东北大学真空镀膜技术培训：PVD物理气相沉积

《东北大学真空镀膜技术培训：PVD物理气相沉积》由会员分享，可在线阅读，更多相关《东北大学真空镀膜技术培训：PVD物理气相沉积（134页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、真空镀膜（一）：,主讲人：巴德纯,PVD物理气相沉积,主要内容,1. 真空镀膜概论 2. 真空蒸发镀膜 3. 真空溅射镀膜 4. 真空离子镀膜和离子束沉积技术,1. 真空镀膜概论,1.1 真空镀膜技术,真空镀膜 在真空条件下利用某种方法，在固体表面上镀一层与基体材料不同的薄膜材料，也可以利用固体本身生成一层与基体不同的薄膜材料，即真空镀膜技术。,1.2 真空镀膜特点,在真空条件下镀膜，膜不易受污染，可获得纯度高、致密性好、厚度均匀的膜层。 膜材和基体材料有广泛的选择性，可以制备各种不同的功能性薄膜。 薄膜与基体附着强度好，膜层牢固。 对环境无污染。,1.3 真空镀膜技术分类,物理气相沉积（PV

2、D） 如：热蒸发沉积、溅射沉积、离子镀和分子束外延 化学气相沉积（ CVD） 如：热化学气相沉积、光化学气相沉积、等离子体化学气相沉积 物理-化学气相沉积（PCVD）,真空表面处理技术的分类,各种干式镀膜技术的比较,1.4 真空镀膜的应用,薄膜的应用非常广泛，它可以应用于电子、机械、光学、能源、轻工、食品、建筑、装饰等工业方面以及传感器、变换器等。此外，塑料表面金属薄膜以及金属表面的塑料薄膜广泛应用于日常生活各方面。,薄膜的应用,2. 真空蒸发镀膜,2.1 真空蒸发镀膜原理,将膜材置于真空中，通过蒸发源对其加热使其蒸发，蒸发的原子或分子从蒸发源表面逸出。由于高真空气氛，真空室中气体分子的平均自

3、由程大于真空室的线性尺寸，故此蒸汽分子很少与其它分子相碰撞，以直线方式达到基片表面，通过物理吸附和化学吸附凝结在基片表面，形成薄膜。这就是真空蒸发镀膜的基本原理。,真空蒸发镀膜原理图,1. 基本加热电源 2. 真空室 3. 基片架 4. 基片 5. 膜材 6. 蒸发舟 7. 加热电源 8. 抽气口 9. 真空密封 10. 挡板 11. 蒸汽流,蒸发镀膜成膜条件,真空条件 蒸发条件 清洗条件,真空条件 蒸镀室内真空度应高于10-2Pa 室内残余气体的分子到达基片表面上的几率膜材的蒸发速率,蒸发条件 蒸发速率应足够大以达到工艺要求的沉积速率（kg/m2s）,某些金属蒸气压与温度的关系曲线,清洗条件

4、 基片应进行镀前处理（粗糙度小，表面上无污染物，无氧化化层等）,2.2 蒸发源,电阻加热式 电子束加热式 感应加热式 空心阴极等离子体电阻式加热式 激光束加热式,按加热方式分类：,电阻加热式蒸发源 丝状源与箔状源,电阻加热式蒸发源 铝蒸发用坩埚加热器,电子束加热式蒸发源,电子束加热式蒸发源 e型枪工作原理示意图,1.发射体组件 2.阳极 3.电磁线圈 4.水冷坩埚 5.离子收集板 6.电子收集极 7.电子束轨迹 8.正离子轨迹 9.散射电子轨迹 10.等离子体,电子束加热式蒸发源 e型枪电子束偏转角,感应加热式蒸发源,空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源,1.冷却水套 2.空心阴极 3.辅助阳极

