真空鍍膜及鍍膜設(shè)備講座

1、真空鍍膜基礎(chǔ)及鍍膜設(shè)備講座真空鍍膜基礎(chǔ)及鍍膜設(shè)備講座張奎2013.8.14真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)基礎(chǔ) 真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ)，真空蒸發(fā)，濺射鍍真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ)，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，總的來說，真空在薄膜制備過程中主要真空度，總的來說，真空在薄膜制備過程中主要有兩方面作用：減少蒸發(fā)或?yàn)R射粒子跟氣體殘余有兩方面作用：減少蒸發(fā)或?yàn)R射粒子跟氣體殘余分子相碰撞；抑制它們之間的反應(yīng)。因而獲得并分子相碰撞；抑制它們之間的反應(yīng)。因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。真空度量單位 真空技

2、術(shù)中，壓強(qiáng)的單位通常是用帕斯卡（真空技術(shù)中，壓強(qiáng)的單位通常是用帕斯卡（PaPa）來表示，來表示，這是目前國(guó)際上推薦使用的國(guó)際單位制（這是目前國(guó)際上推薦使用的國(guó)際單位制（SISI）單位。托單位。托（TorrTorr）這一單位在最初獲得真空時(shí)就被采用，是真空技這一單位在最初獲得真空時(shí)就被采用，是真空技術(shù)中的獨(dú)制單位。兩者關(guān)系為術(shù)中的獨(dú)制單位。兩者關(guān)系為 1 1Torr = 133.322 PaTorr = 133.322 Pa。 另外真空歷史上還采用過幾種壓強(qiáng)單位，雖然少見但我們另外真空歷史上還采用過幾種壓強(qiáng)單位，雖然少見但我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)和工作中有可能也會(huì)使用到，分別為在以后的學(xué)習(xí)和工作中有可能

3、也會(huì)使用到，分別為barbar（巴），（巴），mbamba（毫巴），（毫巴），mmHgmmHg（毫米汞柱），它們與（毫米汞柱），它們與PaPa的的換算關(guān)系為：換算關(guān)系為：1mmHg=1mmHg=1 1Torr = 133.322 PaTorr = 133.322 Pa；1bar=1atm1bar=1atm（10105 5PaPa）；）； 1mba=100Pa1mba=100Pa。真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)一般包括待抽空的容器（真空室）、獲一般包括待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真空計(jì)）以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備

4、。空計(jì)）以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。 能使壓力從一個(gè)大氣壓力開始變小，進(jìn)行排氣的能使壓力從一個(gè)大氣壓力開始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱為泵常稱為“前級(jí)泵前級(jí)泵”；另一些卻只能從較低壓力；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級(jí)泵次級(jí)泵”。在我們的鍍膜設(shè)備中，所謂在我們的鍍膜設(shè)備中，所謂“前級(jí)泵前級(jí)泵”即機(jī)械泵，即機(jī)械泵，所謂所謂“次級(jí)泵次級(jí)泵”即分子泵。即分子泵。真空測(cè)量 測(cè)量原理均是利用測(cè)定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的測(cè)量原理均是利用測(cè)定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)改變

5、時(shí)，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的強(qiáng)改變時(shí)，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測(cè)量的基礎(chǔ)。每種測(cè)量方法物理現(xiàn)象，就是真空測(cè)量的基礎(chǔ)。每種測(cè)量方法都有其一定的測(cè)量范圍，即為該真空計(jì)的都有其一定的測(cè)量范圍，即為該真空計(jì)的“量量程程”。 我們要接觸到的真空計(jì)為兩種：電阻規(guī)真空計(jì)我們要接觸到的真空計(jì)為兩種：電阻規(guī)真空計(jì)（低真空計(jì)），測(cè)量范圍一般為（低真空計(jì)），測(cè)量范圍一般為10105 5Pa-10Pa-10-2-2PaPa；電離真空計(jì)（高真空計(jì)），測(cè)量范圍一般為電離真空計(jì)（高真空計(jì)），測(cè)量范圍一般為1010- -2 2Pa-10Pa-10-6-6PaPa真空鍍膜的分類 通常把真空蒸發(fā)

6、鍍膜、真空濺射鍍膜、真空離子鍍稱為物理氣相沉積（ Physical Vapor Deposition）技術(shù)，簡(jiǎn)稱PVD 技術(shù)。 與此對(duì)應(yīng)的是化學(xué)氣相沉積（ Chemical Vapor Deposition ）技術(shù)，簡(jiǎn)稱CVD技術(shù)。CVD技術(shù)是在高溫下依靠化學(xué)反應(yīng)制備薄膜的，反應(yīng)物是氣體，而生成物之一是固體（膜）。真空濺射鍍膜 濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜的基本原理 用帶有幾百電子伏特以上動(dòng)能的粒子或粒子束轟用帶有幾百電子伏特以上動(dòng)能的粒子或粒子束轟擊固體表面（靶材），使靠近固體表面（靶材）擊固體表面（靶材），使靠近固體表面（靶材）的原子獲得入射粒子所帶能量的一部分而脫離固的原子獲得入射粒子所帶

