真空镀膜详述课件.ppt

1、2022-12-281真空镀膜详述真空镀膜详述2022-12-282真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述真空镀膜方法真空镀膜方法物理气相沉积物理气相沉积 （PVD）化学气相沉积 （CVD）蒸发镀离子镀溅射镀溅射镀热CVD法等离子增强 CVD法热蒸镀法电子束蒸镀法直流溅直流溅射法射法射频溅射频溅射法射法中频溅中频溅射法射法2022-12-283真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）物理气相沉积物理气相沉积(Physical Vapor Deposition(Physical Vapor Deposition，PVD)PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将技术

2、表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源材料源固体或液体表面气化成气态原子、分固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离或等离子体子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术的薄膜的技术。2022-12-284特点：特点：物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强，可方便地控制多个工艺参数，体的结合力强，可方便地控制多个工艺参数，容易获得单晶、多晶、非晶、多层、纳

3、米层结容易获得单晶、多晶、非晶、多层、纳米层结构的功能薄膜。该技术广泛应用于航空航天、构的功能薄膜。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。特性的膜层。真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-285化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）镀膜材料由气体或气体混合物（气相）组成镀膜材料由气体或气体混合物（气相）组成通过在气相和基片表面发生化学反应在基片通过

4、在气相和基片表面发生化学反应在基片 表面形成薄膜。表面形成薄膜。真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-286PVDPVD与与CVDCVD技术对比技术对比沉积技术沉积技术真空蒸发镀真空蒸发镀离子镀离子镀磁控溅射镀磁控溅射镀化学气相沉积化学气相沉积沉积技术类型沉积技术类型热蒸发热蒸发热蒸发热蒸发阴极溅射阴极溅射高温分解与化合高温分解与化合沉积层物质源沉积层物质源固态化合物固态化合物固态物质固态物质固态物质固态物质气态物质气态物质沉积材料范围沉积材料范围金属、化合物半金属、化合物半导体、导体、金属、化合物金属、化合物金属、合金、半金属、合金、半导体、导体、各种金属、非金各种金属、非金属及

5、其化合物属及其化合物适用基体材料适用基体材料金属、玻璃、塑金属、玻璃、塑料、陶瓷、半导料、陶瓷、半导体、体、金属、玻璃、陶金属、玻璃、陶瓷瓷金属、玻璃、塑金属、玻璃、塑料、陶瓷、半导料、陶瓷、半导体、体、金属、玻璃、陶金属、玻璃、陶瓷、半导体、瓷、半导体、沉积温度沉积温度/室温室温-500-50015-80015-800150-800150-80010001000左右左右沉积气压沉积气压/Pa/Pa1010-3-3-10-10-7-71-101-10-2-21-101-10-1-1133-10133-10沉积速率沉积速率中中中中低低高高膜基结合强度膜基结合强度一般一般好好较好较好好好沉积层离子

6、能量沉积层离子能量低低高高较高较高低低沉积层绕镀性沉积层绕镀性差差较好较好较好较好好好真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-287PVDPVD技术相关的真空物理基础技术相关的真空物理基础概述概述 真空：低于一个标准大气压的气体状态。真空：低于一个标准大气压的气体状态。1643年，意大利物理学家托里拆利年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。首创著名的大气压实验，获得真空。自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇 宙空间。宙空间。人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。人为真空：用真空泵抽掉容器

7、中的气体。真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-2881标准大气压标准大气压=760mmHg=760Torr1标准大气压标准大气压=1.013105Pa1Torr=133.3Pa1mbar=100Pa常用单位常用单位:帕（帕（Pa）、托（）、托（Torr）、毫巴（）、毫巴（mbar）、）、毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）、标准大气（）、标准大气（atm）换算关系换算关系:真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述真空区域的划分真空区域的划分2022-12-289粗真空粗真空 1.011051.33103Pa低真空低真空 1.331031.3310-1Pa高真空高真空 1.3310-11.33

8、10-6Pa超高真空超高真空 1.3310-61.3310-10Pa极高真空极高真空 1.310-10Pa真空区域的划分真空区域的划分真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-2810气体分子运动的基本规律气体分子运动的基本规律（1 1）理想气体分子运动的基本规律）理想气体分子运动的基本规律1 1）理想气体模型）理想气体模型同类其他所有分子性质相同，有同样大小和相对分子质量，同类其他所有分子性质相同，有同样大小和相对分子质量，分子的大小与躯体间的距离相比可以忽略。分子的大小与躯体间的距离相比可以忽略。每个分子永远作不停息的运动。每个分子永远作不停息的运动。把分子看成是弹性钢球。弹性钢球

