薄膜真空制備工藝簡介

薄膜真空制備工藝簡介張超2010.11.9薄膜沉積的分類干法沉積工藝真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜離子鍍膜化學(xué)氣相沉積濕法沉積工藝電鍍化學(xué)鍍陽極氧化LB技術(shù)溶膠-凝膠技術(shù)厚膜印刷法主要內(nèi)容真空蒸鍍離子鍍和離子束沉積濺射鍍膜化學(xué)氣相沉積真空蒸鍍蒸發(fā)的基本原理蒸發(fā)源電阻電子束高頻感應(yīng)化合物膜的蒸鍍脈沖激光熔射分子束外延技術(shù)真空鍍膜技術(shù)發(fā)展的三個臺階真空蒸鍍真空蒸發(fā)鍍膜，10-2Pa以下“熱”源和“冷”基片，真空環(huán)境蒸發(fā)飽和蒸氣壓在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸氣在與固體或液體平衡過程中所表現(xiàn)出的壓力稱為該溫度下的飽和蒸氣壓?？藙谛匏?克拉伯龍方程混合物蒸發(fā)分壓定律拉烏爾定律蒸發(fā)速率和沉積速率最大蒸發(fā)速率質(zhì)量蒸發(fā)速率蒸發(fā)源加熱絲、蒸發(fā)舟、坩堝電阻蒸發(fā)源鍍料<1500℃低電壓大電流W、Ta、Mo、NbAl2O3、BeO等坩堝熔點(diǎn)高，飽和蒸氣壓低，化學(xué)性能穩(wěn)定良好的耐熱性，功率密度變化小原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)與鍍膜材料浸潤性電子束蒸發(fā)源原理與特點(diǎn)適合高熔點(diǎn)、高純薄膜材料Q=0.24Wt優(yōu)點(diǎn)束流密度高，比電阻加熱源更大的能量密度鍍料置于水冷銅坩堝內(nèi)，防止鍍料與源材料、容器材料相互污染熱效率高，熱傳導(dǎo)和輻射損失小缺點(diǎn)蒸發(fā)原子與殘余氣體分子電離結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴直槍蒸發(fā)源E型電子槍的結(jié)構(gòu)和工作原理高頻感應(yīng)蒸發(fā)源將蒸發(fā)材料放在高頻螺線圈中央，在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失，從而將鍍料金屬蒸發(fā)。特點(diǎn)：蒸發(fā)速率大，比電阻蒸發(fā)源大10倍蒸發(fā)源的溫度均勻穩(wěn)定，不會產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象金屬鍍料可自身產(chǎn)熱一次裝料缺點(diǎn)需要屏蔽，高頻發(fā)生器復(fù)雜昂貴，氣壓升高會加大功耗化合物膜的蒸鍍透明導(dǎo)電膜（ITO）反應(yīng)鍍膜法三溫度法熱壁法脈沖激光熔射（PLA）將激光聚焦于靶表面。表面聚焦處的材料達(dá)到高溫、熔融狀態(tài)，該表面蒸發(fā)氣化，氣體狀粒子以柱狀射出，稱為激光熔射氣氛以不吸收激光為限高能量帶來高活性高溫超導(dǎo)體和鐵電體分子束外延技術(shù)（MBE）原理和特點(diǎn)10-8Pa高真空薄膜成分組成的分子束流，直接噴射到基體表面僅有蒸發(fā)系統(tǒng)的幾何形狀和溫度決定非熱平衡條件下超高真空，雜質(zhì)少，樣品表面清潔原子尺度平坦薄膜可應(yīng)用于大尺寸陳地上可獲得品質(zhì)優(yōu)良結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄膜成膜溫度低精確控制各組分克努曾盒氣化源以噴嘴開口直徑d和厚度t為參數(shù)，蒸氣從噴嘴射出，其蒸氣密度按空間角度近似成cosnq分布，d/t越小，n越大，蒸氣密度集中在噴嘴正前方離子鍍和離子束沉積利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物蒸鍍在基片上。不同的離子鍍方式離子轟擊在離子鍍中的作用沉積之前離子轟擊效果濺射——清洗產(chǎn)生缺陷結(jié)晶破壞——表面非晶態(tài)改變表面形貌——粗糙化氣體摻入溫度升高——轟擊能量產(chǎn)生表面熱表面成分變化——小離子在表面富集近表面材料的物理混合對基體和鍍層交接面的影響物理混合增強(qiáng)擴(kuò)散改善成核模式優(yōu)先去除松散結(jié)合的原子改善表面的覆蓋度薄膜生長的作用形貌影響結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響沉積膜組分的影響物理性能的影響離化率問題W為中性離子所帶能量，wv為蒸發(fā)離子能量，wi為離子的平均能量，e為活性系數(shù)離子鍍的類型及特點(diǎn)直流二級型電功率（150～500）A×10V離化率低，最高為2%三級型和多級型方式真空度提高到10-1Pa，電壓降低，200v開始放電調(diào)節(jié)燈絲電流，就能改變放電電流減少轟擊作用，改善繞行性活性反應(yīng)蒸鍍（ARE）導(dǎo)入與金屬反應(yīng)的氣體，如O2、C2H2、CH4等氣體代替Ar或摻入Ar之中，用各種不同的放電方式，使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)。