5、 4.聚束线圈 5.枪头 6.膜材 7.坩埚 8.聚焦磁场 9.基片,空心阴极等离子体电阻式加热式蒸发源 HCD枪特性,主束电源与引束电源的匹配,辅助阳极孔径与主束电压及束流的关系,氩气流量与主束电压的关系,激光加热式蒸发源,1.玻璃衰减器 2.透镜 3.光圈 4.光电池 5.分光器 6.透镜 7.基片 8.探头 9.靶 10.真空室 11.激光器,蒸发源按形状分类：,点蒸发源 小平面蒸发源 环形蒸发源 环形线蒸发源、环形平面蒸发源、环形柱面蒸发源 环形锥面蒸发源 矩形平面蒸发源,点蒸发源 及点源对平面的蒸发,点蒸发源的发射,点源对平面的蒸发,小平面蒸发源 及小平面源对平行平面的蒸发,小平面蒸

6、发源的发射,小平面源对平行平面的蒸发,环形蒸发源 环形线蒸发源,平面基片的环形线蒸发源,平行于基片的 环形线源的膜厚,环形蒸发源 环形平面蒸发源,平行于基片的环形平面蒸发源,环形蒸发源 环形柱面蒸发源,环形蒸发源 环形锥面蒸发源,基片与蒸发源的相对位置,点蒸发源的等膜厚球面 1.基片 2.球面工件架 3.点蒸发源,小平面源的等膜厚面 1.基片 2.球面工件架 3.小平面源,圆形平面源的膜厚分布,间歇式真空蒸发镀膜机 立式真空蒸发镀膜机 卧式真空蒸发镀膜机 半连续式真空蒸发镀膜机,2.3 真空蒸发镀膜机,立式真空蒸发镀膜机镀膜室 1.室体 2.球面行星转动基片架 3.膜厚测量晶体 4.烘烤装置

7、5.挡板 6.膜材 7.e型枪蒸发源,间歇式真空蒸发镀膜机,单室半连续真空镀膜机镀膜室,1.照明灯 2.放卷辊 3.基带 4.导向辊 5.张紧辊 6.水冷辊 7.挡板 8.坩埚 9.送丝机构 10.室体 11.观察窗 12.抽气口,半连续式真空蒸发镀膜机,送丝机构的结构 1.坩埚 2.导管 3.膜材丝 4.主动辊轮 5. 压轮 6. 导向辊 7. 支架 8. 绕丝轮,半连续式真空蒸发镀膜机,双室半连续真空蒸发镀膜机,1.室体2.收卷辊3.照明灯4.导向辊5.观察窗6.水冷辊 7.隔板8.挡板9.蒸发源10.镀膜室抽气口11.橡胶辊 12.铜辊13.烘烤装置14.放卷辊 15.卷绕室抽气口,半连

8、续式真空蒸发镀膜机,蒸发源的位置 1. 基体 2.蒸发源,半连续式真空蒸发镀膜机,开启机构示意图 1.真空室体 2.卷绕机构 3.密封大板 4.动力柜 5.行程开关 6.小车,半连续式真空蒸发镀膜机,2.4 特殊蒸发技术,闪蒸蒸镀法 多蒸发源蒸镀法 反应蒸镀法 三温度蒸镀法,蒸发镀膜工艺中应考虑的问题,膜厚的均匀性问题 点源、小平面源、蒸距等对薄膜的影响 基片架的运动方式 工艺参数的选择问题 蒸发温度、蒸发速率、基片温度、蒸距、蒸发压力等 减小膜基界面上的应力提高膜的附着强度（附着力）的问题热应力、淀积内应力、附加内应力应尽量小 基片镀前处理与成膜时对基片加热（烘烤、离子轰击等） 沉积速率的选

9、择与控制 镀前对基片打底膜,3. 真空溅射镀膜,3.1 溅射镀膜,溅射： 所谓“溅射”，就是用荷能粒子（通常用气体正离子）轰击物体，引起物体表面原子从母体中逸出的现象。 溅射镀膜： 在真空条件下，利用低压等离子体气体放电中的溅射现象制备薄膜，即真空溅射镀膜。,离子轰击固体表面时发生的物理过程,与溅射率有关的因素,溅射率与靶材有关 溅射率与入射正离子的能量有关 溅射率与入射离子的种类有关 溅射率与离子入射角有关 溅射率与靶材温度有关,溅射率与离子能量的关系,银、铜钽金属的溅射率与能量为45keV的轰击离子的函数关系,溅射率与离子入射角的典型曲线,几种靶材的溅射率与温度的关系,镍的溅射率与总压力的

