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真空镀膜技术简介

薄膜沉积(Film Deposition)


在机械工业、电子工业或半导体工业领域,为了对所使用的材料赋予某种特性在材料表面上以各种方法形成膜层(一层薄膜),而加以使用,假如此膜层经由原子层的过程所形成时,一般将此等薄膜沉积称为蒸镀(蒸着)处理。采用蒸镀处理时,以原子或分子的层次控制蒸镀粒子使其形成膜层,因此可以得到以热平衡状态无法得到的具有特殊构造及功能的膜层。


真空镀膜:在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发(或溅射),使其沉积在被涂覆的物体(称基片、基板或基体)上的方法。真空镀膜亦称干式镀膜,与传统的湿法镀膜相比具有如下特点:

1.真空制备、环境清洁,膜层不易受污染,致密性好、纯度高、膜厚均匀。

2.膜与基体附着力好,膜层牢固。

3.不产生废液,避免环境污染。

薄膜制备的方法


薄膜沉积两种常见的制程:

物理气相沉积-PVD

Physical Vapor Deposition

化学气相沉积-CVD

Chemical Vapor Deposition

薄膜沉积机制图示

物理气相沉积-PVD(Physical Vapor Deposition)

PVD顾名思义是以物理机制来进行薄膜堆积而不涉及化学反应的制程技术,所谓物理机制是物质的相变化现象。主要类别:

蒸发镀膜(Evaporation)
溅射镀膜(Sputtering)


蒸发镀膜与溅射镀膜常见的类型:


蒸发镀膜的原理(Evaporation)


真空蒸发镀膜法是在真空室中,加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料,使其原子或分子从表面气化逸出,形成蒸气流,入射到基片表面,凝结形成固态薄膜的方法。

蒸发镀膜设备示意图

蒸发源

蒸发源是真空蒸发镀膜机的关键部件,根据蒸发源的不同可将真空蒸发镀膜分为以下几种:


电阻蒸发镀膜

采用钽、钼、钨等高熔点金属,做成适当形状的蒸发源,其上装入待蒸发材料,让电流通过,对蒸发材料进行直接加热蒸发,或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发。

电子束蒸发镀膜

1.电子枪灯丝是损耗零件,需定期更换。

2. e型电子枪工作需要一定的真空条件,工作真空度≤6×10-2~2×10-2。

3. e型电子枪真个枪头均放置在散热较差的真空室中,特别是电子枪常常用来加热一些高熔点的金属,因此电子枪的散热问题尤为重要。电子枪水冷主要是冷却坩埚、散射电子吸收极及磁极等部分。


膜厚理论

通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源(简称点源)。


假设膜材以每秒m克的蒸发速率想各个方向蒸发,在单位时间内凝结到面dS2上的膜厚t:

真空蒸发镀膜最大的特点是成膜速度快、蒸镀面积大。但是,由于热蒸发的粒子能量低(0.1~1ev),膜层附着力差、容易脱膜,薄膜堆栈密度不高、致密性差,膜层表面粗糙,折射率降低。

溅射镀膜(Sputtering)


溅射镀膜技术是用离子轰击靶材表面,把靶材的原子被击出的现象称为溅射。溅射产生的原子沉积在基体表面成膜称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产生气体电离,其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶体,击出阴极靶体原子或分子,飞向被镀基体表面沉积成薄膜。



1.Ar气体原子的电离

Ar→Ar+和e-

2.电子被加速至阳极,途中产生新的电离。

3.Ar离子被加速至阴极撞击靶材,靶材粒子及二次电子被击出,前者到达基板表面进行薄膜成长,而后者被加速至阳极途中促成更多的电离。


等离子体(电浆,Plasma)


等离子体(plasma)又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。

等离子体的性质

1.整体来说,等离子的内部是呈电中性的状态,也就是带负电粒子的密度与带正电粒子的密度是相同的。
2.因为等离子中正、负离子的个数几乎是一比一,因此等离子呈现电中性。
3.等离子是由一群带电粒子所组成,所以当有一部分受到外力作用时,远处部份的等离子,乃至整群的等离子粒子都会受到影响,这叫做「等离子的群体效应」。
4.具有良好的导电性和导热性。


考夫曼离子源


1.阴极灯丝加热发射热电子。

2.电子与气体原子或分子碰撞。

3.气体电离,在放电室形成等离子体。

4.多孔栅极产生加速电场。

5.离子被加速电场引出、加速、获得能量。

6.磁场对电子运动进行约束,增加离化率。

7.中和钨丝产生电子。

8.中和电子对引出离子中和形成等离子体。


霍尔离子源


1.阴极钨丝发射热电子向阳极迁移。

2.电子与气体原子碰撞使其离化。

3.磁场中电子形成霍耳电流产生电场。

4.离子被霍耳电场加速引出、加速。

5.阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。


离子源的比较




连续溅射镀膜系统


阴极靶

磁场线

靶材发射状态

溅射镀膜制程的特点

成膜速度快
大面积且均匀度高
附着性佳可改变薄膜应力
金属或绝缘材料均可镀制
适合镀制合金材料

离子束辅助沉积(IAD)

