企業(yè)培訓(xùn)_培訓(xùn)系列之真空鍍膜技術(shù)基礎(chǔ)

主講人 張以忱 真空鍍膜技術(shù)基礎(chǔ) 真空技術(shù) 一 真空技術(shù)概況 巴德純 二 真空工程理論基礎(chǔ) 張世偉 三 干式真空泵原理與技術(shù)基礎(chǔ) 巴德純 四 真空系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 劉坤 五 真空獲得設(shè)備原理與技術(shù)基礎(chǔ) 張以忱 六 真空測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ) 劉玉岱 七 真空鍍膜技術(shù)基礎(chǔ) 張以忱 八 質(zhì)譜原理與真空檢漏 劉玉岱 九 真空冶金技術(shù)基礎(chǔ) 王曉冬 十 真空與低溫技術(shù)及設(shè)備 徐成海 東北大學(xué)第八期 培訓(xùn)系列之 主要內(nèi)容 1 真空鍍膜概論2 真空蒸發(fā)鍍膜3 真空濺射鍍膜4 真空離子鍍膜和離子束沉積技術(shù) 1 真空鍍膜概論 1 1真空鍍膜技術(shù) 真空鍍膜在真空條件下利用某種方法 在固體表面上鍍一層與基體材料不同的薄膜材料 也可以利用固體本身生成一層與基體不同的薄膜材料 即真空鍍膜技術(shù) 1 2真空鍍膜特點(diǎn) 在真空條件下鍍膜 膜不易受污染 可獲得純度高 致密性好 厚度均勻的膜層 膜材和基體材料有廣泛的選擇性 可以制備各種不同的功能性薄膜 薄膜與基體附著強(qiáng)度好 膜層牢固 對(duì)環(huán)境無污染 1 3真空鍍膜技術(shù)分類 物理氣相沉積 PVD 如 熱蒸發(fā)沉積 濺射沉積 離子鍍和分子束外延化學(xué)氣相沉積 CVD 如 熱化學(xué)氣相沉積 光化學(xué)氣相沉積 等離子體化學(xué)氣相沉積物理 化學(xué)氣相沉積 PCVD 真空表面處理技術(shù)的分類 各種干式鍍膜技術(shù)的比較 1 4真空鍍膜的應(yīng)用 薄膜的應(yīng)用非常廣泛 它可以應(yīng)用于電子 機(jī)械 光學(xué) 能源 輕工 食品 建筑 裝飾等工業(yè)方面以及傳感器 變換器等 此外 塑料表面金屬薄膜以及金屬表面的塑料薄膜廣泛應(yīng)用于日常生活各方面 薄膜的應(yīng)用 2 真空蒸發(fā)鍍膜 2 1真空蒸發(fā)鍍膜原理 將膜材置于真空中 通過蒸發(fā)源對(duì)其加熱使其蒸發(fā) 蒸發(fā)的原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出 由于高真空氣氛 真空室中氣體分子的平均自由程大于真空室的線性尺寸 故此蒸汽分子很少與其它分子相碰撞 以直線方式達(dá)到基片表面 通過物理吸附和化學(xué)吸附凝結(jié)在基片表面 形成薄膜 這就是真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理 真空蒸發(fā)鍍膜原理圖 1 基本加熱電源2 真空室3 基片架4 基片5 膜材6 蒸發(fā)舟7 加熱電源8 抽氣口9 真空密封10 擋板11 蒸汽流 蒸發(fā)鍍膜成膜條件 真空條件蒸發(fā)條件清洗條件 真空條件蒸鍍室內(nèi)真空度應(yīng)高于10 2Pa室內(nèi)殘余氣體的分子到達(dá)基片表面上的幾率 膜材的蒸發(fā)速率 蒸發(fā)條件蒸發(fā)速率應(yīng)足夠大以達(dá)到工藝要求的沉積速率 kg m2s 某些金屬蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線 清洗條件基片應(yīng)進(jìn)行鍍前處理 粗糙度小 表面上無污染物 無氧化化層等 2 2蒸發(fā)源 電阻加熱式電子束加熱式感應(yīng)加熱式空心陰極等離子體電阻式加熱式激光束加熱式 按加熱方式分類 電阻加熱式蒸發(fā)源 絲狀源與箔狀源 電阻加熱式蒸發(fā)源 鋁蒸發(fā)用坩堝加熱器 電子束加熱式蒸發(fā)源 電子束加熱式蒸發(fā)源 e型槍工作原理示意圖 1 發(fā)射體組件2 陽極3 電磁線圈4 水冷坩堝5 離子收集板6 電子收集極7 電子束軌跡8 正離子軌跡9 散射電子軌跡10 等離子體 電子束加熱式蒸發(fā)源 e型槍電子束偏轉(zhuǎn)角 感應(yīng)加熱式蒸發(fā)源 空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源 1 冷卻水套2 空心陰極3 輔助陽極4 聚束線圈5 槍頭6 膜材7 坩堝8 聚焦磁場(chǎng)9 基片 空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源 HCD槍特性 主束電源與引束電源的匹配 輔助陽極孔徑與主束電壓及束流的關(guān)系 氬氣流量與主束電壓的關(guān)系 激光加熱式蒸發(fā)源 1 玻璃衰減器2 透鏡3 光圈4 光電池5 分光器6 透鏡7 基片8 探頭9 靶10 真空室11 激光器 蒸發(fā)源按形狀分類 點(diǎn)蒸發(fā)源小平面蒸發(fā)源環(huán)形蒸發(fā)源環(huán)形線蒸發(fā)源 環(huán)形平面蒸發(fā)源 環(huán)形柱面蒸發(fā)源環(huán)形錐面蒸發(fā)源矩形平面蒸發(fā)源 點(diǎn)蒸發(fā)源及點(diǎn)源對(duì)平面的蒸發(fā) 點(diǎn)蒸發(fā)源的發(fā)射 點(diǎn)源對(duì)平面的蒸發(fā) 小平面蒸發(fā)源及小平面源對(duì)平行平面的蒸發(fā) 小平面蒸發(fā)源的發(fā)射 小平面源對(duì)平行平面的蒸發(fā) 環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形線蒸發(fā)源 平面基片的環(huán)形線蒸發(fā)源 平行于基片的環(huán)形線源的膜厚 環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形平面蒸發(fā)源 平行于基片的環(huán)形平面蒸發(fā)源 環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形柱面蒸發(fā)源 環(huán)形蒸發(fā)源 環(huán)形錐面蒸發(fā)源 基片與蒸發(fā)源的相對(duì)位置 點(diǎn)蒸發(fā)源的等膜厚球面1 基片2 球面工件架3 點(diǎn)蒸發(fā)源 小平面源的等膜厚面1 基片2 球面工件架3 小平面源 圓形平面源的膜厚分布 間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)立式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)臥式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 2 3真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 立式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)鍍膜室1 室體2 球面行星轉(zhuǎn)動(dòng)基片架3 