真空鍍膜技術(shù)

1、固體物理實驗方法固體物理實驗方法二，真空鍍膜技術(shù)二，真空鍍膜技術(shù)物理氣相沉積物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 物理氣相沉積物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition) 利用某種物理過程，實現(xiàn)從源物質(zhì)利用某種物理過程，實現(xiàn)從源物質(zhì)到薄膜的可控原子轉(zhuǎn)移過程。到薄膜的可控原子轉(zhuǎn)移過程。真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)1，將待，將待蒸發(fā)材料加熱使蒸發(fā)材料加熱使其由凝聚態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。其由凝聚態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。2，氣態(tài)材料中的物質(zhì)粒，氣態(tài)材料中的物質(zhì)粒子向溫度較低的基片子向溫度較低的基片運行。運行。3，粒子到達基片后凝結(jié)、，粒子到達基片后凝結(jié)、形核、生長、成膜形核、生長、成膜 。真空泵真空泵基片基片氣相

2、物料氣相物料蒸發(fā)源蒸發(fā)源電極電極電阻加熱式蒸發(fā)源電阻加熱式蒸發(fā)源蒸發(fā)條件蒸發(fā)條件Spp:Sp物料的飽和蒸氣壓物料的飽和蒸氣壓:p物料的氣相分壓物料的氣相分壓lnSBpAT加熱方式：加熱方式：低電壓大電流供電低電壓大電流供電（100 A）對蒸發(fā)源材料的要求：對蒸發(fā)源材料的要求：高熔點高熔點（10002000 ）低飽和蒸氣壓低飽和蒸氣壓高化學(xué)穩(wěn)定性高化學(xué)穩(wěn)定性常用的蒸發(fā)源材料：常用的蒸發(fā)源材料：W,Mo,Ta等等電阻加熱式蒸發(fā)源電阻加熱式蒸發(fā)源電阻加熱式蒸發(fā)存在的問題電阻加熱式蒸發(fā)存在的問題 物料與蒸發(fā)源發(fā)生反應(yīng)；物料與蒸發(fā)源發(fā)生反應(yīng)； 無法蒸發(fā)某些難熔材料；無法蒸發(fā)某些難熔材料； 合金或化合物可

3、能發(fā)生成分偏移合金或化合物可能發(fā)生成分偏移；The variation of the ratio of evaporated A and B element in binary alloy with time電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源利用高能電子束轟擊材料表面，將電子動能利用高能電子束轟擊材料表面，將電子動能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)對材料的加熱蒸發(fā)。轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)對材料的加熱蒸發(fā)。 陰極燈絲陰極燈絲電子束電子束物料物料冷卻水冷卻水e型電子槍型電子槍脈沖激光沉積（熔射，脈沖激光沉積（熔射，ablation）(Pulsed Laser Deposition)利用高功率脈沖激光加熱蒸發(fā)材料以形成薄膜利用高功

4、率脈沖激光加熱蒸發(fā)材料以形成薄膜光源：光源：XeCl，KrF，ArF準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光XeCl激光器，波長激光器，波長:308nm，脈寬：，脈寬：2030ns，能量：能量：100mJ/脈沖，脈沖重復(fù)頻率：脈沖，脈沖重復(fù)頻率：120 HzThin Solid Films. 189,283 (1990)XeCl激光器，波長激光器，波長:308nm，脈寬：，脈寬：2530ns，能量：能量：1J/脈沖，脈沖重復(fù)頻率：脈沖，脈沖重復(fù)頻率：1 HzKrF激光器，波長：激光器，波長：248nm，脈寬：，脈寬：2530ns，能量：能量：650mJ/脈沖，脈沖重復(fù)頻率：脈沖，脈沖重復(fù)頻率：5 Hz材料表面輻射

5、能：材料表面輻射能：13J/（脈沖（脈沖cm2）J. Appl. Phys. 68,1354 （1990） 薄膜組分幾乎沒有偏離。薄膜組分幾乎沒有偏離。 實現(xiàn)高質(zhì)量的外延生長。實現(xiàn)高質(zhì)量的外延生長。鐵電陶瓷如鈦酸鉍，鈦酸鋇等，高溫超導(dǎo)鐵電陶瓷如鈦酸鉍，鈦酸鋇等，高溫超導(dǎo)材料（材料（YBaCuO），龐磁電阻（），龐磁電阻（LaCaMnO），MgO，TiO等。等。PLD技術(shù)的優(yōu)勢技術(shù)的優(yōu)勢濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理一，濺射鍍膜的基本過程一，濺射鍍膜的基本過程基片基片（襯底）（襯底）Cu（靶材）（靶材）-+儀器構(gòu)造儀器構(gòu)造進氣進氣（Ar）+真空泵真空泵排氣排氣入射離子與靶材的相互作用入射離子與靶材的相

