真空鍍膜技術培訓PVD物理氣相沉積課件

真空鍍膜（一）：主講人：巴德純PVD物理氣相沉積真空鍍膜（一）：主講人：巴德純PVD物理氣相沉積主要內容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主要內容1.真空鍍膜概論1.真空鍍膜概論1.真空鍍膜概論1.1真空鍍膜技術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。1.1真空鍍膜技術真空鍍膜1.2真空鍍膜特點在真空條件下鍍膜，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。薄膜與基體附著強度好，膜層牢固。對環(huán)境無污染。1.2真空鍍膜特點在真空條件下鍍膜，膜不易受污染，可獲得純1.3真空鍍膜技術分類物理氣相沉積（PVD）如：熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、離子鍍和分子束外延化學氣相沉積（CVD）如：熱化學氣相沉積、光化學氣相沉積、等離子體化學氣相沉積物理-化學氣相沉積（PCVD）1.3真空鍍膜技術分類物理氣相沉積（PVD）真空表面處理技術的分類真空表面處理技術的分類各種干式鍍膜技術的比較各種干式鍍膜技術的比較1.4真空鍍膜的應用

薄膜的應用非常廣泛，它可以應用于電子、機械、光學、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用于日常生活各方面。1.4真空鍍膜的應用薄膜的應用非常廣泛，它可以應用于薄膜的應用薄膜的應用2.真空蒸發(fā)鍍膜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，以直線方式達到基片表面，通過物理吸附和化學吸附凝結在基片表面，形成薄膜。這就是真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理。2.1真空蒸發(fā)鍍膜原理將膜材置于真空中，通過蒸發(fā)源對其加熱真空蒸發(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.蒸汽流真空蒸發(fā)鍍膜原理圖1.基本加熱電源蒸發(fā)鍍膜成膜條件真空條件蒸發(fā)條件清洗條件

蒸發(fā)鍍膜成膜條件真空條件真空條件蒸鍍室內真空度應高于10-2Pa

室內殘余氣體的分子到達基片表面上的幾率<膜材的蒸發(fā)速率真空條件蒸發(fā)條件蒸發(fā)速率應足夠大以達到工藝要求的沉積速率（kg/m2s）某些金屬蒸氣壓與溫度的關系曲線蒸發(fā)條件某些金屬蒸氣壓與溫度的關系曲線清洗條件基片應進行鍍前處理（粗糙度小，表面上無污染物，無氧化化層等）清洗條件2.2蒸發(fā)源電阻加熱式電子束加熱式感應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：2.2蒸發(fā)源電阻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)源電阻加熱式蒸發(fā)源

——鋁蒸發(fā)用坩堝加熱器電阻加熱式蒸發(fā)源電子束加熱式蒸發(fā)源電子束加熱式蒸發(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1.發(fā)射體組件2.陽極3.電磁線圈電子束加熱式蒸發(fā)源

——e型槍電子束偏轉角電子束加熱式蒸發(fā)源感應加熱式蒸發(fā)源感應加熱式蒸發(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9.基片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系氬氣流量與主束電壓的關系空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源主束電源與引束電源的匹配輔激光加熱式蒸發(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.激光器激光加熱式蒸發(fā)源1.玻璃衰減器2.透鏡3.光圈4蒸發(fā)源按形狀分類：點蒸發(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)源蒸發(fā)源按形狀分類：點蒸發(fā)源點蒸發(fā)源

及點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源的發(fā)射點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源

及點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源的發(fā)射點小平面蒸發(fā)源

及小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平面蒸發(fā)源的發(fā)射小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平面蒸發(fā)源

及小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平環(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)形線蒸發(fā)源平面基片的環(huán)形線環(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)形平面蒸發(fā)源平行于基片的環(huán)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)形柱面蒸發(fā)環(huán)形蒸發(fā)源

——環(huán)形錐面蒸發(fā)源環(huán)形蒸發(fā)源

——環(huán)形錐面蒸發(fā)源基片與蒸發(fā)源的相對位置點蒸發(fā)源的等膜厚球面1.基片2.球面工件架3.點蒸發(fā)源小平面源的等膜厚面1.基片2.球面工件架3.小平面源基片與蒸發(fā)源的相對位置點蒸發(fā)源的等膜厚球面小平面源的等膜厚面圓形平面源的膜厚分布圓形平面源的膜厚分布間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機

立式真空蒸發(fā)鍍膜機臥式真空蒸發(fā)鍍膜機半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機2.3真空蒸發(fā)鍍膜機間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機2.3真空蒸發(fā)鍍膜機立式真空蒸發(fā)鍍膜機鍍膜室1.室體2.球面行星轉動基片架3.膜厚測量晶體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)鍍膜機立式真空蒸發(fā)鍍膜機鍍膜室間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機單室半連續(xù)真空鍍膜機鍍膜室1.照明燈2.放卷輥3.基帶4.導向輥5.張緊輥