膜厚測(cè)量晶體4 烘烤裝置5 擋板6 膜材7 e型槍蒸發(fā)源 間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 單室半連續(xù)真空鍍膜機(jī)鍍膜室 1 照明燈2 放卷輥3 基帶4 導(dǎo)向輥5 張緊輥6 水冷輥7 擋板8 坩堝9 送絲機(jī)構(gòu)10 室體11 觀察窗12 抽氣口 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 送絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1 坩堝2 導(dǎo)管3 膜材絲4 主動(dòng)輥輪5 壓輪6 導(dǎo)向輥7 支架8 繞絲輪 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 1 室體2 收卷輥3 照明燈4 導(dǎo)向輥5 觀察窗6 水冷輥7 隔板8 擋板9 蒸發(fā)源10 鍍膜室抽氣口11 橡膠輥12 銅輥13 烘烤裝置14 放卷輥15 卷繞室抽氣口 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 蒸發(fā)源的位置1 基體2 蒸發(fā)源 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 開啟機(jī)構(gòu)示意圖1 真空室體2 卷繞機(jī)構(gòu)3 密封大板4 動(dòng)力柜5 行程開關(guān)6 小車 半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機(jī) 2 4特殊蒸發(fā)技術(shù) 閃蒸蒸鍍法多蒸發(fā)源蒸鍍法反應(yīng)蒸鍍法三溫度蒸鍍法 蒸發(fā)鍍膜工藝中應(yīng)考慮的問題 膜厚的均勻性問題點(diǎn)源 小平面源 蒸距等對(duì)薄膜的影響基片架的運(yùn)動(dòng)方式工藝參數(shù)的選擇問題蒸發(fā)溫度 蒸發(fā)速率 基片溫度 蒸距 蒸發(fā)壓力等減小膜基界面上的應(yīng)力提高膜的附著強(qiáng)度 附著力 的問題熱應(yīng)力 淀積內(nèi)應(yīng)力 附加內(nèi)應(yīng)力應(yīng)盡量小基片鍍前處理與成膜時(shí)對(duì)基片加熱 烘烤 離子轟擊等 沉積速率的選擇與控制鍍前對(duì)基片打底膜 3 真空濺射鍍膜 3 1濺射鍍膜 濺射 所謂 濺射 就是用荷能粒子 通常用氣體正離子 轟擊物體 引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象 濺射鍍膜 在真空條件下 利用低壓等離子體氣體放電中的濺射現(xiàn)象制備薄膜 即真空濺射鍍膜 離子轟擊固體表面時(shí)發(fā)生的物理過程 與濺射率有關(guān)的因素 濺射率與靶材有關(guān)濺射率與入射正離子的能量有關(guān)濺射率與入射離子的種類有關(guān)濺射率與離子入射角有關(guān)濺射率與靶材溫度有關(guān) 濺射率與離子能量的關(guān)系 銀 銅鉭金屬的濺射率與能量為45keV的轟擊離子的函數(shù)關(guān)系 濺射率與離子入射角的典型曲線 幾種靶材的濺射率與溫度的關(guān)系 鎳的濺射率與總壓力的關(guān)系曲線 濺射鍍膜特點(diǎn) 膜厚可控性和重復(fù)性好 由于濺射鍍膜時(shí)的放電電流和靶電流可分別控制 通過控制靶電流則可控制膜厚濺射膜與基體之間的附著性好 高能粒子沉積在基體上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換 增強(qiáng)了濺射原子與基體的附著力 部分高能粒子產(chǎn)生注入現(xiàn)象 形成偽擴(kuò)散層 等離子區(qū)清洗和激活 凈化且活化基體表面制膜范圍廣 任何物質(zhì)均可以濺射 尤其是高熔點(diǎn) 低蒸氣壓元素和化合物濺射鍍膜密度高 針孔少 且膜層的純度較高 3 2直流濺射鍍膜 3 2 1直流二極濺射裝置3 2 2直流偏壓濺射裝置3 2 3三極或四極濺射裝置 依據(jù)直流輝光放電原理制備薄膜的方法稱為直流濺射鍍膜 其裝置稱為直流濺射裝置 直流二極濺射裝置原理圖 1 真空室2 加熱器3 陰極靶4 基體 陽極 5 Ar入口6 負(fù)高壓電源7 加熱電源8 真空系統(tǒng) 3 2 1直流二極濺射裝置 直流偏壓濺射示意圖 1 濺射室2 陰極3 基體4 陽極5 排氣系統(tǒng)6 氬氣入口 3 2 2直流偏壓濺射裝置 1 機(jī)械泵2 閥3 可調(diào)漏泄閥4 低真空計(jì)5 高真空計(jì)6 陰極7 穩(wěn)定性電極8 電磁線圈9 濺射室10 蒸鍍基體燈絲11 靶12 陽極13 閘閥14 液氨阱15 放氣閥16 液氮阱17 擴(kuò)散泵18 水冷密封板19 鈦升華泵20 加熱器 1 熱陰極2 穩(wěn)定性電極3 基體4 陽極5 靶6 線圈7 靶電源 四極濺射裝置 a 四極濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖 b 四極濺射裝置的電氣部分 3 2 3三極或四極濺射裝置 3 3直流磁控濺射鍍膜 直流磁控濺射鍍膜是在直流濺射裝置中增加了磁場(chǎng) 利用磁場(chǎng)的洛侖茲力束縛陰極靶表面電子的運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致轟擊靶材的高能離子的增多和轟擊基片的高能電子的減少 低溫 高速 沉積高質(zhì)量薄膜 磁控濺射原理圖 直流磁控濺射鍍膜特點(diǎn) 低溫 電子被正交電磁場(chǎng)約束減少了向基片的磁接 降低了基片同電子轟擊所產(chǎn)生的熱量 使基片溫度降 故磁控濺射又稱為高速低溫濺射 高速 電子在正交電磁場(chǎng)下增大了運(yùn)動(dòng)路程 使電子與工作氣體分子磁控幾率大大增加從而提高了濺射率 即提高沉積速率 3 3 2磁控濺射靶 磁控濺射靶的分類有 同軸圓柱形靶 圓形平面靶 S 槍靶 矩形平面靶 旋轉(zhuǎn)式圓柱形靶及特殊結(jié)構(gòu)靶等 各自結(jié)構(gòu)如下圖所示 各種磁控濺射靶的結(jié)構(gòu) 磁控濺射靶電流 電壓特性 磁控濺射放電均為低壓等離子體放電 其電流 電壓特性基本一致 隨著放電電流的增加 放電電壓均需增高 隨著氣壓的增高 放電電壓下降 磁場(chǎng)影響放電特性 沉積速率 沉積速率是表征成膜速度的參數(shù) 一般以單位時(shí)間沉積的平均膜厚來表征 影響沉積速率的因素 氣體壓力靶 基距靶電流最大功率密度靶材料種類 功率效率 影響功率效率的因素離子能量氣壓磁場(chǎng)強(qiáng)度 各種參數(shù)下的功率效率 間歇式磁控濺射鍍膜機(jī)半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī)連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī) 3 3 3磁控濺射鍍膜機(jī) 磁控濺射鍍膜機(jī)主要由鍍膜室 抽氣系統(tǒng) 電控系統(tǒng) 以及輔助設(shè)備等組成 其中鍍膜室由磁控濺射靶 基片架 烘烤裝置 