6、互作用+襯底襯底薄膜薄膜+靶材靶材-+靶材靶材-+高濃度氣體難以電離：高濃度氣體難以電離：電子平均自由程太小電子平均自由程太小二，入射離子的產(chǎn)生：氣體等離子輝光放電二，入射離子的產(chǎn)生：氣體等離子輝光放電極少量的高能宇宙極少量的高能宇宙射線電離出極少量射線電離出極少量的游離電子和正離子的游離電子和正離子解決方案：抽真空解決方案：抽真空0.110.0 Pa等離子體伏安特性等離子體伏安特性靶材靶材-+VIO湯森放湯森放電區(qū)電區(qū)正常正常輝光輝光放電放電區(qū)區(qū)異異常常輝輝光光放放電電區(qū)區(qū)非非自自持持放放電電區(qū)區(qū)過過渡渡區(qū)區(qū)弧弧光光放放電電區(qū)區(qū)包含大量包含大量二次電子二次電子-阿斯頓暗區(qū)阿斯頓暗區(qū)陰極輝光區(qū)

7、陰極輝光區(qū)陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）陰極暗區(qū)（克魯克斯暗區(qū)）負輝光區(qū)負輝光區(qū)法拉第暗區(qū)法拉第暗區(qū)陽極光柱陽極光柱+維持輝光放電及影響維持輝光放電及影響濺射效率的關(guān)鍵因素：濺射效率的關(guān)鍵因素：陰極暗區(qū)電位降陰極暗區(qū)電位降負輝光區(qū)電位升負輝光區(qū)電位升三，高效能的濺射鍍膜技術(shù)：磁控濺射三，高效能的濺射鍍膜技術(shù)：磁控濺射提高濺射產(chǎn)能的方法：通過增加電離度提高提高濺射產(chǎn)能的方法：通過增加電離度提高正離子數(shù)量正離子數(shù)量+靶材靶材-范艾侖輻射帶的形成示意圖范艾侖輻射帶的形成示意圖靶材靶材NS 靶材靶材圓形平面濺射源（槍）圓形平面濺射源（槍）S冷卻水冷卻水屏蔽罩屏蔽罩固定環(huán)固定環(huán)磁鐵磁鐵平面濺射源表面磁場與電子

8、軌跡平面濺射源表面磁場與電子軌跡http:/ http:/ http:/ http:/ 磁控濺射磁控濺射利用磁場對電子的束縛，增加電子運行路徑，從而利用磁場對電子的束縛，增加電子運行路徑，從而大幅度提高電離度，獲得較高的濺射產(chǎn)能。大幅度提高電離度，獲得較高的濺射產(chǎn)能。http:/ - -正半周正半周負半周負半周ut指向絕緣靶材的自偏壓指向絕緣靶材的自偏壓射頻濺射頻率：射頻濺射頻率：13.56MHz絕緣基片的自偏壓？絕緣基片的自偏壓？ 與陽極板之間存在漏電與陽極板之間存在漏電 濺射源的形狀濺射源的形狀 射頻射頻磁控磁控濺射濺射E導(dǎo)體靶材導(dǎo)體靶材-+- - -射頻濺射導(dǎo)體靶材射頻濺射導(dǎo)體靶材阻抗匹

9、配阻抗匹配化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition) 氣相前驅(qū)物通過化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)氣相前驅(qū)物通過化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)薄膜。薄膜。熱熱CVD基片（加熱）基片（加熱）攜載氣體攜載氣體+前驅(qū)物前驅(qū)物進氣進氣排氣排氣固態(tài)生成物固態(tài)生成物表面附著、擴散表面附著、擴散 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)氣態(tài)生成物氣態(tài)生成物 熱分解熱分解 SiH4 (氣) = Si (固)+ 2 H2 (氣） 還原反應(yīng)還原反應(yīng) SiCl4 (氣) + 2 H2 (氣) = Si (固)+4 HCl (氣） 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) SiH4 (氣) + O2 (氣) = SiO2 (固) + 2 H2 (氣) 氮化

10、反應(yīng)氮化反應(yīng) 3 SiH4 (氣) + 4 NH3 (氣) = Si3N3 (固) + 12 H2 (氣) 化合物化合物 Ga(CH3)3(氣) + AsH3 (氣) = GaAs (固) + 3 CH3 (氣) 常壓反應(yīng)器常壓反應(yīng)器 不采用真空裝置的不采用真空裝置的CVD技術(shù)，設(shè)備簡單但需技術(shù)，設(shè)備簡單但需要大流量攜載氣體，得到的膜污染程度較高。要大流量攜載氣體，得到的膜污染程度較高。 低壓反應(yīng)器低壓反應(yīng)器 壓強減至壓強減至10103 Pa，增加反應(yīng)氣體分子的自，增加反應(yīng)氣體分子的自由程，改善加熱均勻性從而提高沉積速率（降由程，改善加熱均勻性從而提高沉積速率（降低反應(yīng)溫度）并改善薄膜質(zhì)量。低反應(yīng)溫度）并改善薄膜質(zhì)量。準(zhǔn)確控制薄膜組分準(zhǔn)確控制薄膜組分大面積沉積均勻致密的薄膜材料大面積沉積均勻致密的薄膜材料可以在形狀復(fù)雜的材料表面沉積薄膜可以在形狀復(fù)雜的材料表面沉積薄膜所需反應(yīng)溫度過高所需反應(yīng)溫度過高熱熱CVD技術(shù)