6.水冷輥7.擋板8.坩堝9.送絲機構10.室體

11.觀察窗12.抽氣口半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機單室半連續(xù)真空鍍膜機鍍膜室1.照明燈2.放卷輥3.送絲機構的結構1.坩堝2.導管3.膜材絲4.主動輥輪5.壓輪6.導向輥7.支架8.繞絲輪半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機送絲機構的結構半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機1.室體2.收卷輥3.照明燈4.導向輥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)鍍膜機雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機1.室體2.收卷輥3.照明燈4.導蒸發(fā)源的位置1.基體2.蒸發(fā)源半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機蒸發(fā)源的位置半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機開啟機構示意圖1.真空室體2.卷繞機構3.密封大板4.動力柜5.行程開關6.小車半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機開啟機構示意圖半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機2.4特殊蒸發(fā)技術閃蒸蒸鍍法

多蒸發(fā)源蒸鍍法

反應蒸鍍法

三溫度蒸鍍法

2.4特殊蒸發(fā)技術閃蒸蒸鍍法蒸發(fā)鍍膜工藝中應考慮的問題膜厚的均勻性問題點源、小平面源、蒸距等對薄膜的影響基片架的運動方式工藝參數(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力提高膜的附著強度（附著力）的問題熱應力、淀積內應力、附加內應力應盡量小基片鍍前處理與成膜時對基片加熱（烘烤、離子轟擊等）沉積速率的選擇與控制鍍前對基片打底膜蒸發(fā)鍍膜工藝中應考慮的問題膜厚的均勻性問題3.真空濺射鍍膜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。3.1濺射鍍膜濺射：離子轟擊固體表面時發(fā)生的物理過程離子轟擊固體表面時發(fā)生的物理過程與濺射率有關的因素濺射率與靶材有關濺射率與入射正離子的能量有關濺射率與入射離子的種類有關濺射率與離子入射角有關濺射率與靶材溫度有關與濺射率有關的因素濺射率與靶材有關濺射率與離子能量的關系濺射率與離子能量的關系銀、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)關系濺射率與離子入射角的典型曲線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系幾種靶材的濺射率與溫度的關系鎳的濺射率與總壓力的關系曲線鎳的濺射率與總壓力的關系曲線濺射鍍膜特點膜厚可控性和重復性好。由于濺射鍍膜時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行能量轉換，增強了濺射原子與基體的附著力。部分高能粒子產生注入現(xiàn)象，形成偽擴散層。等離子區(qū)清洗和激活，凈化且活化基體表面制膜范圍廣。任何物質均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高濺射鍍膜特點膜厚可控性和重復性好。由于濺射鍍膜時的放電電流和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。3.2直流濺射鍍膜3.2.1直流二極濺射裝置依據(jù)直流輝光放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二極濺射裝置原理圖1.真空室3.2.1直流二極濺射裝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直流偏壓濺射裝置直流偏壓濺射示意圖1.濺射室3.2.2直流偏壓濺射裝置1-機械泵2-閥3-可調漏泄閥4-低真空計5-高真空計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）四極濺射裝置結構示意圖（b）四極濺射裝置的電氣部分3.2.3三極或四極濺射裝置1-機械泵2-閥3-可調漏泄閥4-低真空計5-高真空計1-熱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，利用磁場的洛侖茲力束縛陰極靶表面電子的運動，導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”沉積高質量薄膜。3.3直流磁控濺射鍍膜直流磁控濺射鍍膜是在直磁控濺射原理圖磁控濺射原理圖直流磁控濺射鍍膜特點低溫：電子被正交電磁場約束減少了向基片的磁接，降低了基片同電子轟擊所產生的熱量，使基片溫度降，故磁控濺射又稱為高速低溫濺射。高速：電子在正交電磁場下增大了運動路程，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。直流磁控濺射鍍膜特點低溫：電子被正交電磁場約束減少了向基片的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、旋轉式圓柱形靶及特殊結構靶等。各自結構如下圖所示。3.3.2磁控濺射靶磁控濺射靶的分類有：同軸圓柱形靶、圓形各種磁控濺射靶的結構各種磁控濺射靶的結構磁控濺射靶電流-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；磁場影響放電特性。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)，一般以單位時間沉積的平功率效率影響功率效率的因素離子能量氣壓磁場強度功率效率影響功率效率的因素各種參數(shù)下的功率效率各種參數(shù)下的功率效率間歇式磁控濺射鍍膜機半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機連續(xù)式磁控濺射鍍膜機3.3.3磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機主要由鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、以及輔助設備等組成。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：間歇式磁控濺射鍍膜機3.3.3磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機主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.主動轉軸14.密封圈間歇式多靶磁控濺射鍍膜機間歇式磁控濺射鍍膜機1.底法蘭2.基片架3.矩形平面靶4.矩形擋板1.進料室2.基片盒3.閘閥4.加熱器5.預熱室6.臺板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1.進料室2.基片盒3.閘閥4.加熱器5.預連續(xù)式磁控濺射鍍膜機典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產線連續(xù)式磁控濺射鍍膜機典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產線連續(xù)式磁控濺射鍍膜機鍍膜室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.輸送輥道連續(xù)式磁控濺射鍍膜機鍍膜室1.密封圈2.濺射室上蓋33.4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.匹配網絡6.電源7.射頻發(fā)生器3.4射頻濺射鍍膜射頻濺射鍍膜原理圖3.4.1射頻濺射鍍膜工作原理