充氣系統(tǒng)以及測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)等組成 由于濺射靶及工藝連續(xù)性的不同 可分為 1 底法蘭2 基片架3 矩形平面靶4 矩形擋板5 烘烤裝置6 鐘罩7 同軸圓柱靶8 圓形平面靶9 圓形擋板10 充氣系統(tǒng)11 S槍靶12 支柱13 主動(dòng)轉(zhuǎn)軸14 密封圈 間歇式多靶磁控濺射鍍膜機(jī) 間歇式磁控濺射鍍膜機(jī) 1 進(jìn)料室2 基片盒3 閘閥4 加熱器5 預(yù)熱室6 臺(tái)板7 鍍膜室8 濺射靶9 冷卻室10 成品片11 取料室12 抽氣系統(tǒng) 半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī) 連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī) 典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產(chǎn)線 連續(xù)式磁控濺射鍍膜機(jī)鍍膜室 1 密封圈2 濺射室上蓋3 密封圈4 平面磁控濺射陰極5 絕緣件6 電極導(dǎo)入板 陽極 7 8 9 隔離擋板10 濺射鍍膜室殼體11 真空閥門12 隔離擋板13 輸送輥道 3 4射頻濺射鍍膜 射頻濺射鍍膜原理圖1 基片架2 等離子體3 射頻濺射靶4 濺射室5 匹配網(wǎng)絡(luò)6 電源7 射頻發(fā)生器 3 4 1射頻濺射鍍膜工作原理 射頻頻率通常為13 56MHz 當(dāng)絕緣基板背面的導(dǎo)體處于負(fù)電位時(shí) 等離子體中正離子向基板加速飛行 轟擊絕緣基板使其濺射 這種濺射只能維持10 7秒的時(shí)間 此后在絕緣基板上積累的正電荷形成的正電位抵消了導(dǎo)體基板上的負(fù)電位 因此停止高能正離子對(duì)絕緣基板的轟擊 此時(shí) 如果倒轉(zhuǎn)電源極性 電子就會(huì)轟擊絕緣基板 并在10 9秒時(shí)間內(nèi)中和絕緣基板上的正電荷 使其電位復(fù)零 這時(shí) 再倒轉(zhuǎn)極性 又能產(chǎn)生10 7秒時(shí)間的濺射 如此反復(fù) 即為射頻濺射鍍膜工作原理 3 4 2射頻濺射鍍膜裝置 射頻二極濺射裝置射頻磁控濺射裝置 射頻二極濺射裝置 射頻二極濺射裝置 1 氧氣瓶2 減壓閥3 壓力計(jì)4 可調(diào)漏泄閥5 檔扳6 濺射原子7 暗區(qū)8 氬離子9 真空室10 陰極靶11 射頻電機(jī)12 匹配箱13 功率表14 靶電源15 真空計(jì)16 等離子17 主閥18 液氮阱19 蓋斯勒管20 機(jī)械泵21 擴(kuò)散泵22 予抽閥23 基體架24 基體 聚束磁場(chǎng)強(qiáng)弱造成放電區(qū)域變化示意圖 a 發(fā)散型 b 均勻型 c 聚束型1 射頻電源2 射頻靶3 濺射室4 磁場(chǎng)線圈5 等離子體6 基體 射頻磁控濺射裝置 濺射靶為磁控濺射靶的射頻濺射裝置稱為射頻磁控濺射裝置 兼有射頻濺射和磁控濺射兩種濺射裝置的優(yōu)點(diǎn) 射頻濺射靶的結(jié)構(gòu) a 常規(guī)射頻濺射 b 射頻磁控濺射1 進(jìn)水管2 出水管3 絕緣子4 接地屏蔽罩5 射頻電極6 磁環(huán)7 磁芯8 靶材9 基體10 基體架 3 5反應(yīng)濺射鍍膜 在濺射鍍膜時(shí) 有目的地將某種反應(yīng)性氣體引入到濺射室并達(dá)到一定的分壓 可以改變或控制沉積特性 從而獲得不同于靶材的新物質(zhì)薄膜 如各種金屬氧化物 氮化物 碳化物以及絕緣介質(zhì)等薄膜 這種伴隨有化學(xué)反應(yīng)的濺射鍍膜方法稱為反應(yīng)濺射鍍膜 3 5 1反應(yīng)濺射的機(jī)理及特性 膜層性質(zhì)與反應(yīng)性氣體和惰性氣體的比例有關(guān) 濺射過程中電阻率及電阻溫度系數(shù)與氮分壓的關(guān)系曲線 3 5 2反應(yīng)濺射鍍膜裝置 間歇式反應(yīng)濺射裝置半連續(xù)式反應(yīng)濺射裝置 間歇式反應(yīng)濺射裝置 濺射室結(jié)構(gòu)1 室體2 磁控濺射靶3 基片架 半連續(xù)式反應(yīng)濺射裝置 ITO連續(xù)性濺射設(shè)備1 基片裝卸臺(tái)2 升降機(jī)3 5 7 12 14 閘閥4 進(jìn)片室6 加熱室8 低溫泵9 濺射室10 濺射靶11 加熱器13 出片室15 傳輸系統(tǒng) 3 6各磁控濺射靶的磁場(chǎng) 3 6 1矩形平面磁控濺射靶的磁場(chǎng) 3 6 2圓形平面磁控濺射靶的磁場(chǎng) 圓形平面磁控濺射靶的磁路系統(tǒng)1 中心磁柱2 磁環(huán)3 軛鐵 磁環(huán)的磁場(chǎng) 3 6 3同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場(chǎng) 3 6 4旋轉(zhuǎn)式圓柱形磁控濺射靶的磁場(chǎng) 中部橫截面的磁場(chǎng) 端部永磁體結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng) 3 6 5S 槍濺射靶的磁場(chǎng) 4 真空離子鍍膜和離子束沉積技術(shù) 4 1真空離子鍍膜 真空離子鍍膜技術(shù) 簡(jiǎn)稱離子鍍 是在真空蒸發(fā)和真空濺射兩種鍍膜技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 離子鍍膜過程中 基片始終受到高能離子的轟擊 與蒸發(fā)鍍和濺射鍍相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn) 離子鍍的類型 蒸發(fā)源型離子鍍 通過各種加熱方式加熱鍍膜材料 使之蒸發(fā)產(chǎn)生金屬蒸氣 將其引入以各種方式激勵(lì)產(chǎn)生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子 它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜 濺射離子鍍 通過采用高能離子對(duì)膜材表面進(jìn)行濺射而產(chǎn)生金屬粒子 金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子 它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜 離子鍍膜層的沉積離子來源于各種類型的蒸發(fā)源或?yàn)R射源 從離子來源的角度可分成蒸發(fā)源型離子鍍和濺射離子鍍兩大類 4 1 1離子鍍?cè)砗统赡l件 離子鍍膜原理圖 1 絕緣引線2 基片架3 高壓引線4 陰極暗區(qū)5 鐘罩6 輝光放電區(qū)7 蒸發(fā)源8 底座 離子鍍?cè)?