9、的意义是：分子在碰撞时把分子看成是弹性钢球。弹性钢球的意义是：分子在碰撞时不发生变形，碰撞接触时间为零。分子间没有相互间引力和不发生变形，碰撞接触时间为零。分子间没有相互间引力和斥力，他们所有的能量都是动能；弹性碰撞的意义是：碰撞斥力，他们所有的能量都是动能；弹性碰撞的意义是：碰撞时遵守能量和动量守恒定律，全部分子的平均速度不因碰撞时遵守能量和动量守恒定律，全部分子的平均速度不因碰撞而发生变化。而发生变化。真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-28112 2）理想气体的一些特性。气体的宏观特性由）理想气体的一些特性。气体的宏观特性由P P、V V、T T三个参量三个参量来描述，理想

10、气体状态方程：来描述，理想气体状态方程：式中式中 P-P-气体压强（气体压强（PaPa）V-V-气体体积（气体体积（m m3 3）T-T-热力学温度（热力学温度（K K）M-M-气体质量（气体质量（kgkg）-气体的摩尔质量（气体的摩尔质量（kg/molkg/mol）R-R-摩尔气体常数，与气体质量无关摩尔气体常数，与气体质量无关R=8.31J/R=8.31J/（molmolK K）RTMPV真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-2812 每个分子的动能由其温度决定。每个分子的动能由其温度决定。相互不发生化学反应的各种混合气体的总压强等于各种气相互不发生化学反应的各种混合气体的总压

11、强等于各种气 体分压强的总和。体分压强的总和。分子运动速率。大部分服从麦克斯韦速率分布曲线分子运动速率。大部分服从麦克斯韦速率分布曲线T323 3）理想气体压强的基本公式）理想气体压强的基本公式真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-28131 1）分子的碰撞几率。由于无规则运动分子之间发生碰撞，分）分子的碰撞几率。由于无规则运动分子之间发生碰撞，分子从一处移到另一处时，其所走的路线必然是迂回的折线。子从一处移到另一处时，其所走的路线必然是迂回的折线。某一份子单位时间内与其他分子的碰撞次数是无规律的，大某一份子单位时间内与其他分子的碰撞次数是无规律的，大量分子碰撞次数的平均值叫平均碰

12、撞次数，用量分子碰撞次数的平均值叫平均碰撞次数，用 表示，与表示，与气体的压强气体的压强P P成正比成正比 2 2）分子运动的平均自由程）分子运动的平均自由程 。分子任意两次碰撞之间通过的。分子任意两次碰撞之间通过的路程路程，叫自由程。大量分子多次碰撞自由程的平均值叫分，叫自由程。大量分子多次碰撞自由程的平均值叫分子运动的平均自由程，用子运动的平均自由程，用 表示，与气体压强呈反比，表示，与气体压强呈反比，与气体分子密度与气体分子密度n n呈反比。即呈反比。即P1n14 4）气体分子的平均自由程）气体分子的平均自由程真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述Z2022-12-2814气体分子与表面的作

13、用气体分子与表面的作用包包括：括：气体分子与蒸发出的原子，与器壁或基板（工件）表面的碰撞气体分子与蒸发出的原子，与器壁或基板（工件）表面的碰撞气体分子和表面的作用气体分子和表面的作用气体分子与蒸发出的原子从器壁或基板（工件）表面的反射或被气体分子与蒸发出的原子从器壁或基板（工件）表面的反射或被吸收。吸收。（1 1）碰撞于表面的分子数）碰撞于表面的分子数碰撞于单位面积上的分子数碰撞于单位面积上的分子数-蒸汽原子通量蒸汽原子通量（2 2）分子从表面反射）分子从表面反射 碰撞于固体表面的分子，有部分分子飞离碰撞于固体表面的分子，有部分分子飞离固体表面。其飞离表面的方向与飞来的方向无关。固体表面。其飞