射頻頻率通常為13.56MHz。當絕緣基板背面的導體處于負電位時，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體基板上的負電位，因此停止高能正離子對絕緣基板的轟擊。此時，如果倒轉電源極性，電子就會轟擊絕緣基板，并在10-9秒時間內中和絕緣基板上的正電荷，使其電位復零。這時，再倒轉極性，又能產生10-7秒時間的濺射。如此反復，即為射頻濺射鍍膜工作原理。3.4.1射頻濺射鍍膜工作原理射頻頻率通常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3.4.2射頻濺射鍍膜裝置射頻二極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4-可調漏泄閥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12-匹配箱13-功率表14-靶電源15-真空計16-等離子17-主閥18-液氮阱19-蓋斯勒管20-機械泵21-擴散泵22-予抽閥23-基體架24-基體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-聚束磁場強弱造成放電區(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.磁場線圈5.等離子體6.基體聚束磁場強弱造成放電區(qū)域變化示意圖射頻磁控濺射裝置

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。射頻磁控濺射裝置濺射靶為磁控濺射靶的射頻濺射射頻濺射靶的結構（a）常規(guī)射頻濺射（b）射頻磁控濺射1.進水管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.基體架射頻濺射靶的結構（a）常規(guī)射頻濺射（b）射頻磁控濺射3.5反應濺射鍍膜

在濺射鍍膜時，有目的地將某種反應性氣體引入到濺射室并達到一定的分壓，可以改變或控制沉積特性，從而獲得不同于靶材的新物質薄膜，如各種金屬氧化物、氮化物、碳化物以及絕緣介質等薄膜。這種伴隨有化學反應的濺射鍍膜方法稱為反應濺射鍍膜。3.5反應濺射鍍膜在濺射鍍膜時，有目的地將某3.5.1反應濺射的機理及特性膜層性質與反應性氣體和惰性氣體的比例有關濺射過程中電阻率及電阻溫度系數(shù)與氮分壓的關系曲線3.5.1反應濺射的機理及特性膜層性質與反應性氣體和惰性氣3.5.2反應濺射鍍膜裝置間歇式反應濺射裝置半連續(xù)式反應濺射裝置3.5.2反應濺射鍍膜裝置間歇式反應濺射裝置間歇式反應濺射裝置濺射室結構1.室體2.磁控濺射靶3.基片架間歇式反應濺射裝置濺射室結構半連續(xù)式反應濺射裝置ITO連續(xù)性濺射設備1.基片裝卸臺2.升降機3、5、7、12、14.閘閥4.進片室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)半連續(xù)式反應濺射裝置ITO連續(xù)性濺射設備3.6各磁控濺射靶的磁場3.6.1矩形平面磁控濺射靶的磁場3.6各磁控濺射靶的磁場3.6.1矩形平面磁控濺射靶的磁3.6.2圓形平面磁控濺射靶的磁場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3.6.2圓形平面磁控濺射靶的磁場圓形平面磁控濺射靶的磁路3.6.3同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場3.6.3同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場3.6.4旋轉式圓柱形磁控濺射靶的磁場中部橫截面的磁場端部永磁體結構及磁場3.6.4旋轉式圓柱形磁控濺射靶的磁場中部橫截面的磁場端部3.6.5S-槍濺射靶的磁場3.6.5S-槍濺射靶的磁場4.真空離子鍍膜和

離子束沉積技術4.真空離子鍍膜和

離子束沉積技術4.1真空離子鍍膜

真空離子鍍膜技術（簡稱離子鍍）是在真空蒸發(fā)和真空濺射兩種鍍膜技術基礎上發(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。4.1真空離子鍍膜真空離子鍍膜技術（簡稱離子離子鍍的類型蒸發(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)產生金屬蒸氣，將其引入以各種方式激勵產生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子，它們到達施加負偏壓的基片上沉積成膜。濺射離子鍍：通過采用高能離子對膜材表面進行濺射而產生金屬粒子，金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子，它們到達施加負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)源或濺射源，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：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4.1.1離子鍍原理和成膜條件離子鍍膜原理圖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4.1.1離子鍍原理和成膜條件離子鍍膜原理圖1-絕緣引線離子鍍原理真空室抽至10－3～10－4Pa，隨后通入工作氣體（Ar），使其真空度達到1～10－1Pa，接通高壓電源，在蒸發(fā)源（陽極）和基片（陰極）之間建立起一個低壓氣體放電的低溫等離子區(qū)。在負輝區(qū)附近產生的工作氣體離子進入陰極暗區(qū)被電場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高壓電場加速，以較高的能量轟擊基片和鍍層的表面，并沉積成膜。離子鍍原理真空室抽至10－3～10－4Pa，隨后通入工作氣體離子鍍的成膜條件一般認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＞ni

n：單位時間入射到單位基片表面上的金屬原子數(shù)ni：單位時間轟擊基體表面的離子數(shù)即當沉積作用大于反濺（剝離）作用時才能制備成膜。離子鍍的成膜條件一般認為入射離子都具有反濺、剝離能力。在離4.1.2等離子體在離子鍍膜中的作用在被蒸發(fā)的膜材粒子與反應氣體分子之間產生激活反應，增強了化合物膜的形成改變薄膜生長動力學，使其組織結構發(fā)生變化，導致薄膜的物理性能的變化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4.1.3離子鍍膜工藝參數(shù)氣體壓力基片偏壓對膜層密度的影響基片偏壓對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