真空室抽至10 3 10 4Pa 隨后通入工作氣體 Ar 使其真空度達(dá)到1 10 1Pa 接通高壓電源 在蒸發(fā)源 陽極 和基片 陰極 之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的低溫等離子區(qū) 在負(fù)輝區(qū)附近產(chǎn)生的工作氣體離子進(jìn)入陰極暗區(qū)被電場(chǎng)加速并轟擊基片表面 可有效地清除基片表面的氣體和污物 隨后 使膜材汽化 蒸發(fā)的粒子進(jìn)入等離子區(qū) 并與等離子區(qū)中的正離子和被激發(fā)的工作氣體原子以及電子發(fā)生碰撞 其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子 大部分原子達(dá)不到離化的能量 處于激發(fā)狀態(tài) 被電離的膜材離子和工作氣體離子一起受到負(fù)高壓電場(chǎng)加速 以較高的能量轟擊基片和鍍層的表面 并沉積成膜 離子鍍的成膜條件 一般認(rèn)為入射離子都具有反濺 剝離能力 在離子鍍中 要想沉積成膜 必須使沉積效果大于濺射剝離效果 即成膜條件為 n nin 單位時(shí)間入射到單位基片表面上的金屬原子數(shù)ni 單位時(shí)間轟擊基體表面的離子數(shù)即當(dāng)沉積作用大于反濺 剝離 作用時(shí)才能制備成膜 4 1 2等離子體在離子鍍膜中的作用 在被蒸發(fā)的膜材粒子與反應(yīng)氣體分子之間產(chǎn)生激活反應(yīng) 增強(qiáng)了化合物膜的形成改變薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 導(dǎo)致薄膜的物理性能的變化 4 1 3離子鍍膜工藝參數(shù) 氣體壓力蒸發(fā)速率蒸發(fā)源與基片間距離沉積速率基片溫度基片偏壓 基片偏壓對(duì)膜層密度的影響 離子鍍工藝必須滿足的基本條件 1 在基片附近要有足夠高的離化率 2 到達(dá)基片的離子流密度ji 0 77mA cm2s 3 膜材粒子的流通量要滿足n ni 4 1 4離子鍍膜裝置 直流二極型離子鍍裝置三極型或多極型離子鍍裝置ARE活性反應(yīng)離子鍍裝置空心陰極放電離子鍍裝置 直流二極型離子鍍裝置 1 基片架 陰極 2 蒸發(fā)源 陽極 3 室體4 蒸發(fā)電源5 高壓起源6 充氣系統(tǒng)7 抽氣系統(tǒng) 三極型或多極型離子鍍裝置 三極型離子鍍裝置 1 陽極2 進(jìn)氣口3 蒸發(fā)源4 電子吸收極5 基體6 電子發(fā)射極7 直流電源8 真空室9 蒸發(fā)電源10 真空系統(tǒng) 1 陽極2 蒸發(fā)源3 基體4 熱電子發(fā)射陰極5 可調(diào)電阻6 燈絲電源7 直流電源8 真空室9 真空系統(tǒng)10 蒸發(fā)電源11 進(jìn)氣口 多陰極離子鍍裝置 ARE活性反應(yīng)離子鍍裝置 1 真空室2 膜材蒸發(fā)粒子流3 散射環(huán)4 探測(cè)極5 烘烤裝置6 基片8 坩堝 空心陰極放電離子鍍裝置 1 冷卻水套2 空心陰極3 輔助陽極4 聚束線圈5 槍頭6 膜材7 坩堝8 聚焦磁場(chǎng)9 基片 4 2真空電弧離子鍍膜 利用真空條件下的弧光放電進(jìn)行基片表面涂層的技術(shù)稱為真空電弧離子鍍膜技術(shù) 簡(jiǎn)稱電弧鍍 真空電弧鍍具有電壓低 成膜快的特點(diǎn) 在制備硬質(zhì)膜和裝飾膜領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用 4 2 1弧光放電及真空電弧鍍機(jī)理 弧光放電 當(dāng)陰極受到大量高速正離子轟擊而被加熱到高溫時(shí) 因陰極產(chǎn)生顯著的熱電子發(fā)射 從而使等離子體放電中的陰極位降降低 放電電流增大 該陰極位降只需保持陰極區(qū)能量 即電流與陰極位降的乘積 即足以使陰極維持電子熱發(fā)射所需要的溫度 稱之為弧光放電 真空陰極電弧放電過程機(jī)理 探針的特性曲線 4 2 2真空電弧鍍蒸發(fā)源 圓形平面電弧鍍蒸發(fā)源矩形平面電弧鍍蒸發(fā)源圓柱形電弧鍍蒸發(fā)源環(huán)形平面電弧鍍蒸發(fā)源旋轉(zhuǎn)式圓柱形電弧鍍蒸發(fā)源圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源陽極真空電弧鍍蒸發(fā)源 圓形平面電弧鍍蒸發(fā)源1 屏蔽罩2 密封圈3 靶材4 水冷源體5 磁體6 引弧極 電弧源電流受力圖 圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源 4 3離子束輔助沉積技術(shù) 離子束輔助沉積技術(shù)是把離子束注入與氣相沉積鍍膜技術(shù)相結(jié)合的離子表面復(fù)合處理技術(shù) 即在鍍膜的同時(shí) 使具有一定能量的離子不斷地入射到膜與基材的界面 借助于級(jí)聯(lián)碰撞導(dǎo)致界面原子混合 在初始界面附近形成原子混合過渡區(qū) 提高膜與基材之間的結(jié)合力 然后在原子混合區(qū)上 再在離子束參與下繼續(xù)生長(zhǎng)出所要求厚度和特性的薄膜 離子束輔助沉積機(jī)理 利用轟擊離子在膜層中發(fā)生的級(jí)聯(lián)碰撞 增加了沉積膜材原子的遷移 減輕或削除了成膜過程中的陰影效應(yīng)荷能離子的轟擊 使沉積膜材原子與基片原子之間相互擴(kuò)散 形成一層相互混雜的混合層 提高了膜層對(duì)基片的附著力離子束的轟擊能提供了膜層原子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的激活能 有利于形成晶態(tài)化合 可在室溫下制備出通常需要在高溫下才能生成的化合物薄膜 離子束輔助沉積技術(shù)分類 蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術(shù)濺射鍍的離子束輔助沉積技術(shù)低壓反應(yīng)離子鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 1 離子束源2 蒸發(fā)源3 室體4 旋轉(zhuǎn)基片架5 加熱裝置 濺射鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 1 濺射離子束源2 輔助離子束源3 濺射靶4 旋轉(zhuǎn)基片架5 烘烤裝置6 室體 低壓反應(yīng)離子鍍的離子束輔助沉積技術(shù) 1 基片2 離子束源3 e型槍蒸發(fā)源4 室體 4 4離子束沉積技術(shù) 離子束沉積技術(shù)利用離化的粒子作為鍍膜材料 在比較低的基片溫度下形成良好特性的薄膜的鍍膜技術(shù)稱為離子束沉積技術(shù) 4 4 1離子束沉積技術(shù)機(jī)理 離子束照射到基片或沉積膜層表面 由于入射離子能量的不同 可以產(chǎn)生沉積 濺射或離子注入效應(yīng) 離子束沉積技術(shù)要求入射離子的能量必須低于某一臨界值EC 否則 由于濺射作用導(dǎo)致膜層不會(huì)生長(zhǎng) 臨界能量EC可定義為入射離子的濺射率為1時(shí)的能量 Si基片上進(jìn)行Ge 離子束沉積時(shí)Ge的沉積量與入射離子能量的關(guān)系 4 4 2離子束沉積技術(shù)的分類 非質(zhì)量分離式離子束沉積技術(shù)質(zhì)量分離式離子束沉積技術(shù)團(tuán)簇離子束沉積技術(shù)氣固兩用離子束沉積技術(shù) 質(zhì)量分離式離子束沉積技術(shù) 1 質(zhì)量分離用偏轉(zhuǎn)磁鐵2 偏轉(zhuǎn)板3 