ARE的特點(diǎn)電離增加反應(yīng)物活性，在較低溫度下就能得到性能良好的碳化物和氮化物成分及結(jié)構(gòu)易控制可以得到幾乎所有的金屬和化合物薄膜沉積速率高um/min空心陰極放電離子鍍（HCD）1972年Moley和Smith最先把空心熱陰極放電技術(shù)用于薄膜沉積利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體同時是熱源并有離化作用射頻放電離子鍍（RFIP）以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)以基片為中心的加速區(qū)以線圈為中心的離化區(qū)特點(diǎn)離化率：HCD>RF>DC射頻不影響基片溫度直線運(yùn)動，不繞行離子束沉積直接引出式質(zhì)量分離式部分離化式離化團(tuán)束沉積離子束輔助沉積沉積現(xiàn)象E≤500eV，濺射現(xiàn)象E≥50eV，離子注入現(xiàn)象E≥500eV直接引出式離化團(tuán)束沉積（ICB）利用壓力差，形成分子或原子團(tuán)通過離化區(qū)帶電離子束輔助沉積(IBAD)離子束濺射輔助沉積（IBSAD）濺射鍍膜利用荷能粒子轟擊靶面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)附著力強(qiáng)適合高熔點(diǎn)的物質(zhì)制模大面積連續(xù)化生產(chǎn)膜成分容易控制可以反應(yīng)濺射制備多種化合物膜離子濺射濺射產(chǎn)額有閾值20～40eV有峰值濺射產(chǎn)額和入射角的關(guān)系濺射產(chǎn)額與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系平行于低的晶面指數(shù)方向，產(chǎn)額小于多晶材料沿著晶面指數(shù)高的方向，產(chǎn)額大于多晶材料碰撞模型、聚焦模型、晶格透明模型和溝道效應(yīng)模型濺射產(chǎn)額與溫度的關(guān)系在一定范圍內(nèi)無關(guān)選擇濺射現(xiàn)象混合靶材由于各元素的濺射產(chǎn)額不同，濺射后，固體表面組分發(fā)生了變化氧化物濺射和合金選擇濺射反應(yīng)濺射為了制取絕緣材料，改善薄膜成分與靶化和物的成分發(fā)生偏離。金屬靶+活性氣體三種模型靶面由表面沿厚度方向的反應(yīng)模型由吸附原子在靶面上的反應(yīng)模型被濺射原子的捕集模型濺射鍍膜方式直流二級濺射工作氣壓高（1Pa）沉積速度慢大量二次電子沖擊基片三級和四級濺射加入輔助陽極和陰極強(qiáng)化熱電子，增加工作氣體原子的電離數(shù)量降低工作氣壓射頻濺射射頻放電管玻璃上粘附的沾污層，在放電過程中會變干凈靶和匹配回路引水管有一定長度且絕緣性好，冷卻水電阻要足夠大濺射裝置放電阻抗大約10kW，電源內(nèi)阻50W.氣壓比直流放電低1～2個數(shù)量級磁控濺射低損傷，高速，低溫的優(yōu)點(diǎn)能量較低的二次電子以螺旋線的形式封閉在等離子體中高密度等離子體被電磁場束縛在靶附近提高了電離效率，工作氣壓在10-1～10-2Pa對靶濺射磁性材料濺射磁場與靶面垂直，電場與靶面平行磁控濺射源化學(xué)氣相沉積（CVD）CVD與PVD的區(qū)別在于成莫方法主要利用高溫空間和活性化空間中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。熱氧化、氮化和碳化熱CVD利用揮發(fā)性的金屬鹵化物和金屬的有機(jī)化合物等，在高溫下發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，包括熱分解、氫還原、氧化、置換反應(yīng)等在基本生沉積薄膜。凡是暴露在反應(yīng)空間的均成膜一般需要?dú)錃?、氬氣、氮?dú)獾容d氣熱CVD的特征金屬膜、非金屬膜、多成分合金膜都能制備成膜速度快，um/min常壓或低真空條件薄膜附著力強(qiáng)高純、結(jié)晶完全的膜層平滑沉積面輻射損傷低等離子體CVD（PCVD）降低成膜溫度熱過程反應(yīng)極慢的難以成膜的物質(zhì)高密度等離子體（HDP）CVD高頻感應(yīng)耦合等離子體（ICP）CVD螺旋波PCVD高頻等離