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活性反應離子鍍裝置空心陰極放電離子鍍裝置4.1.4離子鍍膜裝置直流二極型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)直流二極型離子鍍裝置1.基片架（陰極）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)

三極型或多極型離子鍍裝置三極型離子鍍裝置1.陽極1.陽極2.蒸發(fā)源3.基體4.熱電子發(fā)射陰極5.可調電阻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.進氣口多陰極離子鍍裝置1.陽極2.蒸發(fā)源3.基體4.熱電子發(fā)射陰極多陰極ARE活性反應離子鍍裝置1.真空室2.膜材蒸發(fā)粒子流3.散射環(huán)4.探測極5.烘烤裝置6.基片8.坩堝ARE活性反應離子鍍裝置1.真空室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9.基片空心陰極放電離子鍍裝置1.冷卻水套2.空心陰極3.輔4.2真空電弧離子鍍膜

利用真空條件下的弧光放電進行基片表面涂層的技術稱為真空電弧離子鍍膜技術，簡稱電弧鍍。真空電弧鍍具有電壓低、成膜快的特點，在制備硬質膜和裝飾膜領域有廣泛應用。4.2真空電弧離子鍍膜利用真空條件下的弧光放4.2.1弧光放電及真空電弧鍍機理弧光放電當陰極受到大量高速正離子轟擊而被加熱到高溫時，因陰極產生顯著的熱電子發(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。4.2.1弧光放電及真空電弧鍍機理弧光放電當陰極受到大量高真空陰極電弧放電過程機理真空陰極電弧放電過程機理探針的特性曲線探針的特性曲線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4.2.2真空電弧鍍蒸發(fā)源圓形平面電弧鍍蒸發(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電弧鍍蒸發(fā)源電弧源電流受力圖圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源圓形平面可控電弧鍍蒸發(fā)源4.3離子束輔助沉積技術