沉積室4 硅基片5 離子電流6 四極慮質(zhì)器7 絕緣子8 離子加速電源9 引出電源10 離子源 團(tuán)簇離子束沉積技術(shù) 1 膜材2 噴射口3 冷卻水4 電離化所用電子的引出柵極5 加速電極6 熱電偶7 基片架8 加熱器9 基片10 擋板11 團(tuán)簇離子及中性粒子團(tuán)束12 離化用熱電子燈絲13 坩堝加熱燈絲14 坩堝15 冷卻水出口16 冷卻水入口 氣固兩用離子束沉積技術(shù) 1 坩堝2 陽極筒3 磁場(chǎng)線圈4 放電室體5 燈絲陰極6 柵極7 加速極 4 5分子束外延技術(shù) 分子束外延技術(shù) 在超高真空系統(tǒng)中 將需要結(jié)晶的材料放入噴射爐 或稱噴射源 內(nèi)加熱使其形成分子束 從爐中噴出后沉積在單晶基片上 基片溫度穩(wěn)定為幾百度 沉積材料在基片上以單晶結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng) 從而可獲得單晶薄膜 分子束外延技術(shù)的特點(diǎn) 超高真空條件下進(jìn)行的分子束外延 無污染 純度高生長(zhǎng)速度緩慢 1 10 m h 可獲得大面積的表面和界面具有原子平整度的外延生長(zhǎng)膜可原位觀察薄膜生長(zhǎng)過程 研究生長(zhǎng)機(jī)制基片溫度低 Si生長(zhǎng)溫度只需200 膜層的組分和雜質(zhì)可控制缺點(diǎn)是生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng) 真空度要求太高不易實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)性生產(chǎn) 影響分子束外延的因素 外延溫度基片晶體的擗開工作真空度殘余氣體蒸發(fā)速率基片表面的缺陷電場(chǎng)膜厚 分子束外延裝置 1 蒸發(fā)室2 俄歇電子譜儀3 探測(cè)器4 基片架與加熱器5 四極質(zhì)譜儀6 電子計(jì)算機(jī)7 電子槍8 離子濺射槍9 快門10 噴射爐 電子計(jì)算機(jī)控制的分子束外延裝置示意圖 4 6微波電子回旋共振等離子體增強(qiáng)濺射沉積 工作原理 頻率為2 45GHz的微波經(jīng)過矩形波導(dǎo)管 同軸線和天線耦合進(jìn)入等離子體放電室 在磁場(chǎng)強(qiáng)度0 0875T時(shí) 電子回旋運(yùn)動(dòng)與微波場(chǎng)產(chǎn)生共振 電子吸收微波能量 氣體電離 產(chǎn)生高密度ECR等離子體 等離子體在發(fā)散磁場(chǎng)作用下 由放電室出口引入工作室 轟擊基片上沉積的金屬薄膜 形成金屬化合物薄膜 微波ECR等離子體增強(qiáng)濺射沉積裝置示意圖 1 微波天線2 石英罩3 等離子體放電室4 磁場(chǎng)線圈5 等離子體因出口6 工作室7 基片臺(tái)8 磁控濺射靶9 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)p 接真空系統(tǒng) 微波等離子體濺射沉積特性 沉積溫度低 AIN TiN膜沉積溫度約為100 與IBAD沉積溫度相當(dāng)入射離子與已沉積的金屬原子碰撞 增加已沉積原子的動(dòng)能 增大被俘獲的幾率 加速薄膜沉積附著強(qiáng)度高 在負(fù)偏壓作用下 入射離子與金屬離子有注入原子層的混合 形成薄膜 基片過渡層 提高附著強(qiáng)度可制備嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量成分的金屬化合物薄膜壓力不變 等離子體密度隨放電功率增加而增加 功率不變 等離子體密度隨氣壓增加而增加具有獨(dú)立的磁控放電特性 CVD化學(xué)氣相沉積 第一章氣相沉積技術(shù)概述 1 1氣相沉積技術(shù)的定義1 2氣相沉積技術(shù)的分類1 3氣相沉積技術(shù)的特點(diǎn)1 4氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用 1 1氣相沉積技術(shù)的定義 所謂氣相沉積技術(shù)是利用在氣相中物理 化學(xué)反應(yīng)過程 在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層的方法 1 2氣相沉積技術(shù)的分類 1 3氣相沉積技術(shù)的特點(diǎn) 幾種不同PVD和CVD技術(shù)特性的比較 1 4氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用 第二章化學(xué)氣相沉積技術(shù) 2 1化學(xué)氣相沉積定義2 2化學(xué)氣相沉積物理化學(xué)基礎(chǔ)2 3化學(xué)氣相沉積反應(yīng)物質(zhì)源2 4化學(xué)氣相沉積涂層質(zhì)量影響因素2 5化學(xué)氣相沉積裝置2 6高溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)2 7中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù) 2 1化學(xué)氣相沉積定義 化學(xué)氣相沉積 簡(jiǎn)稱CVD 是一種化學(xué)氣相反應(yīng)生長(zhǎng)法 在不同的溫度場(chǎng) 不同的真空度下 將幾種含有構(gòu)成涂層材料元素的化合物或單質(zhì)反應(yīng)源氣體 通入放有被處理工件的反應(yīng)室中 在工件和氣相界面進(jìn)行分解 解吸 化合等反應(yīng) 生成新的固態(tài)物質(zhì)沉積在工件表面 形成均勻一致的涂層 2 2化學(xué)氣相沉積物理化學(xué)基礎(chǔ) 2 2 1 CVD反應(yīng)方式2 2 2 CVD反應(yīng)條件2 2 3 CVD反應(yīng)過程 2 2 1CVD反應(yīng)方式 1 氧化還原反應(yīng)2 歧化反應(yīng)3 合成或置換反應(yīng)4 金屬有機(jī)化合物反應(yīng) 2 2 2CVD反應(yīng)條件 1 必須達(dá)到足夠的沉積溫度 各種涂層材料的沉積溫度 可以通過熱力學(xué)計(jì)算而得到 2 在沉積溫度下 參加反應(yīng)的各種物質(zhì)必須有足夠的蒸氣壓 3 參加反應(yīng)的各種物質(zhì)必須是氣態(tài) 也可由液態(tài)蒸發(fā)或固態(tài)升華成氣態(tài) 而反應(yīng)的生成物除了所需的硬質(zhì)涂層材料為固態(tài)外 其余也必須為氣態(tài) 2 2 3CVD反應(yīng)過程 根據(jù)反應(yīng)氣體 排出氣體分析和光譜分析 其反應(yīng)過程一般認(rèn)為有如下幾步 第一步 反應(yīng)氣體 原料氣體 到達(dá)基體表面 第二步 反應(yīng)氣體分子被基體表面吸附 第三步 在基體表面上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) 形成晶核 第四步 固體生成物在基體表面解吸和擴(kuò)散 氣態(tài)生成物從基體表面脫離移開 第五步 連續(xù)供給反應(yīng)氣體 