上形成薄膜,称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产生气体电离,其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材,击出阴极靶材的原子或分子,飞向被镀基片表面沉积成薄膜。     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2017年第3期第80页)(3)弧光放电如前所述,在直流反应磁控溅射沉积化合物薄膜时,阴极溅射靶会出现靶中毒现象,即在靶面上建立起愈来愈高的正电位Up,而在一定的靶电源输出电位下,靶阴极位降区的电位降随着Up的升高而降低,直到阴极位降区的电位降减小到零,导致放电熄灭,溅射停止。若要维持放电与溅射,只有再提高溅射电源输出电压,但是又会使靶面绝缘膜积累的电荷进一步增加,其结果是引     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(接2017年第4期第80页)图84是自动灭弧A2K电源的原理简图,在直流电源和靶之间增加一个称为SPARC-LE部件和一个电感线圈,然后用一个脉冲开关控制器来控制电源的运行,串联电感的作用是:当出现一次弧光放电或电子开关动作(中断电流)时,在电感两端将触发一个反电势,施加一个反向电压,这个电压将释放引起弧光放电的积累电荷。溅射电压与电感触发电压约为8∶1的关系。例如:运行中阳极电压为500 V时,反向电压为62 V。     

第十九讲 真空溅射镀膜

正(1)溅射原子的能量与角分布入射离子能量大约在100~500 eV之间时,靶上溅射出来的粒子绝大部分是靶材的单原子态,离化状态仅占1%左右。如果入射离子的能量很高,会溅射出较多的复合粒子。由于溅射粒子是与具有几百至几千电子伏特能量的正离子交换动能后飞溅出来的,所以溅射粒子的能量分布必定与靶材种类、入射离子的种类和能量以及溅射粒子逸出的方向有关。通常