離子束輔助沉積技術是把離子束注入與氣相沉積鍍膜技術相結合的離子表面復合處理技術。即在鍍膜的同時，使具有一定能量的離子不斷地入射到膜與基材的界面，借助于級聯(lián)碰撞導致界面原子混合，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)生長出所要求厚度和特性的薄膜。4.3離子束輔助沉積技術離子束輔助沉積技術是離子束輔助沉積機理利用轟擊離子在膜層中發(fā)生的級聯(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荷能離子的轟擊，使沉積膜材原子與基片原子之間相互擴散，形成一層相互混雜的混合層，提高了膜層對基片的附著力離子束的轟擊能提供了膜層原子間發(fā)生化學反應的激活能，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機理利用轟擊離子在膜層中發(fā)生的級聯(lián)碰撞，增加了離子束輔助沉積技術分類蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術濺射鍍的離子束輔助沉積技術低壓反應離子鍍的離子束輔助沉積技術離子束輔助沉積技術分類蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術1.離子束源2.蒸發(fā)源3.室體4.旋轉基片架5.加熱裝置蒸發(fā)鍍的離子束輔助沉積技術1.離子束源濺射鍍的離子束輔助沉積技術1.濺射離子束源2.輔助離子束源3.濺射靶4.旋轉基片架5.烘烤裝置6.室體濺射鍍的離子束輔助沉積技術1.濺射離子束源2.輔助離子束低壓反應離子鍍的離子束輔助沉積技術1.基片2.離子束源3.e型槍蒸發(fā)源4.室體低壓反應離子鍍的離子束輔助沉積技術1.基片2.離子束源4.4離子束沉積技術離子束沉積技術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稱為離子束沉積技術。4.4離子束沉積技術離子束沉積技術4.4.1離子束沉積技術機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，可以產生沉積、濺射或離子注入效應。離子束沉積技術要求入射離子的能量必須低于某一臨界值EC，否則，由于濺射作用導致膜層不會生長。臨界能量EC可定義為入射離子的濺射率為1時的能量。4.4.1離子束沉積技術機理離子束照射到基片或沉積膜層表面Si基片上進行Ge+離子束沉積時Ge的沉積量與入射離子能量的關系Si基片上進行Ge+離子束沉積時Ge的沉積量與入射離子能量的4.4.2離子束沉積技術的分類非質量分離式離子束沉積技術質量分離式離子束沉積技術團簇離子束沉積技術氣固兩用離子束沉積技術4.4.2離子束沉積技術的分類非質量分離式離子束沉積技術質量分離式離子束沉積技術1.質量分離用偏轉磁鐵2.偏轉板3.沉積室4.硅基片5.離子電流6.四極慮質器7.絕緣子8.離子加速電源9.引出電源10.離子源質量分離式離子束沉積技術1.質量分離用偏轉磁鐵2.偏轉團簇離子束沉積技術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.團簇離子及中性粒子團束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.冷卻水入口團簇離子束沉積技術1.膜材2.噴射口3.冷卻水氣固兩用離子束沉積技術1.坩堝2.陽極筒3.磁場線圈4.放電室體5.燈絲陰極6.柵極7.加速極氣固兩用離子束沉積技術1.坩堝4.5分子束外延技術分子束外延技術在超高真空系統(tǒng)中，將需要結晶的材料放入噴射爐（或稱噴射源）內加熱使其形成分子束，從爐中噴出后沉積在單晶基片上?；瑴囟确€(wěn)定為幾百度，沉積材料在基片上以單晶結構外延生長，從而可獲得單晶薄膜。4.5分子束外延技術分子束外延技術在超高真空系統(tǒng)中，將需要分子束外延技術的特點超高真空條件下進行的分子束外延，無污染，純度高生長速度緩慢（1～10μm/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膜可原位觀察薄膜生長過程，研究生長機制基片溫度低（Si生長溫度只需200℃）膜層的組分和雜質可控制缺點是生長時間長，真空度要求太高不易實現(xiàn)大批量工業(yè)性生產分子束外延技術的特點超高真空條件下進行的分子束外延，無污染，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膜厚影響分子束外延的因素外延溫度分子束外延裝置1.蒸發(fā)室2.俄歇電子譜儀3.探測器4.基片架與加熱器5.四極質譜儀6.電子計算機7.電子槍8.離子濺射槍9.快門10.噴射爐電子計算機控制的分子束外延裝置示意圖分子束外延裝置1.蒸發(fā)室電子計算機控制的分子束4.6微波電子回旋共振等離子體增強濺射沉積工作原理頻率為2.45GHz的微波經過矩形波導管、同軸線和天線耦合進入等離子體放電室，在磁場強度0.0875T時，電子回旋運動與微波場產生共振，電子吸收微波能量，氣體電離，產生高密度ECR等離子體。等離子體在發(fā)散磁場作用下，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。4.6微波電子回旋共振等離子體增強濺射沉積工作原理頻率為2微波ECR等離子體增強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.磁場線圈5.等離子體因出口6.工作室7.基片臺8.磁控濺射靶9.旋轉機構p.接真空系統(tǒng)微波ECR等離子體增強濺射沉積裝置示意圖1.微波天線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沉積溫度相當入射離子與已沉積的金屬原子碰撞，增加已沉積原子的動能，增大被俘獲的幾率，加速薄膜沉積附著強度高。在負偏壓作用下，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，提高附著強度可制備嚴格化學計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立的磁控放電特性微波等離子體濺射沉積特性沉積溫度低。AIN、TiN膜沉積溫度課程結束謝謝大家！END課程結束謝謝大家！END真空鍍膜（一）：主講人：巴德純PVD物理氣相沉積真空鍍膜（一）：主講人：巴德純PVD物理氣相沉積主要內容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主要內容1.真空鍍膜概論1.真空鍍膜概論1.真空鍍膜概論1.1真空鍍膜技術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。1.1真空鍍膜技術真空鍍膜1.2真空鍍膜特點在真空條件下鍍膜，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。薄膜與基體附著強度好，膜層牢固。對環(huán)境無污染。1.2真空鍍膜特點在真空條件下鍍膜，膜不易受污染，可獲得純1.3真空鍍膜技術分類物理氣相沉積（PVD）如：熱蒸發(fā)沉積、濺射沉積、離子鍍和分子束外延化學氣相沉積（CVD）如：熱化學氣相沉積、光化學氣相沉積、等離子體化學氣相沉積物理-化學氣相沉積（PCVD）1.3真空鍍膜技術分類物理氣相沉積（PVD）真空表面處理技術的分類真空表面處理技術的分類各種干式鍍膜技術的比較各種干式鍍膜技術的比較1.4真空鍍膜的應用

薄膜的應用非常廣泛，它可以應用于電子、機械、光學、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用于日常生活各方面。1.4真空鍍膜的應用薄膜的應用非常廣泛，它可以應用于薄膜的應用薄膜的應用2.真空蒸發(fā)鍍膜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，以直線方式達到基片表面，通過物理吸附和化學吸附凝結在基片表面，形成薄膜。這就是真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理。2.1真空蒸發(fā)鍍膜原理將膜材置于真空中，通過蒸發(fā)源對其加熱真空蒸發(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.蒸汽流真空蒸發(fā)鍍膜原理圖1.基本加熱電源蒸發(fā)鍍膜成膜條件真空條件蒸發(fā)條件清洗條件

蒸發(fā)鍍膜成膜條件真空條件真空條件蒸鍍室內真空度應高于10-2Pa

室內殘余氣體的分子到達基片表面上的幾率<膜材的蒸發(fā)速率真空條件蒸發(fā)條件蒸發(fā)速率應足夠大以達到工藝要求的沉積速率（kg/m2s）某些金屬蒸氣壓與溫度的關系曲線蒸發(fā)條件某些金屬蒸氣壓與溫度的關系曲線清洗條件基片應進行鍍前處理（粗糙度小，表面上無污染物，無氧化化層等）清洗條件2.2蒸發(fā)源電阻加熱式電子束加熱式感應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：2.2蒸發(fā)源電阻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)源電阻加熱式蒸發(fā)源