涂層材料不斷生長(zhǎng) 2 3化學(xué)氣相沉積反應(yīng)物質(zhì)源 1 氣態(tài)物質(zhì)源2 液態(tài)物質(zhì)源3 固態(tài)物質(zhì)源 2 4CVD涂層質(zhì)量影響因素 1 沉積溫度2 沉積室壓力3 反應(yīng)氣體分壓 配比 2 5化學(xué)氣相沉積裝置 負(fù)壓CVD裝置主要由以下幾部分組成 反應(yīng)氣體流量控制 金屬鹵化物蒸發(fā) 制取及輸送 加熱爐及溫度控制 沉積室及盛料舟 沉積室壓力控制 真空及廢氣處理 負(fù)壓CVD裝置主要性能簡(jiǎn)要說明 1 反應(yīng)氣體流量及輸送2 加熱方式及控制3 沉積室及結(jié)構(gòu)4 真空及廢氣處理 CVD工藝技術(shù)分類 高溫化學(xué)氣相沉積沉積溫度 900 簡(jiǎn)稱HT CVD 中溫化學(xué)氣相沉積沉積溫度700 900 簡(jiǎn)稱MT CVD 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積沉積溫度 600 簡(jiǎn)稱PECVD 常壓化學(xué)氣相沉積 APCVD 2 6高溫化學(xué)氣相沉積技術(shù) 2 6 1HT CVD硬質(zhì)涂層的分類2 6 2HT CVD的主要工藝參數(shù)2 6 3HT CVD對(duì)基體材料的要求2 6 4HT CVD技術(shù)一般工藝過程 2 6 1HT CVD硬質(zhì)涂層的分類 適合作硬質(zhì)涂層的金屬化合物種類很多 它們按化學(xué)鍵的特征 一般分為金屬鍵 共價(jià)鍵 離子鍵三個(gè)類型 2 6 2HT CVD的主要工藝參數(shù) 1 沉積溫度2 反應(yīng)室壓力3 各反應(yīng)氣體分壓 配比 4 涂層和基體界面 2 6 3HT CVD對(duì)基體材料的要求 高溫化學(xué)氣相沉積工藝技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金基體材料性能要求主要有以下幾方面 1 具有好的抗高溫脫碳能力2 具有高抗彎強(qiáng)度和韌性3 具有高的熱硬性和抗高溫塑性變形能力 2 6 4HT CVD技術(shù)一般工藝過程 1 工件沉積前處理2 裝爐3 檢漏4 加熱升溫5 沉積6 冷卻7 檢查 包裝 2 7中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù) 2 7 1MT CVD反應(yīng)機(jī)理2 7 2含C N有機(jī)化合物的選用2 7 3主要工藝參數(shù)的影響2 7 4MT CVD工藝過程及設(shè)備 2 7 1MT CVD反應(yīng)機(jī)理 所謂MT CVD技術(shù) 是以含C N原子團(tuán)的有機(jī)化合物 如 CH3CN 乙腈 CH3 3N 三甲基胺 CH3 NH 2CH3 甲基亞胺 HCN 氫氰酸 等為主要反應(yīng)原料氣體 和TiCl4 H2 N2等氣體在700 900 溫度下 產(chǎn)生分解 化合反應(yīng) 生成TiCN的一種新方法 2 7 2含C N有機(jī)化合物的選用 在MT CVD技術(shù)中 常用的幾種含C N有機(jī)化合物有 CH3CN 乙腈 CH3 3N 三甲基胺 CH3 NH 2CH3 甲基亞胺 HCN 氫氰酸 研究認(rèn)為 這幾種含C N有機(jī)化合物都能在550 以上與TiCl4 H2反應(yīng)生成TiCN 但其中CH3CN在生成TiCN反應(yīng)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物少 對(duì)涂層性能有利 再加上其使用性能好 毒性相對(duì)小等優(yōu)點(diǎn) 所以在MT CVD技術(shù)中一般均采用CH3CN作為反應(yīng)氣體 2 7 3主要工藝參數(shù)的影響 1 沉積溫度對(duì)沉積速率的影響2 TiCl4 H2摩爾比對(duì)沉積速率的影響3 沉積反應(yīng)壓力對(duì)沉積速率的影響4 影響涂層成分的主要因素5 基體和界面對(duì)涂層質(zhì)量的影響 2 7 4MT CVD工藝過程及設(shè)備 MT CVD技術(shù)所用設(shè)備系統(tǒng) 基本和HT CVD技術(shù)是一樣的 只是在設(shè)備系統(tǒng)中附加一套C N有機(jī)化合物的蒸發(fā) 輸送及流量 壓力控制系統(tǒng) 即可滿足MT CVD技術(shù)要求 中溫化學(xué)氣相沉積工藝過程除沉積工藝外 其他各工序都和HT CVD工藝過程一樣 MT CVD技術(shù)沉積工藝參數(shù) 沉積溫度 700 900 沉積反應(yīng)壓力 2000 20000Pa 主要反應(yīng)氣體摩爾比 CH3CN TiCl4 H2 0 01 0 02 1左右 沉積時(shí)間 1 4h 第三章等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù) 3 1PECVD的定義及分類3 2PECVD的工藝過程3 3PECVD的特點(diǎn)3 4射頻等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 5直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 6脈沖直流等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 7激光化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 8金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 9微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)3 10分子束外延技術(shù) 3 1PECVD的定義及分類 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù) 簡(jiǎn)稱PECVD 采用氣態(tài)物質(zhì)源 工件接負(fù)高壓電源 在等離子體電場(chǎng)中氣體通過激發(fā) 離解 電離 離解電離 離解附著等過程變成為高能量的氣體離子 分子離子 高能中性原子 自由基的高能粒子 在陰極 工件表面反應(yīng)沉積為金屬硬質(zhì)涂層化合物 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)種類很多 如直流PECVD 脈沖直流PECVD 金屬有機(jī)化合物PECVD 射頻PECVD 微波PECVD 弧光PECVD等 3 1PECVD的定義及分類 3 2PECVD的工藝過程 1 安裝工件 2 加熱工件 3 抽真空 4 轟擊凈化或離子滲氮 5 按需要通入反應(yīng)氣體沉積硬質(zhì)涂層 6 沉積工序結(jié)束后 停止通入反應(yīng)氣體移開加熱爐進(jìn)行冷卻 冷至100 以下 即可打開沉積室取出涂層制品 經(jīng)檢查合格后 包裝入庫 3 3PECVD的特點(diǎn) 1 與CVD技術(shù)相同 膜層元素來源于氣態(tài)物質(zhì) 