由于直接用离子源进行镀膜,成膜速度太慢。目前,对于离子源的使用,多将其作为辅源用于离子束辅助沉积(IAD),配合电子束进行快速蒸镀。

IAD可以在镀膜前对基片进行清洗,清除表面污渍。也可以在电子束蒸镀的同时,使用离子源辅助沉积。这可以清除结合力较弱的粒子,增加密度、降低内应力,改善薄膜生长。


1.当真空室抽至10-4Pa的高真空后,通入惰性气体(如氩),使真空度达到1-10-1Pa。

2.接通高压电源,则在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。

3.加热膜材,蒸汽离子受到等离子体中电子和正离子的碰撞,一部分被电离成正离子,在电场作用下吸附到基片上成膜。

4.成膜过程始终伴随着正离子(气体或膜材)对基片的溅射,因此,只有当沉积作用大于溅射剥离时才能制备薄膜。


真空离子镀的优点

(1)膜层附着力强。

(2)膜层组织致密,耐蚀性好。

(3)具有绕镀性能,能够在形状复杂的零件表面镀膜。

(4) 成膜速率高,可与蒸发镀膜的速率相当;且可镀厚膜(达30mm)。


真空离子镀的缺点

(1)离子镀的应用有一定限制。由于高能离子和中性粒子的轰击,沉积的薄膜中缺陷密度大大增加,且在膜与基体之间存在较宽的过渡界面层,在有些情况下,特别是在一些电子器件和集成电路的生产中,都是不允许的。

(2)由于高能粒子的轰击,基片温度较高,在需要低温成膜的场合,须另加基片的冷却装置。

(3)淀积的薄膜中含气较高。由于到达基片的不仅有中性气体分子,还有气体正离子。气体分子会吸附在膜的表面,而正离子还能渗入薄膜中一定的深度(如能量为1keV的Ar+能够在固体铜中渗入1nm)。

各种PVD镀膜比较


与真空蒸发镀膜相比,溅射镀膜有如下的优点:

(1)溅射膜与基板之间的附着性好(10~100ev)。

(2)溅射镀膜膜层致密,针孔少,且膜层的纯度较高。

(3)相比于电子束蒸镀,溅射镀膜层更加光滑。

缺点:

(1)溅射设备复杂、需要高压装置;

(2)溅射淀积的成膜速度低,真空蒸镀淀积速率为1~

    2nm/s,而溅射速率为0.01~0.04nm/s;



镀膜材料介绍

HfO2

材料特性:HfO2薄膜因为具有较高的硬度,高的化学稳定性和优良介电性能而备受关注。特别是用作光学薄膜,它具有硬度高、折射率高、高的强激光损伤阈值且在近紫外到中红外波段的良好透过性能等特点。

镀膜方式:电子束蒸发镀膜

材料用途:同济大学、成都光电所采用HfO2/SiO2膜堆制作高反膜、增透膜,用于提高激光系统(1064nm)的损伤阈值。


SiO2

材料特性:SiO2薄膜是一种重要的低折射率薄膜材料(n=1.46),具有宽透明区(0.15~8μm)、低折射率、高硬度、低热膨胀系数、好的电绝缘性,以及耐摩擦、耐酸碱、抗腐蚀等优点,并在光学领域如减反膜、高反膜、分光膜和滤光膜等各类光学元件的多层膜中有着广泛的应用。

镀膜方式:SiO2薄膜的制备有热蒸镀、电子束蒸镀、离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、溶胶一凝胶等方式。

材料用途:SiO2为低折射率材料,可许多高介质材料搭配构成膜堆。如:TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2。其次,SiO2也用作许多光学元件的保护层。


ZnS

材料特性:ZnS是常见的红外光学材料,经过热等静压处理的多光谱ZnS晶体的透明区为0.38~14um,具有良好的机械性能和光学性能,透射率可在72%以上且吸收小,优良的性能使其在红外与激光系统中得到广泛使用。

镀膜方式:电子束蒸镀+离子辅助沉积

材料用途:ZnS作为高折射率材料,可与低折射率的YbF3、YF3搭配,制造不同波段的激光滤光膜及增透膜。同时,也可配合MgF2用于双层增透膜。


MgF2

材料特性:分子量62.31,密度2.9~3.2,熔点1359 ℃ ,在10-4Torr真空下的蒸发温度为1540℃。MgF2薄膜的透明区为O.21um~lOum。氟化镁薄膜是所有低折射率材料中最为牢固的薄膜,特别是当基底温度为大约250 ℃左右时,其膜层牢固度可以得到非常令人满意的结果。

镀膜方式:热电阻蒸镀,电子束蒸镀。


TiO2

材料特性:分子量79.88,密度4.29,熔点1850 ℃ ,折射率2.05(550nm),在10-4Torr真空下的蒸发温度为2200 ℃ 。可用钨舟、钼舟加热蒸发,此时产生分解的吸收膜。也可由电阻加热蒸发Ti,然后在空气中加热氧化二制备Ti02薄膜。用电子束加热蒸发效果很好。但是,由于TiO2在真空中加热蒸发时会分解失氧,形成高吸收的钛的亚氧化物薄膜。因此,在镀制过程中需要给其充加氧气。

镀膜方式:电子束蒸镀,离子源辅助沉积,溶胶-凝胶法


Ta2O5

材料特性:分子量441.89,密度8.74,熔点1800 ℃ ,在10-4Torr真空下的蒸发温度为2500℃。可用钽、钨舟、线圈加热蒸发,也可由钨坩埚加热蒸发,用电子束加热蒸发效果良好。Ta2O5薄膜的透明区为0.3~10um,其折射n=2.1(550nm)。可用于干涉涂层中作为高折射率薄膜材料,其机械性能极为牢固,强碱也不能将它腐蚀,所以还可作为保护涂层,特别是在高温环境中的应用。

镀膜方式:电子束蒸镀,离子束溅射


Al

材料特性:熔点660℃,铝膜从紫外区到红外区具有平坦而且很高的反射率,且铝膜表面总是存在着一层透明的A120,薄膜的保护,其化学稳定性也比较好,所以铝膜被广泛用作各类反射器件的反射膜。

镀膜方式:热电阻蒸镀、磁控溅射


Ag

材料特性:熔点960℃,

镀膜方式:化学镀银


Au

材料特性:熔点1060℃,

镀膜方式:电镀,电子束蒸镀,离子束溅射

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