10、关系曲线,溅射镀膜特点,膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时的放电电流和靶电流可分别控制，通过控制靶电流则可控制膜厚 溅射膜与基体之间的附着性好。高能粒子沉积在基体上进行能量转换，增强了溅射原子与基体的附着力。部分高能粒子产生注入现象，形成伪扩散层。等离子区清洗和激活，净化且活化基体表面 制膜范围广。任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物 溅射镀膜密度高，针孔少，且膜层的纯度较高,3.2 直流溅射镀膜,3.2.1直流二极溅射装置 3.2.2直流偏压溅射装置 3.2.3三极或四极溅射装置,依据直流辉光放电原理制备薄膜的方法称为直流溅射镀膜，其装置称为直流溅射装置。,直流二极溅射装

11、置原理图,1.真空室 2.加热器 3.阴极靶 4.基体（阳极） 5.Ar入口 6.负高压电源 7.加热电源 8.真空系统,3.2.1 直流二极溅射装置,直流偏压溅射示意图,1.溅射室 2.阴极 3.基体 4.阳极 5.排气系统 6.氩气入口,3.2.2 直流偏压溅射装置,1-机械泵2-阀3-可调漏泄阀4-低真空计5-高真空计 6-阴极7-稳定性电极8-电磁线圈9-溅射室10-蒸镀基体灯丝11-靶12-阳极13-闸阀14-液氨阱15-放气阀16-液氮阱 17-扩散泵18-水冷密封板19-钛升华泵20-加热器,1-热阴极2-稳定性电极3-基体 4-阳极5-靶6-线圈7-靶电源,四极溅射装置,（a）

12、四极溅射装置结构示意图 （b）四极溅射装置的电气部分,3.2.3 三极或四极溅射装置,3.3 直流磁控溅射镀膜,直流磁控溅射镀膜是在直流溅射装置中增加了磁场，利用磁场的洛仑兹力束缚阴极靶表面电子的运动，导致轰击靶材的高能离子的增多和轰击基片的高能电子的减少， “低温”、“高速”沉积高质量薄膜。,磁控溅射原理图,直流磁控溅射镀膜特点,低温：电子被正交电磁场约束减少了向基片的磁接，降低了基片同电子轰击所产生的热量，使基片温度降，故磁控溅射又称为高速低温溅射。 高速：电子在正交电磁场下增大了运动路程，使电子与工作气体分子磁控几率大大增加从而提高了溅射率，即提高沉积速率。,3.3.2 磁控溅射靶,磁控

13、溅射靶的分类有：同轴圆柱形靶、圆形平面靶、S-枪靶、矩形平面靶、旋转式圆柱形靶及特殊结构靶等。各自结构如下图所示。,各种磁控溅射靶的结构,磁控溅射靶电流-电压特性,磁控溅射放电均为低压等离子体放电，其电流-电压特性基本一致：随着放电电流的增加，放电电压均需增高；随着气压的增高，放电电压下降；磁场影响放电特性。,沉积速率,沉积速率是表征成膜速度的参数，一般以单位时间沉积的平均膜厚来表征。影响沉积速率的因素： 气体压力 靶-基距 靶电流 最大功率密度 靶材料种类,功率效率,影响功率效率的因素 离子能量 气压 磁场强度,各种参数下的功率效率,间歇式磁控溅射镀膜机 半连续式磁控溅射镀膜机 连续式磁控溅