——鋁蒸發(fā)用坩堝加熱器電阻加熱式蒸發(fā)源電子束加熱式蒸發(fā)源電子束加熱式蒸發(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1.發(fā)射體組件2.陽極3.電磁線圈電子束加熱式蒸發(fā)源

——e型槍電子束偏轉角電子束加熱式蒸發(fā)源感應加熱式蒸發(fā)源感應加熱式蒸發(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9.基片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系氬氣流量與主束電壓的關系空心陰極等離子體電阻式加熱式蒸發(fā)源主束電源與引束電源的匹配輔激光加熱式蒸發(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.激光器激光加熱式蒸發(fā)源1.玻璃衰減器2.透鏡3.光圈4蒸發(fā)源按形狀分類：點蒸發(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)源蒸發(fā)源按形狀分類：點蒸發(fā)源點蒸發(fā)源

及點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源的發(fā)射點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源

及點源對平面的蒸發(fā)點蒸發(fā)源的發(fā)射點小平面蒸發(fā)源

及小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平面蒸發(fā)源的發(fā)射小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平面蒸發(fā)源

及小平面源對平行平面的蒸發(fā)小平環(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)形線蒸發(fā)源平面基片的環(huán)形線環(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)形平面蒸發(fā)源平行于基片的環(huán)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)形柱面蒸發(fā)環(huán)形蒸發(fā)源

——環(huán)形錐面蒸發(fā)源環(huán)形蒸發(fā)源

——環(huán)形錐面蒸發(fā)源基片與蒸發(fā)源的相對位置點蒸發(fā)源的等膜厚球面1.基片2.球面工件架3.點蒸發(fā)源小平面源的等膜厚面1.基片2.球面工件架3.小平面源基片與蒸發(fā)源的相對位置點蒸發(fā)源的等膜厚球面小平面源的等膜厚面圓形平面源的膜厚分布圓形平面源的膜厚分布間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機

立式真空蒸發(fā)鍍膜機臥式真空蒸發(fā)鍍膜機半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機2.3真空蒸發(fā)鍍膜機間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機2.3真空蒸發(fā)鍍膜機立式真空蒸發(fā)鍍膜機鍍膜室1.室體2.球面行星轉動基片架3.膜厚測量晶體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)鍍膜機立式真空蒸發(fā)鍍膜機鍍膜室間歇式真空蒸發(fā)鍍膜機單室半連續(xù)真空鍍膜機鍍膜室1.照明燈2.放卷輥3.基帶4.導向輥5.張緊輥

6.水冷輥7.擋板8.坩堝9.送絲機構10.室體

11.觀察窗12.抽氣口半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機單室半連續(xù)真空鍍膜機鍍膜室1.照明燈2.放卷輥3.送絲機構的結構1.坩堝2.導管3.膜材絲4.主動輥輪5.壓輪6.導向輥7.支架8.繞絲輪半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機送絲機構的結構半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機1.室體2.收卷輥3.照明燈4.導向輥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)鍍膜機雙室半連續(xù)真空蒸發(fā)鍍膜機1.室體2.收卷輥3.照明燈4.導蒸發(fā)源的位置1.基體2.蒸發(fā)源半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機蒸發(fā)源的位置半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機開啟機構示意圖1.真空室體2.卷繞機構3.密封大板4.動力柜5.行程開關6.小車半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機開啟機構示意圖半連續(xù)式真空蒸發(fā)鍍膜機2.4特殊蒸發(fā)技術閃蒸蒸鍍法

