真空蒸镀概述幻灯片.ppt

真空蒸镀概述第1页，共29页，编辑于2022年，星期一2真 空 蒸 镀真空蒸发原理 蒸发源的类型合金及化合物的蒸发膜厚的测量与监控第2页，共29页，编辑于2022年，星期一 真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）v在真空环境中，将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀，或叫真空镀膜。v真空蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。v真空蒸镀中的金属镀层通常为铝膜，但其它金属也可通过蒸发沉积。3第3页，共29页，编辑于2022年，星期一 4真空蒸镀原理第4页，共29页，编辑于2022年，星期一真空蒸发镀膜的三种基本过程：真空蒸发镀膜的三种基本过程：(1)热蒸发过程热蒸发过程(2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这 些粒子在环境气氛中的飞行过程。些粒子在环境气氛中的飞行过程。(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。真空蒸镀的优缺点真空蒸镀的优缺点：优点：优点：是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯是设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯 度高、质量好，厚度度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高可较准确控制；成膜速率快、效率高；薄膜的生长机理比较单纯薄膜的生长机理比较单纯。缺点：缺点：不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基 板上的附着力较板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。小，工艺重复性不够好等。5第5页，共29页，编辑于2022年，星期一 真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性真空蒸发镀膜时保证真空条件的必要性：三个过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行，否则将发生以下情况：1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，污染，甚至形成氧化物；2.蒸发源蒸发源被加热氧化烧毁被加热氧化烧毁；3.由于空气分子的碰撞阻挡碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。第6页，共29页，编辑于2022年，星期一蒸发源的类型蒸发源的类型:关于蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质，结合考虑与蒸发源材料 的湿润性，制作成不同的形式和选用不同的蒸发源物质。第7页，共29页，编辑于2022年，星期一常用的几种加热器形状 丝状舟状坩埚第8页，共29页，编辑于2022年，星期一一点蒸发源一点蒸发源 通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状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蒸发源称为点蒸发源第9页，共29页，编辑于2022年，星期一二小平面蒸发源二小平面蒸发源 10第10页，共29页，编辑于2022年，星期一第11页，共29页，编辑于2022年，星期一蒸发源是蒸发装置的关键部件，大多金属材料都要求在10002000的高温下蒸发。因此，必须将蒸发材料加热到很高的蒸发温度。最常用的加热方式有：电阻法、电子束法、高频法电阻法、电子束法、高频法等。一、电阻蒸发源一、电阻蒸发源 采用钨等高熔点金属，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。第12页，共29页，编辑于2022年，星期一二电子束蒸发源二电子束蒸发源 v将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加热方法和发展方向。法和发展方向。v电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，电子束蒸发克服了一般电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。特别适合制作高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。