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什么是真空鍍膜技術(shù)及方法與分類(lèi)?

發(fā)表時(shí)間:2019/9/18 10:15:04
真空鍍膜就是置待鍍材料和被鍍基板于真空室內(nèi),采用一定方法加熱待鍍材料,使之蒸發(fā)或升華,并飛行濺射到被鍍基板表面凝聚成膜的工藝。
    在真空條件下成膜有很多優(yōu)點(diǎn):可減少蒸發(fā)材料的原子、分子在飛向基板過(guò)程中于分子的碰撞,減少氣體中的分子和蒸發(fā)源材料間的化學(xué)反應(yīng)(如氧化等),以及減少成膜過(guò)程中氣體分子進(jìn)入薄膜中成為雜質(zhì)的量,從而提供膜層的致密度、純度、沉積速率和與基板的附著力。通常真空蒸鍍要求成膜室內(nèi)壓力等于或低于10-2Pa,對(duì)于蒸發(fā)源與基板距離較遠(yuǎn)和薄膜質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合,則要求壓力更低。
主要分為一下幾類(lèi):
蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。
   蒸發(fā)鍍膜:通過(guò)加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面,稱(chēng)為蒸發(fā)鍍膜。這種方法早由M.法拉第于1857年提出,現(xiàn)代已成為常用鍍膜技術(shù)之一。
  蒸發(fā)物質(zhì)如金屬、化合物等置于坩堝內(nèi)或掛在熱絲上作為蒸發(fā)源,待鍍工件,如金屬、陶瓷、塑料等基片置于坩堝前方。待系統(tǒng)抽至高真空后,加熱坩堝使其中的物質(zhì)蒸發(fā)。蒸發(fā)物質(zhì)的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表面。薄膜厚度可由數(shù)百埃至數(shù)微米。膜厚決定于蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和時(shí)間(或決定于裝料量),并與源和基片的距離有關(guān)。對(duì)于大面積鍍膜,常采用旋轉(zhuǎn)基片或多蒸發(fā)源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發(fā)源到基片的距離應(yīng)小于蒸氣分子在殘余氣體中的平均自由程,以免蒸氣分子與殘氣分子碰撞引起化學(xué)作用。蒸氣分子平均動(dòng)能約為0.1~0.2電子伏。
   蒸發(fā)源有三種類(lèi)型。①電阻加熱源:用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物質(zhì)(圖1[蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖])電阻加熱源主要用于蒸發(fā)、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高頻感應(yīng)加熱源:用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝和蒸發(fā)物質(zhì)。③電子束加熱源:適用于蒸發(fā)溫度較高(不低于2000[618-1])的材料,即用電子束轟擊材料使其蒸發(fā)。
   蒸發(fā)鍍膜與其他真空鍍膜方法相比,具有較高的沉積速率,可鍍制單質(zhì)和不易熱分解的化合物膜。
   為沉積高純單晶膜層,可采用分子束外延方法。生長(zhǎng)摻雜的GaAlAs單晶層的分子束外延裝置如圖2[ 分子束外延裝置示意圖]。噴射爐中裝有分子束源,在高真空下當(dāng)它被加熱到一定溫度時(shí),爐中元素以束狀分子流射向基片;患訜岬揭欢囟,沉積在基片上的分子可以徙動(dòng),按基片晶格次序生長(zhǎng)結(jié)晶用分子束外延法可獲得所需化學(xué)計(jì)量比的高純化合物單晶膜慢生長(zhǎng)速度可控制在1單層/秒。通過(guò)控制擋板,可做出所需成分和結(jié)構(gòu)的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用于制造各種光集成器件和各種超晶格結(jié)構(gòu)薄膜。
   濺射鍍膜:用高能粒子轟擊固體表面時(shí)能使固體表面的粒子獲得并逸出表面,沉積在基片上。濺射現(xiàn)象于1870年開(kāi)始用于鍍膜技術(shù),1930年以后由于提高了沉積速率而逐漸用于工業(yè)生產(chǎn)。常用的二極濺射設(shè)備如圖3[ 二極濺射示意圖]。通常將欲沉積的材料制成板材——靶,固定在陰極上。基片置于正對(duì)靶面的陽(yáng)極上,距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入 10-1帕的氣體(通常為氬氣),在陰極和陽(yáng)極間加幾千伏電壓,兩極間即產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下飛向陰極,與靶表面原子碰撞,受碰撞從靶面逸出的靶原子稱(chēng)為濺射原子,其在1至幾十電子伏范圍。濺射原子在基片表面沉積成膜。與蒸發(fā)鍍膜不同,濺射鍍膜不受膜材熔點(diǎn)的限制,可濺射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等難熔物質(zhì)。濺射化合物膜可用反應(yīng)濺射法,即將反應(yīng)氣體 (O、N、HS、CH等)加入Ar氣中,反應(yīng)氣體及其離子與靶原子或?yàn)R射原子發(fā)生反應(yīng)生成化合物(如氧化物、氮化物等)而沉積在基片上。沉積絕緣膜可采用高頻濺射法;b在接地的電極上,絕緣靶裝在對(duì)面的電極上。高頻電源一端接地,一端通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源后,高頻電壓不斷改變極性。等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負(fù)半周分別打到絕緣靶上。由于電子遷移率高于正離子,絕緣靶表面帶負(fù)電,在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),靶處于負(fù)的偏置電位,從而使正離子對(duì)靶的濺射持續(xù)進(jìn)行。采用磁控濺射可使沉積速率比非磁控濺射提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。
   離子鍍:蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面,稱(chēng)為離子鍍。這種技術(shù)是D.麥托克斯于1963年提出的。離子鍍是真空蒸發(fā)與陰極濺射技術(shù)的結(jié)合。一種離子鍍系統(tǒng)如圖4[離子鍍系統(tǒng)示意圖],將基片臺(tái)作為陰極,外殼作陽(yáng)極,充入惰性氣體(如氬)以產(chǎn)生輝光放電。從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過(guò)等離子區(qū)時(shí)發(fā)生電離。正離子被基片臺(tái)負(fù)電壓加速打到基片表面。未電離的中性原子(約占蒸發(fā)料的95%)也沉積在基片或真空室壁表面。電場(chǎng)對(duì)離化的蒸氣分子的加速作用(離子能量約幾百~幾千電子伏)和氬離子對(duì)基片的濺射清洗作用,使膜層附著強(qiáng)度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(fā)(高沉積速率)與濺射(良好的膜層附著力)工藝的特點(diǎn),并有很好的繞射性,可為形狀復(fù)雜的工件鍍膜。

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