14、射镀膜机,3.3.3磁控溅射镀膜机,磁控溅射镀膜机主要由镀膜室、抽气系统、电控系统、以及辅助设备等组成。其中镀膜室由磁控溅射靶、基片架、烘烤装置、充气系统以及测试监控系统等组成。由于溅射靶及工艺连续性的不同，可分为：,1.底法兰 2.基片架 3.矩形平面靶 4.矩形挡板 5.烘烤装置 6. 钟罩 7.同轴圆柱靶 8.圆形平面靶 9.圆形挡板 10.充气系统 11.S枪靶 12. 支柱 13. 主动转轴 14.密封圈,间歇式多靶磁控 溅射镀膜机,间歇式磁控溅射镀膜机,1.进料室 2.基片盒 3.闸阀 4.加热器 5.预热室 6.台板 7.镀膜室 8.溅射靶 9.冷却室 10.成品片 11.取料室

15、 12. 抽气系统,半连续式磁控溅射镀膜机,连续式磁控溅射镀膜机,典型的连续式平面磁控溅射镀膜玻璃生产线,连续式磁控溅射镀膜机镀膜室,1.密封圈 2. 溅射室上盖 3. 密封圈 4. 平面磁控溅射阴极 5. 绝缘件 6. 电极导入板（阳极） 7.8.9.隔离挡板 10.溅射镀膜室壳体 11.真空阀门 12. 隔离挡板 13.输送辊道,3.4 射频溅射镀膜,射频溅射镀膜原理图 1.基片架 2.等离子体 3.射频溅射靶 4.溅射室 5.匹配网络 6.电源 7.射频发生器,3.4.1 射频溅射镀膜工作原理,射频频率通常为13.56MHz。当绝缘基板背面的导体处于负电位时，等离子体中正离子向基板加速飞

16、行，轰击绝缘基板使其溅射。这种溅射只能维持10-7秒的时间,此后在绝缘基板上积累的正电荷形成的正电位抵消了导体基板上的负电位，因此停止高能正离子对绝缘基板的轰击。此时，如果倒转电源极性，电子就会轰击绝缘基板，并在10-9秒时间内中和绝缘基板上的正电荷，使其电位复零。这时，再倒转极性，又能产生10-7秒时间的溅射。如此反复，即为射频溅射镀膜工作原理。,3.4.2 射频溅射镀膜装置,射频二极溅射装置 射频磁控溅射装置,射频二极溅射装置,射频二极溅射装置,1-氧气瓶 2-减压阀 3-压力计 4-可调漏泄阀 5-档扳 6-溅射原子 7-暗区 8-氩离子 9-真空室 10-阴极靶 11-射频电机 12-

17、匹配箱 13-功率表 14-靶电源 15-真空计 16-等离子 17-主阀 18-液氮阱 19-盖斯勒管20-机械泵 21-扩散泵 22-予抽阀 23-基体架 24-基体,聚束磁场强弱造成放电区域变化示意图 （a）发散型 （b）均匀型 （c）聚束型 1.射频电源 2.射频靶 3.溅射室 4.磁场线圈 5.等离子体 6.基体,射频磁控溅射装置,溅射靶为磁控溅射靶的射频溅射装置称为射频磁控溅射装置，兼有射频溅射和磁控溅射两种溅射装置的优点。,射频溅射靶的结构,（a）常规射频溅射 （b）射频磁控溅射 1.进水管 2.出水管 3.绝缘子 4.接地屏蔽罩 5.射频电极6.磁环 7.磁芯 8.靶材 9.基

18、体 10.基体架,3.5 反应溅射镀膜,在溅射镀膜时，有目的地将某种反应性气体引入到溅射室并达到一定的分压，可以改变或控制沉积特性，从而获得不同于靶材的新物质薄膜，如各种金属氧化物、氮化物、碳化物以及绝缘介质等薄膜。这种伴随有化学反应的溅射镀膜方法称为反应溅射镀膜。,3.5.1 反应溅射的机理及特性,膜层性质与反应性气体和惰性气体的比例有关,溅射过程中电阻率及电阻温度系数与氮分压的关系曲线,3.5.2 反应溅射镀膜装置,间歇式反应溅射装置 半连续式反应溅射装置,间歇式反应溅射装置,溅射室结构 1.室体 2.磁控溅射靶 3.基片架,半连续式反应溅射装置,ITO连续性溅射设备 1.基片装卸台 2.