v原理原理 :基于电子在电场作用下，获得动能轰击基于电子在电场作用下，获得动能轰击到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，到处于阳极的蒸发材料上，使蒸发材料加热气化，而实现蒸发镀膜。而实现蒸发镀膜。第13页，共29页，编辑于2022年，星期一 电子束蒸发源的结构型式电子束蒸发源的结构型式第14页，共29页，编辑于2022年，星期一三高频感应蒸发源三高频感应蒸发源 将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，将装有蒸发材料的坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至气化蒸发。至气化蒸发。第15页，共29页，编辑于2022年，星期一分馏现象分馏现象 当蒸发当蒸发二元以上的合金及化合物二元以上的合金及化合物时，蒸发材料时，蒸发材料在气化过程中，由于各成分的在气化过程中，由于各成分的饱和蒸气压不同饱和蒸气压不同，使得其使得其蒸发速率也不同蒸发速率也不同，得不到希望的合金或化合，得不到希望的合金或化合物的比例成分，这种现象称为物的比例成分，这种现象称为分馏现象分馏现象。采用真空蒸发法制作预定组成的合金薄膜，经常采用瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法瞬时蒸发法、双蒸发源法及合金升华法等等。合金及化合物的蒸发第16页，共29页，编辑于2022年，星期一1瞬时蒸发法瞬时蒸发法 17第17页，共29页，编辑于2022年，星期一瞬间又称“闪烁闪烁”法法。它是将细小的颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器或坩埚中，使一个一个的颗粒实现瞬间完全蒸发。如果颗粒尺寸很小，几乎能对任何成分进行同时蒸发，故瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速瞬时蒸发法常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。率相差很大的场合。优点优点：能获得成分均匀的薄膜，可以进行掺杂蒸发等。缺点：缺点：蒸发速率难于控制，且蒸发速率不能太快。第18页，共29页，编辑于2022年，星期一2多源蒸发法多源蒸发法 19第19页，共29页，编辑于2022年，星期一二化合物的蒸发二化合物的蒸发 化合物的蒸发法有三种：（1）电阻加热法；（）电阻加热法；（2）反应蒸发法；（）反应蒸发法；（3）双源或多源蒸发法）双源或多源蒸发法三温度三温度法和分子束外延法。法和分子束外延法。反应蒸发法反应蒸发法主要用于制备高熔点的绝缘介质薄膜，如Al2O3、SiC和硅化物等。而三温度法三温度法和分子外延分子外延法主要用于制作单晶半导体化合物薄膜 第20页，共29页，编辑于2022年，星期一第21页，共29页，编辑于2022年，星期一 薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长过程，如淀积速率、粒子速度与角分布、粒子性质、过程，如淀积速率、粒子速度与角分布、粒子性质、衬底温度及真空度等。在气相沉积技术中为了监控衬底温度及真空度等。在气相沉积技术中为了监控薄膜的性能与生长过程，薄膜的性能与生长过程，必须对淀积参数进行有必须对淀积参数进行有效的测量与监控效的测量与监控。在所有沉积技术中，。在所有沉积技术中，淀积速率和淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀积参数膜厚是最重要的薄膜淀积参数。显然，用于淀积。显然，用于淀积速率测量的速率测量的实时方法实时方法，对于时间的积分也能用于，对于时间的积分也能用于膜厚的测量，而膜厚的测量，而非实时方法非实时方法则只能测量膜厚。则只能测量膜厚。膜厚和淀积速率的测量与监控第22页，共29页，编辑于2022年，星期一2 2、膜厚的测量方法、膜厚的测量方法 介绍以下几种方法介绍以下几种方法(1)(1)称重法称重法：微量天平法、石英晶体振荡法微量天平法、石英晶体振荡法 (2)(2)电学方法电学方法：电阻法、电容法、电离式监控计法电阻法、电容法、电离式监控计法 (3)(3)光学方法光学方法：光吸收法、光干涉法、等厚干涉条纹光吸收法、光干涉法、等厚干涉条纹法法 (4)(4)触针法触针法：差动变压器法、阻抗放大法、压电元件差动变压器法、阻抗放大法、压电元件法法第23页，共29页，编辑于2022年，星期一称重法称重法:微量天平法微量天平法原理原理：是将微量天平设置在真空室内是将微量天平设置在真空室内，把蒸镀的基片吊，把蒸镀的基片吊在天平横梁的一端，测出随薄膜的淀积而产生的天平倾在天平横梁的一端，测出随薄膜的淀积而产生的天平倾斜，进而求出斜，进而求出薄膜的积分堆积量薄膜的积分堆积量，然后换算为膜厚。