14、离表面的方向与飞来的方向无关。4nN 真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-2815（3 3）气体分子在固体表面上的吸附）气体分子在固体表面上的吸附1 1）物理吸附：若固体表面的原子键饱和，表面已变得不活泼，则）物理吸附：若固体表面的原子键饱和，表面已变得不活泼，则固体表面对气体分子产生物理吸附，吸附力主要是范德瓦尔力，固体表面对气体分子产生物理吸附，吸附力主要是范德瓦尔力，包括静电力，诱导力和色散力。包括静电力，诱导力和色散力。2 2）化学吸附：固体表面原子键未饱和时，可形成化学吸附）化学吸附：固体表面原子键未饱和时，可形成化学吸附物理吸附分子作用力分布曲线物理吸附分子作用力分布

15、曲线物理吸附与化学吸附位能分布曲线物理吸附与化学吸附位能分布曲线真空镀膜方法真空镀膜方法-概述概述2022-12-2816离离 子子碰撞电子的能量碰撞电子的能量13.6 eV离子受电磁场影响离子受电磁场影响 离子状态不稳定，易捕获电子再结合为原子离子状态不稳定，易捕获电子再结合为原子溅射原理溅射原理-溅射物理过程溅射物理过程2022-12-2817溅射原理溅射原理-受激辐射受激辐射碰撞电子的能量碰撞电子的能量 500 V500 V）由于高能电子的轰击，基片温度骤然由于高能电子的轰击，基片温度骤然增加（增加（500 500）2022-12-2844磁控溅射磁控溅射设置磁场，束缚电子运动轨迹设置磁

16、场，束缚电子运动轨迹提高溅射速率提高溅射速率放电电压较低（放电电压较低（300300600 V600 V）基片温度低基片温度低2022-12-2845磁控溅射磁控溅射在此区域，电离程度更高，在此区域，电离程度更高，离子对靶表面的轰击增加，离子对靶表面的轰击增加，靶表面形成刻蚀区（溅射区）。靶表面形成刻蚀区（溅射区）。电子主要在两磁极间电子主要在两磁极间的轨道内，以螺旋的的轨道内，以螺旋的形式运动，并平行于形式运动，并平行于靶表面。靶表面。2022-12-2846磁控溅射磁控溅射磁控溅射的生产，需要使用下面两种材料磁控溅射的生产，需要使用下面两种材料溅射气体溅射气体溅射靶材溅射靶材平面靶平面靶旋

17、转靶旋转靶工作气体工作气体 Ar工艺气体工艺气体O2、N22022-12-2847反应溅射反应溅射金属模式：金属模式：薄膜主要是金属靶材不被氧化过渡模式：过渡模式：反应不断增加薄膜变的越来越透明反应模式：反应模式：几乎所有的金属原子都被氧化了薄膜透明，氧气过剩，靶材表面被氧化2022-12-2848孪生靶阴极孪生靶阴极阴极外界被镀（阳极消失）阴极外界被镀（阳极消失）靶表面被镀（靶中毒）靶表面被镀（靶中毒）靶材与阳极表面导电性能恶化（打火）靶材与阳极表面导电性能恶化（打火）绝缘材料溅射或反应溅射过程中，会产生如下问题绝缘材料溅射或反应溅射过程中，会产生如下问题2022-12-2849孪生靶阴极孪

18、生靶阴极正负电极不断交换，靶表面不正负电极不断交换，靶表面不断放电，避免弧光放电断放电，避免弧光放电电子离开靶材，立即飞到相邻电子离开靶材，立即飞到相邻靶材，虽然阴极周围形成绝缘靶材，虽然阴极周围形成绝缘层，但不充电层，但不充电2022-12-2850孪生磁控靶，二个磁控靶交替互为阴极、阳极、孪生磁控靶，二个磁控靶交替互为阴极、阳极、等离子体的导电率与周围环境无关，放电稳定，等离子体的导电率与周围环境无关，放电稳定，当脉冲频率高于当脉冲频率高于36KHz36KHz，靶面不再有放电的电弧点，靶面不再有放电的电弧点，一般中频电源在一般中频电源在40-80KHz40-80KHz之间，几乎所有的化合之间，几乎所有的化合物沉积均可保持长期的稳定性。物沉积均可保持长期的稳定性。沉积速率比普通沉积速率比普通DCDC反应溅射的反应溅射的2-62-6倍倍可实现长期稳定的运行可实现长期稳定的运行膜的结构致密，表面光滑，机械和化学性膜的结构致密，表面光滑，机械和化学性 能得能得到改善到改善 孪生靶阴极孪生靶阴极