多蒸發(fā)源蒸鍍法

反應蒸鍍法

三溫度蒸鍍法

2.4特殊蒸發(fā)技術閃蒸蒸鍍法蒸發(fā)鍍膜工藝中應考慮的問題膜厚的均勻性問題點源、小平面源、蒸距等對薄膜的影響基片架的運動方式工藝參數(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力提高膜的附著強度（附著力）的問題熱應力、淀積內應力、附加內應力應盡量小基片鍍前處理與成膜時對基片加熱（烘烤、離子轟擊等）沉積速率的選擇與控制鍍前對基片打底膜蒸發(fā)鍍膜工藝中應考慮的問題膜厚的均勻性問題3.真空濺射鍍膜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。3.1濺射鍍膜濺射：離子轟擊固體表面時發(fā)生的物理過程離子轟擊固體表面時發(fā)生的物理過程與濺射率有關的因素濺射率與靶材有關濺射率與入射正離子的能量有關濺射率與入射離子的種類有關濺射率與離子入射角有關濺射率與靶材溫度有關與濺射率有關的因素濺射率與靶材有關濺射率與離子能量的關系濺射率與離子能量的關系銀、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)關系濺射率與離子入射角的典型曲線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系幾種靶材的濺射率與溫度的關系鎳的濺射率與總壓力的關系曲線鎳的濺射率與總壓力的關系曲線濺射鍍膜特點膜厚可控性和重復性好。由于濺射鍍膜時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行能量轉換，增強了濺射原子與基體的附著力。部分高能粒子產生注入現(xiàn)象，形成偽擴散層。等離子區(qū)清洗和激活，凈化且活化基體表面制膜范圍廣。任何物質均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物濺射鍍膜密度高，針孔少，且膜層的純度較高濺射鍍膜特點膜厚可控性和重復性好。由于濺射鍍膜時的放電電流和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。3.2直流濺射鍍膜3.2.1直流二極濺射裝置依據(jù)直流輝光放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二極濺射裝置原理圖1.真空室3.2.1直流二極濺射裝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直流偏壓濺射裝置直流偏壓濺射示意圖1.濺射室3.2.2直流偏壓濺射裝置1-機械泵2-閥3-可調漏泄閥4-低真空計5-高真空計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）四極濺射裝置結構示意圖（b）四極濺射裝置的電氣部分3.2.3三極或四極濺射裝置1-機械泵2-閥3-可調漏泄閥4-低真空計5-高真空計1-熱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，利用磁場的洛侖茲力束縛陰極靶表面電子的運動，導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”沉積高質量薄膜。3.3直流磁控濺射鍍膜直流磁控濺射鍍膜是在直磁控濺射原理圖磁控濺射原理圖直流磁控濺射鍍膜特點低溫：電子被正交電磁場約束減少了向基片的磁接，降低了基片同電子轟擊所產生的熱量，使基片溫度降，故磁控濺射又稱為高速低溫濺射。高速：電子在正交電磁場下增大了運動路程，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。直流磁控濺射鍍膜特點低溫：電子被正交電磁場約束減少了向基片的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、旋轉式圓柱形靶及特殊結構靶等。各自結構如下圖所示。3.3.2磁控濺射靶磁控濺射靶的分類有：同軸圓柱形靶、圓形各種磁控濺射靶的結構各種磁控濺射靶的結構磁控濺射靶電流-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；磁場影響放電特性。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)，一般以單位時間沉積的平功率效率影響功率效率的因素離子能量氣壓磁場強度功率效率影響功率效率的因素各種參數(shù)下的功率效率各種參數(shù)下的功率效率間歇式磁控濺射鍍膜機半連續(xù)式磁控濺射鍍膜機連續(xù)式磁控濺射鍍膜機3.3.3磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機主要由鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、以及輔助設備等組成。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：間歇式磁控濺射鍍膜機3.3.3磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍膜機主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.主動轉軸14.密封圈間歇式多靶磁控濺射鍍膜機間歇式磁控濺射鍍膜機1.底法蘭2.基片架3.矩形平面靶4.矩形擋板1.進料室2.基片盒3.閘閥4.加熱器5.預熱室6.臺板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1.進料室2.基片盒3.閘閥4.加熱器5.預連續(xù)式磁控濺射鍍膜機典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產線連續(xù)式磁控濺射鍍膜機典型的連續(xù)式平面磁控濺射鍍膜玻璃生產線連續(xù)式磁控濺射鍍膜機鍍膜室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.輸送輥道連續(xù)式磁控濺射鍍膜機鍍膜室1.密封圈2.濺射室上蓋33.4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.匹配網絡6.電源7.射頻發(fā)生器3.4射頻濺射鍍膜射頻濺射鍍膜原理圖3.4.1射頻濺射鍍膜工作原理

射頻頻率通常為13.56MHz。當絕緣基板背面的導體處于負電位時，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體基板上的負電位，因此停止高能正離子對絕緣基板的轟擊。此時，如果倒轉電源極性，電子就會轟擊絕緣基板，并在10-9秒時間內中和絕緣基板上的正電荷，使其電位復零。這時，再倒轉極性，又能產生10-7秒時間的濺射。如此反復，即為射頻濺射鍍膜工作原理。3.4.1射頻濺射鍍膜工作原理射頻頻率通常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3.4.2射頻濺射鍍膜裝置射頻二極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4-可調漏泄閥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12-匹配箱13-功率表14-靶電源15-真空計16-等離子17-主閥18-液氮阱19-蓋斯勒管20-機械泵21-擴散泵22-予抽閥23-基體架24-基體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-聚束磁場強弱造成放電區(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.磁場線圈5.等離子體6.基體聚束磁場強弱造成放電區(qū)域變化示意圖射頻磁控濺射裝置

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。射頻磁控濺射裝置濺射靶為磁控濺射靶的射頻濺射射頻濺射靶的結構（a）常規(guī)射頻濺射（b）射頻磁控濺射1.進水管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.基體架射頻濺射靶的結構（a）常規(guī)射頻濺射（b）射頻磁控濺射3.5反應濺射鍍膜