19、升降机 3、5、7、12、14.闸阀 4.进片室 6.加热室 8.低温泵 9.溅射室 10.溅射靶 11.加热器 13.出片室 15.传输系统,3.6 各磁控溅射靶的磁场,3.6.1 矩形平面磁控溅射靶的磁场,3.6.2 圆形平面磁控溅射靶的磁场,圆形平面磁控溅射靶的磁路系统 1.中心磁柱 2.磁环 3.轭铁,磁环的磁场,3.6.3 同轴圆柱形磁控溅射靶的磁场,3.6.4 旋转式圆柱形磁控溅射靶的磁场,中部横截面的磁场,端部永磁体结构及磁场,3.6.5 S-枪溅射靶的磁场,4. 真空离子镀膜和离子束沉积技术,4.1 真空离子镀膜,真空离子镀膜技术（简称离子镀）是在真空蒸发和真空溅射两种镀膜技术

20、基础上发展起来的。离子镀膜过程中，基片始终受到高能离子的轰击，与蒸发镀和溅射镀相比具有一系列的优点。,离子镀的类型,蒸发源型离子镀：通过各种加热方式加热镀膜材料，使之蒸发产生金属蒸气，将其引入以各种方式激励产生的气体放电空间中使之电离成金属离子，它们到达施加负偏压的基片上沉积成膜。 溅射离子镀：通过采用高能离子对膜材表面进行溅射而产生金属粒子，金属粒子在气体放电空间电离成金属离子，它们到达施加负偏压的基片上沉积成膜。,离子镀膜层的沉积离子来源于各种类型的蒸发源或溅射源，从离子来源的角度可分成蒸发源型离子镀和溅射离子镀两大类：,4.1.1离子镀原理和成膜条件,离子镀膜原理图,1-绝缘引线 2-基

21、片架 3-高压引线 4-阴极暗区 5-钟罩 6-辉光放电区 7-蒸发源 8-底座,离子镀原理,真空室抽至103104Pa，随后通入工作气体（Ar），使其真空度达到1101Pa，接通高压电源，在蒸发源（阳极）和基片（阴极）之间建立起一个低压气体放电的低温等离子区。在负辉区附近产生的工作气体离子进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，可有效地清除基片表面的气体和污物。随后，使膜材汽化，蒸发的粒子进入等离子区，并与等离子区中的正离子和被激发的工作气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，大部分原子达不到离化的能量，处于激发状态。被电离的膜材离子和工作气体离子一起受到负高压电场加速，以

22、较高的能量轰击基片和镀层的表面，并沉积成膜。,离子镀的成膜条件,一般认为入射离子都具有反溅、剥离能力。在离子镀中，要想沉积成膜，必须使沉积效果大于溅射剥离效果，即成膜条件为： nni n：单位时间入射到单位基片表面上的金属原子数 ni：单位时间轰击基体表面的离子数 即当沉积作用大于反溅（剥离）作用时才能制备成膜。,4.1.2 等离子体在离子镀膜中的作用,在被蒸发的膜材粒子与反应气体分子之间产生激活反应，增强了化合物膜的形成 改变薄膜生长动力学，使其组织结构发生变化，导致薄膜的物理性能的变化,4.1.3离子镀膜工艺参数,气体压力 蒸发速率 蒸发源与基片间距离 沉积速率 基片温度 基片偏压,基片偏

23、压对膜层密度的影响,离子镀工艺必须满足的基本条件,（1）在基片附近要有足够高的离化率 （2）到达基片的离子流密度 ji0.77mAcm2s （3）膜材粒子的流通量要满足 nni,4.1.4 离子镀膜装置,直流二极型离子镀装置 三极型或多极型离子镀装置 ARE活性反应离子镀装置 空心阴极放电离子镀装置,直流二极型离子镀装置,1.基片架（阴极） 2.蒸发源（阳极） 3.室体 4.蒸发电源 5.高压起源 6.充气系统 7.抽气系统,三极型或多极型离子镀装置,三极型离子镀装置,1.阳极 2.进气口 3.蒸发源 4.电子吸收极 5.基体 6.电子发射极 7.直流电源 8.真空室 9.蒸发电源 10.真空