，然后换算为膜厚。如果，积分堆积量如果，积分堆积量(质量质量)为为m m，蒸镀膜的密度为，蒸镀膜的密度为，基片上的蒸镀面积为基片上的蒸镀面积为A A，则膜厚可由下式确定，则膜厚可由下式确定第24页，共29页，编辑于2022年，星期一(2)电学方法电学方法(a)电阻法电阻法 原理原理：电阻值与电阻体的形状有关：电阻值与电阻体的形状有关由于金属导电膜的阻值随膜厚的增加而下降，所以用电阻法可对金由于金属导电膜的阻值随膜厚的增加而下降，所以用电阻法可对金属膜的淀积厚度进行监控，属膜的淀积厚度进行监控，以制备性能符合要求的金属薄膜。以制备性能符合要求的金属薄膜。RS 正方形平板电阻器沿其边方向的电阻值，它与正方形的尺寸无关，正方形平板电阻器沿其边方向的电阻值，它与正方形的尺寸无关，常称为方电阻或面电阻。常称为方电阻或面电阻。（前提：薄膜必须连续前提：薄膜必须连续)(b)电容法电容法原理：通过测量电介质薄膜的电容量来确定它的厚度原理：通过测量电介质薄膜的电容量来确定它的厚度 式中式中为金属膜电阻率，为金属膜电阻率，t t为膜层厚度为膜层厚度第25页，共29页，编辑于2022年，星期一(a)(a)电阻法电阻法电桥法测量电阻的原理电桥法测量电阻的原理右图为由测量电阻值（右图为由测量电阻值（R RS S)来测量膜厚的电桥回路原理图。来测量膜厚的电桥回路原理图。其中，其中，1 1为真空室，为真空室，2 2为蒸发面。为蒸发面。一旦达到设计电阻值时，通一旦达到设计电阻值时，通过继电器控制电磁阀挡板，便可过继电器控制电磁阀挡板，便可立即停止蒸发淀积。立即停止蒸发淀积。使用普通仪器，电阻测量精使用普通仪器，电阻测量精度可达度可达11%至至0.10.1%。第26页，共29页，编辑于2022年，星期一(3)(3)光学方法光学方法(a)(a)光吸收法光吸收法如果强度为如果强度为I I0 0 的光照射的光照射具有光吸收性的薄膜上具有光吸收性的薄膜上，则透过薄膜的则透过薄膜的光强度可由下式表示光强度可由下式表示 t 为膜厚；为膜厚；是吸收系数；是吸收系数；R 薄膜与空气界面上的反射系数薄膜与空气界面上的反射系数(b)光干涉法光干涉法原理原理：当平行：当平行单色光照射到薄膜表面单色光照射到薄膜表面上时，从薄膜的上时，从薄膜的上、下表上、下表面反射回来面反射回来的两束光在上表面相遇后，就的两束光在上表面相遇后，就发生干涉规象发生干涉规象。通。通过测定反映反射光或透射光特性的某个参量，即可测定薄过测定反映反射光或透射光特性的某个参量，即可测定薄膜的厚度。膜的厚度。第27页，共29页，编辑于2022年，星期一(c)(c)等厚干涉条纹法等厚干涉条纹法原理（测量膜厚的标准方法）原理（测量膜厚的标准方法）如果在楔形薄膜上产生单色干涉光，则在一定厚度下就能满足如果在楔形薄膜上产生单色干涉光，则在一定厚度下就能满足最大和最小的干涉条件，可观察到明暗相间的平行条纹。如果厚度最大和最小的干涉条件，可观察到明暗相间的平行条纹。如果厚度不规则，则干涉条纹也呈现不规则的形状。不规则，则干涉条纹也呈现不规则的形状。在薄膜台阶处干在薄膜台阶处干涉条纹的位移涉条纹的位移L L是条纹间距；是条纹间距；L L是条纹是条纹的位移；的位移；是单色光的波是单色光的波长。长。测量的薄膜膜厚测量的薄膜膜厚t t为：为：第28页，共29页，编辑于2022年，星期一(4)(4)触针法触针法原理原理:在针尖上镶有曲率半径为几微米的蓝宝石或金刚石的触针，使其在薄在针尖上镶有曲率半径为几微米的蓝宝石或金刚石的触针，使其在薄膜表面上移动时，由于试样的台阶会引起触针随之作阶梯式上下运膜表面上移动时，由于试样的台阶会引起触针随之作阶梯式上下运动。动。再采用机械的、光学的或电学的方法再采用机械的、光学的或电学的方法，放大触针所运动放大触针所运动的距离的距离并转换成相应的读数，该读数所表征的距离即为薄膜厚并转换成相应的读数，该读数所表征的距离即为薄膜厚度。度。图中线圈图中线圈2 2和线和线圈圈3 3的输出反相连接。的输出反相连接。由于铁芯被触针牵动随触针上下移动由于铁芯被触针牵动随触针上下移动，此时，此时，线圈线圈2 2和线圈和线圈3 3输出差动电信号输出差动电信号，放，放大此信号并显示相应于触针运动距离的数值。大此信号并显示相应于触针运动距离的数值。触针测厚计的传感器触针测厚计的传感器(a)(a)差动变压器法；差动变压器法；(b)(b)阻抗法阻抗法(a)(a)差动变压器法差动变压器法由于触针上下运动使电感器的由于触针上下运动使电感器的间隙间隙d d发生相应的变化时发生相应的变化时，感抗随之变化，感抗随之变化，导至导至线圈阻抗改变线圈阻抗改变。再利用放大电路放大并。再利用放大电路放大并显示该阻抗的变化量，即可表征触针显示该阻抗的变化量，即可表征触针上下运动的距离。上下运动的距离。(b)(b)阻抗放大法阻抗放大法第29页，共29页，编辑于2022年，星期一