7、能量的一部分而脫離固體進(jìn)入到真空中，這種現(xiàn)象稱為體進(jìn)入到真空中，這種現(xiàn)象稱為濺射濺射。這時(shí)，如果將基片放置到靶材的附近，被濺射出來的靶材原子就會(huì)沉積到基片的表面上而形成薄膜，這就是真空濺射鍍膜技術(shù)。真空濺射鍍膜的分類 根據(jù)電極的結(jié)構(gòu)、電極的相對(duì)位置以及濺射鍍膜根據(jù)電極的結(jié)構(gòu)、電極的相對(duì)位置以及濺射鍍膜的過程可以分為二極濺射、三極濺射、的過程可以分為二極濺射、三極濺射、磁控濺射磁控濺射、對(duì)向靶濺射、離子束濺射等。對(duì)向靶濺射、離子束濺射等。 如果按濺射方式的不同，又可分為如果按濺射方式的不同，又可分為直流濺射直流濺射、射射頻濺射頻濺射、偏壓濺射和、偏壓濺射和反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射等。等。磁控濺射 磁控濺

8、射的機(jī)理即在真空腔內(nèi)充入一定壓強(qiáng)的惰性氣體Ar氣（因?yàn)锳r 離化率比較高），通常為0.1-10Pa。在高壓作用下Ar原子電離成Ar離子和二次電子，產(chǎn)生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過程中，受到垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)作用的影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，以擺線的方式沿著靶表面前進(jìn)，在運(yùn)動(dòng)過程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar離子和更多的二次電子。經(jīng)多次碰撞后的電子能量逐漸減弱，最終失去能量落在基片、腔壁上；而Ar離子在高壓電場(chǎng)加速作用下撞擊靶材表面并釋放能量，導(dǎo)致靶材表面原子吸收能量脫離原晶格束縛，呈中性的靶材原子逸出靶材表面飛向基片形成薄膜。這也是磁控濺射“低溫、高

9、速”的特點(diǎn)。 磁控濺射根據(jù)濺射方式（濺射電源）的不同分為直流濺射、射頻濺射等。 利用直流電源進(jìn)行濺射即直流磁控濺射，一般濺射金屬膜、合金膜、相變膜等。 利用射頻電源進(jìn)行濺射即射頻磁控濺射，一般是用于制備介質(zhì)膜，或反應(yīng)濺射時(shí)。（當(dāng)靶是絕緣體時(shí)，由于撞擊到靶材上的離子會(huì)使靶材表面帶上正電荷，靶電位上升，結(jié)果離子不能繼續(xù)對(duì)靶表面進(jìn)行轟擊） 射頻濺射機(jī)理：射頻電源不斷改變極性，等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負(fù)半周分別打到絕緣靶上。由于電子遷移率高于正離子，絕緣靶表面帶負(fù)電，在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，靶處于負(fù)的偏置電位，從而使正離子對(duì)靶的濺射持續(xù)進(jìn)行。 當(dāng)遇到一些合金靶材如相變靶（GST、AIST、S

10、bTe等）在濺射過程中打火，我們也可以用射頻電源濺射，射頻濺射比較穩(wěn)定，但相應(yīng)的濺射速率比直流濺射要低。膜厚的測(cè)量 膜厚測(cè)量分為在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和離線測(cè)量。 一般采用輪廓儀、橢偏儀和臺(tái)階儀等儀器測(cè)量JGP560型磁控濺射鍍膜機(jī) JGP560型磁控濺射鍍膜機(jī)于2007年由中科院沈陽科學(xué)儀器研制中心設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)的極限真空可達(dá)110-5Pa，真空腔體內(nèi)共有5支直徑為直徑為60mm60mm的磁控濺射靶，其中A、F兩靶為強(qiáng)磁場(chǎng)靶，可以制備磁性膜，同時(shí)這兩支靶亦為折靶，可以實(shí)現(xiàn)不同材料間的共濺射；B、C、E三靶為直靶，不可彎曲，只能直濺。五支靶可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)濺射并分別設(shè)有檔板，在計(jì)算機(jī)控制下打開或遮擋靶位。靶基距在40-80mm連續(xù)可調(diào)。樣品盤有兩套，第一套樣品盤為加熱水冷式，共可放置樣品6個(gè)，尺寸為2050mm或30mm的基片，該樣品盤只能進(jìn)行公轉(zhuǎn)；第二套樣品盤可放置一個(gè)2.5英寸的盤基，除實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)外還可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。 電源方面：有三臺(tái)直流電源，其中一臺(tái)為新進(jìn)的進(jìn)口AE直流電源，有抑弧功能，濺射功率