24、系统,1.阳极 2.蒸发源 3.基体 4.热电子发射阴极 5.可调电阻 6.灯丝电源 7.直流电源 8.真空室 9.真空系统 10.蒸发电源11.进气口,多阴极离子镀装置,ARE活性反应离子镀装置,1.真空室 2.膜材蒸发粒子流 3.散射环 4.探测极 5.烘烤装置 6.基片 8.坩埚,空心阴极放电离子镀装置,1.冷却水套 2.空心阴极 3.辅助阳极 4.聚束线圈 5.枪头 6.膜材 7.坩埚 8.聚焦磁场 9.基片,4.2 真空电弧离子镀膜,利用真空条件下的弧光放电进行基片表面涂层的技术称为真空电弧离子镀膜技术，简称电弧镀。真空电弧镀具有电压低、成膜快的特点，在制备硬质膜和装饰膜领域有广泛应

25、用。,4.2.1 弧光放电及真空电弧镀机理,弧光放电,当阴极受到大量高速正离子轰击而被加热到高温时，因阴极产生显著的热电子发射，从而使等离子体放电中的阴极位降降低，放电电流增大。该阴极位降只需保持阴极区能量（即电流与阴极位降的乘积），即足以使阴极维持电子热发射所需要的温度，称之为弧光放电。,真空阴极电弧放电过程机理,探针的特性曲线,4.2.2 真空电弧镀蒸发源,圆形平面电弧镀蒸发源 矩形平面电弧镀蒸发源 圆柱形电弧镀蒸发源 环形平面电弧镀蒸发源 旋转式圆柱形电弧镀蒸发源 圆形平面可控电弧镀蒸发源 阳极真空电弧镀蒸发源,圆形平面电弧镀蒸发源 1.屏蔽罩 2.密封圈 3.靶材 4.水冷源体 5.磁

26、体 6.引弧极,电弧源电流受力图,圆形平面可控电弧镀蒸发源,4.3 离子束辅助沉积技术,离子束辅助沉积技术是把离子束注入与气相沉积镀膜技术相结合的离子表面复合处理技术。即在镀膜的同时，使具有一定能量的离子不断地入射到膜与基材的界面，借助于级联碰撞导致界面原子混合，在初始界面附近形成原子混合过渡区，提高膜与基材之间的结合力，然后在原子混合区上，再在离子束参与下继续生长出所要求厚度和特性的薄膜。,离子束辅助沉积机理,利用轰击离子在膜层中发生的级联碰撞，增加了沉积膜材原子的迁移，减轻或削除了成膜过程中的阴影效应 荷能离子的轰击，使沉积膜材原子与基片原子之间相互扩散，形成一层相互混杂的混合层，提高了膜

27、层对基片的附着力 离子束的轰击能提供了膜层原子间发生化学反应的激活能，有利于形成晶态化合，可在室温下制备出通常需要在高温下才能生成的化合物薄膜,离子束辅助沉积技术分类,蒸发镀的离子束辅助沉积技术 溅射镀的离子束辅助沉积技术 低压反应离子镀的离子束辅助沉积技术,蒸发镀的离子束辅助沉积技术,1.离子束源 2.蒸发源 3.室体 4.旋转基片架 5.加热装置,溅射镀的离子束辅助沉积技术,1.溅射离子束源 2.辅助离子束源 3.溅射靶 4.旋转基片架 5.烘烤装置 6.室体,低压反应离子镀的离子束辅助沉积技术,1.基片 2.离子束源 3.e型枪蒸发源 4.室体,4.4 离子束沉积技术,离子束沉积技术 利