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 2 與CVD技術(shù)相同 膜層的繞鍍性好 3 與CVD技術(shù)相同 膜層的成分可在很大程度上任意調(diào)控 容易獲得多層膜 4 與CVD技術(shù)相比 由于非平衡等離子體激活反應(yīng)粒子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱激活 它可使集體的沉積溫度顯著降低 5 涂層沉積前 可以對(duì)鋼基體進(jìn)行等離子滲氮 然后再進(jìn)行涂層 這樣滲氮和涂層在一爐同時(shí)完成 不僅簡(jiǎn)化了工藝 提高了生產(chǎn)效率 而且使涂層制品的性能有了更進(jìn)一步的提高 3 4射頻等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù) 以射頻 RF 輝光放電的方法產(chǎn)生等離子體的化學(xué)氣相沉積裝置 稱為射頻等離子體化學(xué)沉積 RF PCVD 一般射頻放電有電感耦合和電容耦合兩種 為提高沉積薄膜的性能 在設(shè)備上 對(duì)等離子體施加直流偏壓或外部磁場(chǎng) 射頻等離子體CVD可用于半導(dǎo)體器件工業(yè)化生產(chǎn)中SiN和Si02薄膜的沉積 直流偏壓式射頻等離子體CVD裝置 主要的工藝參數(shù) 1 射頻功率2 氣體流量3 工作氣壓4 溫度 3 5直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù) 上圖是直流等離子輔助化學(xué)氣相沉積裝置 DC PCVD 的示意圖 和上面談及的RF PCVD裝置相比 最大的不同是電源 由圖可知 DC PCVD主要包括爐體 反應(yīng)室 直流電源與電控系統(tǒng) 真空系統(tǒng) 氣源與供氣系統(tǒng) 凈化排氣系統(tǒng) 這個(gè)裝置 適宜把金屬鹵化物或含有金屬的有機(jī)化合物經(jīng)熱分解后電離成金屬離子和非金屬離子 從而為滲金屬提供金屬離子源 目前 DC PCVD技術(shù) 基本上可實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用生產(chǎn) 可以沉積超硬膜 如TiN TiC Ti C N 等超硬膜 3 6脈沖直流等離子體CVD技術(shù) 主要工藝參數(shù) 1 脈沖電壓2 脈沖頻率3 工作氣壓4 氣體配比5 溫度 3 7激光化學(xué)氣相沉積技術(shù) 激光化學(xué)氣相沉積是用激光誘導(dǎo)來促進(jìn)化學(xué)氣相沉積 它的沉積過程是激光光子與反應(yīng)主體或襯底材料表面分子相互作用的過程 依據(jù)激光的作用機(jī)制 可分為激光熱解沉積和激光光解沉積 激光化學(xué)氣相沉積裝置 主要由激光器 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng) 真空系統(tǒng)與送氣系統(tǒng)和沉積反應(yīng)室等部件組成 激光CVD工藝的特點(diǎn) 和一般的CVD工藝特點(diǎn)相比 激光CVD工藝也有其獨(dú)特的特點(diǎn) 如可局部加熱選區(qū)沉積 膜層成分靈活 可形成高純膜 多層膜 也可獲得快速非平衡結(jié)構(gòu)的膜層 沉積速率高 而且可低溫沉積 基體溫度200 還可方便地在工藝上實(shí)現(xiàn)表面改性的復(fù)合處理 激光CVD工藝的應(yīng)用 激光化學(xué)氣相沉積是近幾年來迅速發(fā)展的先進(jìn)表面沉積技術(shù) 其應(yīng)用前景廣闊 在太陽能電他 超大規(guī)模集成電路 特殊的功能膜及光學(xué)膜 硬膜及超硬膜等方面都會(huì)有重要的應(yīng)用 3 8金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù) 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù) MOCVD 是使用金屬有機(jī)化合物和氫化物 或其他反應(yīng)氣體 作原料氣體的一種熱解CVD法 金屬有機(jī)源MO也可在光解作用下沉積 它能在較低溫度下沉積各種無機(jī)物材料 諸如金屬氧化物 氫化物 碳化物 氟化物及化合物半導(dǎo)體材料和單晶外延膜 與傳統(tǒng)的CVD相比 MOCVD沉積溫度低 沉積能力強(qiáng) 主要缺點(diǎn)是沉積速度較慢 僅適合沉積微米級(jí)的表面膜層 而所用的原料MO源 往往又具毒性 這給防護(hù)和工藝操作帶來難度 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備一般由反應(yīng)室 反應(yīng)氣體供給系統(tǒng) 尾氣處理系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等四個(gè)部分組成 反應(yīng)室又分臥式和豎式 MOCVD的應(yīng)用 1 化合物半導(dǎo)體材料 MOCVD的發(fā)展和技術(shù)的提升 主要用于微電子領(lǐng)域 特別是半導(dǎo)體材料外延工藝的要求 2 涂層材料 這里所指的涂層材料主要是各種金屬 氧化物 氮化物 碳化物和硅化物等 3 在器件上的應(yīng)用 電子器件和光器件 4 細(xì)線和圖形的描繪 3 9微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù) 微波放電具有放電電壓范圍寬 無放電電極 能量轉(zhuǎn)換率高 可產(chǎn)生高密度的等離子體 在微波等離子體中 不僅含有高密度的電子和離子 還含有各種活性基團(tuán) 活性粒子 可以在工藝上實(shí)現(xiàn)氣相沉積 聚合和刻蝕等各種功能 是一種先進(jìn)的現(xiàn)代表面技術(shù) 微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置 1 微波等離子體CVD裝置2 電子回旋共振等離子體CVD裝置 ECRMicrowavePlasmaCVDReactor 應(yīng)用 微波等離子體CVD設(shè)備昂貴 工藝成本高 在設(shè)汁選用微波等離子體CVD沉積薄膜時(shí) 重點(diǎn)應(yīng)考慮利用它具有沉積溫度低和沉積的膜層質(zhì)優(yōu)的突出優(yōu)點(diǎn) 因此 它主要應(yīng)用于低溫高速沉積各種優(yōu)質(zhì)薄膜和半導(dǎo)體器件的刻蝕工藝 目前 應(yīng)用在制備優(yōu)質(zhì)的光學(xué)用金剛石薄膜較多 美國已經(jīng)研制成半球形的金剛石導(dǎo)彈整流罩 并已實(shí)現(xiàn)了實(shí)用 3 10分子束外延技術(shù) MBE 分子束外延技術(shù)是在超高真空條件下一種或多種組元加熱的原子束或分子束以一定的速度射人被加熱的基片上面進(jìn)行的外延生長(zhǎng) 分子束外延把生長(zhǎng)的薄膜材料的厚度從微米量級(jí)推進(jìn)到亞微米量級(jí) MBE的特點(diǎn) 1 超高真空下進(jìn)行的干式工藝 提供了極為清潔的生長(zhǎng)環(huán)境 2 生長(zhǎng)溫度低 