在濺射鍍膜時，有目的地將某種反應性氣體引入到濺射室并達到一定的分壓，可以改變或控制沉積特性，從而獲得不同于靶材的新物質薄膜，如各種金屬氧化物、氮化物、碳化物以及絕緣介質等薄膜。這種伴隨有化學反應的濺射鍍膜方法稱為反應濺射鍍膜。3.5反應濺射鍍膜在濺射鍍膜時，有目的地將某3.5.1反應濺射的機理及特性膜層性質與反應性氣體和惰性氣體的比例有關濺射過程中電阻率及電阻溫度系數(shù)與氮分壓的關系曲線3.5.1反應濺射的機理及特性膜層性質與反應性氣體和惰性氣3.5.2反應濺射鍍膜裝置間歇式反應濺射裝置半連續(xù)式反應濺射裝置3.5.2反應濺射鍍膜裝置間歇式反應濺射裝置間歇式反應濺射裝置濺射室結構1.室體2.磁控濺射靶3.基片架間歇式反應濺射裝置濺射室結構半連續(xù)式反應濺射裝置ITO連續(xù)性濺射設備1.基片裝卸臺2.升降機3、5、7、12、14.閘閥4.進片室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)半連續(xù)式反應濺射裝置ITO連續(xù)性濺射設備3.6各磁控濺射靶的磁場3.6.1矩形平面磁控濺射靶的磁場3.6各磁控濺射靶的磁場3.6.1矩形平面磁控濺射靶的磁3.6.2圓形平面磁控濺射靶的磁場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3.6.2圓形平面磁控濺射靶的磁場圓形平面磁控濺射靶的磁路3.6.3同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場3.6.3同軸圓柱形磁控濺射靶的磁場3.6.4旋轉式圓柱形磁控濺射靶的磁場中部橫截面的磁場端部永磁體結構及磁場3.6.4旋轉式圓柱形磁控濺射靶的磁場中部橫截面的磁場端部3.6.5S-槍濺射靶的磁場3.6.5S-槍濺射靶的磁場4.真空離子鍍膜和

離子束沉積技術4.真空離子鍍膜和

離子束沉積技術4.1真空離子鍍膜

真空離子鍍膜技術（簡稱離子鍍）是在真空蒸發(fā)和真空濺射兩種鍍膜技術基礎上發(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。4.1真空離子鍍膜真空離子鍍膜技術（簡稱離子離子鍍的類型蒸發(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)產生金屬蒸氣，將其引入以各種方式激勵產生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子，它們到達施加負偏壓的基片上沉積成膜。濺射離子鍍：通過采用高能離子對膜材表面進行濺射而產生金屬粒子，金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子，它們到達施加負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)源或濺射源，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：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4.1.1離子鍍原理和成膜條件離子鍍膜原理圖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4.1.1離子鍍原理和成膜條件離子鍍膜原理圖1-絕緣引線離子鍍原理真空室抽至10－3～10－4Pa，隨后通入工作氣體（Ar），使其真空度達到1～10－1Pa，接通高壓電源，在蒸發(fā)源（陽極）和基片（陰極）之間建立起一個低壓氣體放電的低溫等離子區(qū)。在負輝區(qū)附近產生的工作氣體離子進入陰極暗區(qū)被電場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高壓電場加速，以較高的能量轟擊基片和鍍層的表面，并沉積成膜。離子鍍原理真空室抽至10－3～10－4Pa，隨后通入工作氣體離子鍍的成膜條件一般認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＞ni

n：單位時間入射到單位基片表面上的金屬原子數(shù)ni：單位時間轟擊基體表面的離子數(shù)即當沉積作用大于反濺（剝離）作用時才能制備成膜。離子鍍的成膜條件一般認為入射離子都具有反濺、剝離能力。在離4.1.2等離子體在離子鍍膜中的作用在被蒸發(fā)的膜材粒子與反應氣體分子之間產生激活反應，增強了化合物膜的形成改變薄膜生長動力學，使其組織結構發(fā)生變化，導致薄膜的物理性能的變化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4.1.3離子鍍膜工藝參數(shù)氣體壓力基片偏壓對膜層密度的影響基片偏壓對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

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活性反應離子鍍裝置空心陰極放電離子鍍裝置4.1.4離子鍍膜裝置直流二極型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)直流二極型離子鍍裝置1.基片架（陰極）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)

三極型或多極型離子鍍裝置三極型離子鍍裝置1.陽極1.陽極2.蒸發(fā)源3.基體4.熱電子發(fā)射陰極5.可調電阻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.進氣口多陰極離子鍍裝置1.陽極2.蒸發(fā)源3.基體4.熱電子發(fā)射陰極多陰極ARE活性反應離子鍍裝置1.真空室2.膜材蒸發(fā)粒子流3.散射環(huán)4.探測極5.烘烤裝置6.基片8.坩堝ARE活性反應離子鍍裝置1.真空室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9.基片空心陰極放電離子鍍裝置1.冷卻水套2.空心陰極3.輔4.2真空電弧離子鍍膜

利用真空條件下的弧光放電進行基片表面涂層的技術稱為真空電弧離子鍍膜技術，簡稱電弧鍍。真空電弧鍍具有電壓低、成膜快的特點，在制備硬質膜和裝飾膜領域有廣泛應用。4.2真空電弧離子鍍膜利用真空條件下的弧光放4.2.1弧光放電及真空電弧鍍機理弧光放電當陰極受到大量高速正離子轟擊而被加熱到高溫時，因陰極產生顯著的熱電子發(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。4.2.1弧光放電及真空電弧鍍機理弧光放電當陰極受到大量高真空陰極電弧放電過程機理真空陰極電弧放電過程機理探針的特性曲線探針的特性曲線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4.2.2真空電弧鍍蒸發(fā)源圓形平面電弧鍍蒸發(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電弧鍍