28、用离化的粒子作为镀膜材料，在比较低的基片温度下形成良好特性的薄膜的镀膜技术称为离子束沉积技术。,4.4.1 离子束沉积技术机理,离子束照射到基片或沉积膜层表面，由于入射离子能量的不同，可以产生沉积、溅射或离子注入效应。 离子束沉积技术要求入射离子的能量必须低于某一临界值EC，否则，由于溅射作用导致膜层不会生长。临界能量EC可定义为入射离子的溅射率为1时的能量。,Si基片上进行Ge+离子束沉积时Ge的沉积量与入射离子能量的关系,4.4.2 离子束沉积技术的分类,非质量分离式离子束沉积技术 质量分离式离子束沉积 技术 团簇离子束沉积技术 气固两用离子束沉积技术,质量分离式离子束沉积 技术,1.质量

29、分离用偏转磁铁 2.偏转板 3.沉积室 4.硅基片 5.离子电流 6.四极虑质器 7.绝缘子 8.离子加速电源 9.引出电源 10.离子源,团簇离子束沉积技术,1.膜材 2.喷射口 3.冷却水 4.电离化所用电子的引出栅极 5.加速电极 6.热电偶 7.基片架 8.加热器 9.基片 10.挡板 11.团簇离子及中性粒子团束 12.离化用热电子灯丝 13.坩埚加热灯丝 14.坩埚 15.冷却水出口 16.冷却水入口,气固两用离子束沉积技术,1.坩埚 2.阳极筒 3.磁场线圈 4.放电室体 5.灯丝阴极 6.栅极 7.加速极,4.5 分子束外延技术,分子束外延技术,在超高真空系统中，将需要结晶的材

30、料放入喷射炉（或称喷射源）内加热使其形成分子束，从炉中喷出后沉积在单晶基片上。基片温度稳定为几百度，沉积材料在基片上以单晶结构外延生长，从而可获得单晶薄膜。,分子束外延技术的特点,超高真空条件下进行的分子束外延，无污染，纯度高 生长速度缓慢（110m/h） 可获得大面积的表面和界面具有原子平整度的外延生长膜 可原位观察薄膜生长过程，研究生长机制 基片温度低（Si生长温度只需200） 膜层的组分和杂质可控制 缺点是生长时间长，真空度要求太高不易实现大批量工业性生产,影响分子束外延的因素,外延温度 基片晶体的擗开 工作真空度 残余气体 蒸发速率 基片表面的缺陷 电场 膜厚,分子束外延装置,1.蒸发

31、室 2.俄歇电子谱仪 3.探测器 4.基片架与加热器 5.四极质谱仪 6. 电子计算机 7.电子枪 8. 离子溅射枪 9. 快门 10.喷射炉,电子计算机控制的分子束 外延装置示意图,4.6 微波电子回旋共振等离子体增强溅射沉积,工作原理,频率为2.45GHz的微波经过矩形波导管、同轴线和天线耦合进入等离子体放电室，在磁场强度0.0875T时，电子回旋运动与微波场产生共振，电子吸收微波能量，气体电离，产生高密度ECR等离子体。等离子体在发散磁场作用下，由放电室出口引入工作室，轰击基片上沉积的金属薄膜，形成金属化合物薄膜。,微波ECR等离子体增强溅射沉积装置示意图,1.微波天线 2.石英罩 3.等离子体放电室 4.磁场线圈 5.等离子体因出口 6.工作室 7.基片台 8.磁控溅射靶 9.旋转机构 p.接真空系统,微波等离子体溅射沉积特性,沉积温度低。AIN、TiN膜沉积温度约为100，与IBAD沉积温度相当 入射离子与已沉积的金属原子碰撞，增加已沉积原子的动能，增大被俘获的几率，加速薄膜沉积 附着强度高。在负偏压作用下，入射离子与金属离子有注入原子层的混合，形成薄膜-基片过渡层，提高附着强度 可制备严格化学计量成分的金属化合物薄膜 压力不变，等离子体密度随放电功率增加而增加；功率不变，等离子体密度随气压增加而增加 具有独立的磁控放电特性,课程结束,谢 谢 大 家！,E N D,