可清除體擴(kuò)散對(duì)組分和摻雜濃度分布的干擾 3 膜的生長(zhǎng)速率高度可控 4 可在大面積廠得到均勻性 重復(fù)性 可控制好的外延生長(zhǎng)膜 5 MBE是在非平衡態(tài)下生長(zhǎng) 因此可以生長(zhǎng)不受熱力學(xué)機(jī)制控制的外延技術(shù) 如液相外延等技術(shù) 無法生長(zhǎng)的又處于互不相溶的多元素材料 6 MBE配置了多種在線原位分析儀器 可進(jìn)行原位觀察 MBE裝置的分類 1 固態(tài)源分子束外延 SSMBE 2 氣態(tài)源分子束外延 GSMBE 3 化學(xué)束外延 CBE 4 金屬有機(jī)物分子束外延5 等離子體分子束外延 P MBE 分子束外延工藝 1 化學(xué)清洗處理2 熱處理脫附3 外延生長(zhǎng)4 摻雜 第四章氣相沉積設(shè)備 化學(xué)氣相沉積工藝 是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程 它需要對(duì)沉積溫度和各反應(yīng)氣體蒸發(fā) 生成溫度 系統(tǒng)壓力和各反應(yīng)氣體分壓 各種反應(yīng)氣體流量 沉積時(shí)間等多項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制 只有這樣才能保證涂層制品的質(zhì)量 所以生產(chǎn)用CVD涂層設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造是非常重的 CVD涂層設(shè)備系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) 1 涂層材料種類2 涂層工藝種類3 沉積室有效恒溫區(qū)尺寸4 加熱爐5 沉積室反應(yīng)氣體壓力6 操作方式 CVD涂層設(shè)備系統(tǒng)各部分功能及設(shè)計(jì)要求 1 原料氣體配送及再凈化系統(tǒng)2 金屬鹵化物及含C N有機(jī)化合物蒸發(fā) 制取及輸送系統(tǒng)3 加熱爐及溫控系統(tǒng)4 沉積室 底座及冷卻罩系統(tǒng)5 加熱爐和沉積室升 降 移位系統(tǒng)6 反應(yīng)氣體流量和沉積室壓力控制系統(tǒng)7 真空及廢氣處理系統(tǒng)8 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制程序流程圖 第五章預(yù)處理主要輔助設(shè)備 5 1清洗5 2刃口強(qiáng)化5 3噴砂 5 1清洗 物件在涂層前 表面清洗質(zhì)量好壞十分重要 它直接影響到涂層質(zhì)量和涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度 影響到涂層制品的使用性能 所以涂層前必須對(duì)處理物件嚴(yán)格的清洗 達(dá)到工藝規(guī)定的要求 在大批量生產(chǎn)中 一般均采用多工位 機(jī)械化或自動(dòng)控制的成套超聲波清洗設(shè)備 具體清洗工藝按物件種類和表面情況 不同沉積工藝技術(shù)要求而有所不同 對(duì)在機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用的硬質(zhì)涂層制品 如工具 模具及耐磨損 耐腐蝕零件等 涂層前清洗工藝是 1 物件裝夾 2 脫脂 3 清水清洗 4 堿溶液噴淋清洗 5 最后清洗 6 用熱風(fēng)吹8 10min 要保證所有物件完全干燥 7 清洗干凈的物件 放入干凈 密封的柜子里備用 防止二次污染 5 2刃口強(qiáng)化 5 2 1刃口強(qiáng)化的作用1 使硬質(zhì)合金刀具刃口由鋒利的尖角 變成適當(dāng)?shù)膱A弧 以提高刃口強(qiáng)度 改善刀具抗崩刃性能 2 降低刀具 特別是刃口 的表面粗糙程度 增加涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度 3 去掉刀具刃口的微小缺欠 改善刃口質(zhì)量 4 改善刀具表面應(yīng)力狀況 有利提高涂層質(zhì)量 5 2 2刃口強(qiáng)化工藝及設(shè)備 1 毛刷磨料研磨法工藝及設(shè)備2 振動(dòng)磨料研磨工藝及設(shè)備 5 3噴砂 對(duì)一些表面臟污嚴(yán)重或氧化嚴(yán)重的物件 在清洗前要噴細(xì)砂處理 去除贓物及氧化層 而對(duì)一些有特殊要求的涂層制品 在涂層后也要求進(jìn)行噴砂處理 改善涂層制品的應(yīng)力狀態(tài) 提高其抗破損的性能 涂層硬質(zhì)合金制品噴砂處理 可以采用一般的噴砂機(jī)或采用噴丸設(shè)備 所用石英砂粒度及粒度分布 玻璃丸的力度 氣體壓力 噴嘴到工件的距離和角度 都是影響噴砂效果的重要因素 第六章膜層質(zhì)量測(cè)試 6 1膜層宏觀性能檢測(cè)6 2膜層內(nèi)在質(zhì)量測(cè)試 6 1膜層宏觀性能檢測(cè) 1 膜層硬度測(cè)量涂層的硬度采用顯微鏡硬度計(jì)量 顯微硬度有兩種測(cè)試表示方法 1 維氏硬度2 奴氏硬度 2 膜層厚度測(cè)量 1 在線膜厚監(jiān)控法常用的有石英振蕩法和極值法 2 無損檢測(cè)法 3 破壞法常用的有金相顯微鏡法 輪廓儀法 多光束干涉儀法 球痕法和球面法等 3 膜層附著力測(cè)試 常用的方法有 膠帶剝離法劃線劃格后急熱急冷熱循環(huán)試驗(yàn)法劃痕法 4 膜層內(nèi)應(yīng)力測(cè)試 1 X射線和電子衍射法2 薄片變形法3 光干涉法 6 2膜層內(nèi)在質(zhì)量測(cè)試 薄膜的性能取決于其內(nèi)在質(zhì)量 薄膜的內(nèi)在質(zhì)量包括 1 成分2 晶體結(jié)構(gòu)3 組織形貌 1 顯微組織形貌分析 1 金相顯微鏡2 掃描電子顯微鏡 SEM 3 透射電子顯微鏡4 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡 2 膜層的晶體結(jié)構(gòu)分析 1 X射線衍射儀2 電子衍射3 拉曼譜儀 3 膜層成分分析 1 電子探針顯微分析2 俄歇電子能譜分析3 X射線光電子能譜4 離子探針顯微分析 第七章氣相沉積技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 7 1在硬質(zhì)涂層中的應(yīng)用7 2在防護(hù)涂層中的應(yīng)用7 3在光學(xué)薄膜中的應(yīng)用7 4在建筑鍍膜玻璃中的應(yīng)用7 5在太陽能利用領(lǐng)域中的應(yīng)用7 6在集成電路中的應(yīng)用7 7在信息顯示器件中的應(yīng)用7 8在信心存儲(chǔ)中的應(yīng)用7 9在裝飾飾品中的應(yīng)用 7 1在硬質(zhì)涂層中的應(yīng)用 硬質(zhì)涂層在機(jī)械工業(yè)中 主要適用于切削工具 模具和耐磨損耐腐蝕零件的表面強(qiáng)化 硬質(zhì)涂層能夠顯著提高工具 模具的使用壽命和被加工零件的質(zhì)量 進(jìn)入21世紀(jì)后 機(jī)械工業(yè)發(fā)展對(duì)涂層工具 模具工具性能的要求是 三高一專 高效率 高精度 高可靠