真空鍍膜及鍍膜設(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)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真空度，總的來(lái)說(shuō)，真空在薄膜制備過(guò)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。真空度量單位真空技術(shù)中，壓強(qiáng)的單位通常是用帕斯卡（Pa）來(lái)表示，這是目前國(guó)際上推薦使用的國(guó)際單位制（SI）單位。托（Torr）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1Torr=133.322Pa。另外真空歷史上還采用過(guò)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bar（巴），mba（毫巴），mmHg（毫米汞柱），它們與Pa的換算關(guān)系為：1mmHg=1Torr=133.322Pa；1bar=1atm（105Pa）；1mba=100Pa。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)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)行排氣的泵常稱為“前級(jí)泵”；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“次級(jí)泵”。在我們的鍍膜設(shè)備中，所謂“前級(jí)泵”即機(jī)械泵，所謂“次級(jí)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)量方法都有其一定的測(cè)量范圍，即為該真空計(jì)的“量程”。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105Pa--10-2Pa；電離真空計(jì)（高真空計(jì)），測(cè)量范圍一般為10-2Pa-10-6Pa真空鍍膜的分類通常把真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜、真空離子鍍稱為物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition）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（ChemicalVaporDeposition）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）的原子獲得入射粒子所帶能量的一部分而脫離固體進(jìn)入到真空中，這種現(xiàn)象稱為濺射。這時(shí)，如果將基片放置到靶材的附近，被濺射出來(lái)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)位置以及濺射鍍膜的過(guò)程可以分為二極濺射、三極濺射、磁控濺射、對(duì)向靶濺射、離子束濺射等。如果按濺射方式的不同，又可分為直流濺射、射頻濺射、偏壓濺射和反應(yīng)濺射等。磁控濺射磁控濺射的機(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(guò)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(guò)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、SbTe等）在濺射過(guò)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(yáng)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)≦1×10-5Pa，真空腔體內(nèi)共有5支直徑為60mm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20×50mm或Φ30mm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，濺射功率比較穩(wěn)定；國(guó)產(chǎn)的兩臺(tái)直流電源沒(méi)有抑弧功能，濺射功率不太穩(wěn)定。有兩臺(tái)微電子所生產(chǎn)的射頻電源，可做介質(zhì)膜等。Z550s型磁控濺射鍍膜機(jī)Z550s型磁控濺射鍍膜機(jī)是德國(guó)萊寶研制，有3個(gè)靶座，直徑為200mm；有一個(gè)樣品轉(zhuǎn)盤，帶5個(gè)樣品托，可制備5英寸的盤片，制膜較均勻。極限真空≦1×10-4Pa.電源方面：有一臺(tái)直流電源和兩臺(tái)射頻電源謝謝！2023/3/22附錄資料：不需要的可以自行刪除2023/3/22步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與特點(diǎn)原理：步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)：(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.2023/3/22步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)注意：步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖

步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子鐵心由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒，定、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。其中定子有六個(gè)磁極,定子定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極為一相，組成一相控制繞組,轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。轉(zhuǎn)子上相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角2023/3/22工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

2023/3/22（3）工作過(guò)程引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過(guò)磁阻最小的路徑閉合，因此會(huì)在磁力線扭曲時(shí)產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)軸線方向原有一定角度，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。CA'BB'C'A34122023/3/22CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C'342CA'BB'AC相通電再轉(zhuǎn)302023/3/22這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。2023/3/22二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AABBBCCCAA

共六拍。工作過(guò)程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。CA'BB'C'A34122023/3/22所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'磁場(chǎng)對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電（2）AA'磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。CA'BB'C'A34122023/3/22總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。2023/3/22三、三相雙三拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電2023/3/22以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A34122023/3/22步進(jìn)電機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱為步距角。N:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù),即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù)Zr：轉(zhuǎn)