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1、真空镀膜基础及镀膜设备讲座,张奎,真空技术基础,真空技术是制备薄膜的基础，真空蒸发，溅射镀膜和离子镀等均要求沉积薄膜的空间要有一定的真空度，总的来说，真空在薄膜制备过程中主要有两方面作用：减少蒸发或溅射粒子跟气体残余分子相碰撞；抑制它们之间的反应。因而获得并保持真空环境是镀膜的必要条件。,真空度量单位,真空技术中，压强的单位通常是用帕斯卡（Pa）来表示，这是目前国际上推荐使用的国际单位制（SI）单位。托（Torr）这一单位在最初获得真空时就被采用，是真空技术中的独制单位。两者关系为 1Torr=133.322 Pa。另外真空历史上还采用过几种压强单位，虽然少见但我们在以后的学习和工作中有可能也
2、会使用到，分别为bar（巴），mba（毫巴），mmHg（毫米汞柱），它们与Pa的换算关系为：1mmHg=1Torr=133.322 Pa；1bar=1atm（105Pa）；1mba=100Pa。,真空系统,真空系统一般包括待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）、测量真空的器具（真空计）以及必要的管道、阀门和其他附属设备。能使压力从一个大气压力开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”；另一些却只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵常称为“次级泵”。在我们的镀膜设备中，所谓“前级泵”即机械泵，所谓“次级泵”即分子泵。,真空测量,测量原理均是利用测定在低气压下与压强有关的某些物理量，再经变换
3、后确定容器的压强。当压强改变时，这些和压强有关的特性也随之变化的物理现象，就是真空测量的基础。每种测量方法都有其一定的测量范围，即为该真空计的“量程”。我们要接触到的真空计为两种：电阻规真空计（低真空计），测量范围一般为105Pa-10-2Pa；电离真空计（高真空计），测量范围一般为10-2Pa-10-6Pa,真空镀膜的分类,通常把真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）技术，简称PVD 技术。与此对应的是化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）技术，简称CVD技术。CVD技术是在高温下依靠化学反应制
4、备薄膜的，反应物是气体，而生成物之一是固体（膜）。,真空溅射镀膜,溅射镀膜的基本原理用带有几百电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面（靶材），使靠近固体表面（靶材）的原子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空中，这种现象称为溅射。这时，如果将基片放置到靶材的附近，被溅射出来的靶材原子就会沉积到基片的表面上而形成薄膜，这就是真空溅射镀膜技术。,真空溅射镀膜的分类,根据电极的结构、电极的相对位置以及溅射镀膜的过程可以分为二极溅射、三极溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。如果按溅射方式的不同，又可分为直流溅射、射频溅射、偏压溅射和反应溅射等。,磁控溅射,磁控溅射的机理即在真空腔内
5、充入一定压强的惰性气体Ar气（因为Ar 离化率比较高），通常为0.1-10Pa。在高压作用下Ar原子电离成Ar离子和二次电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基片的过程中，受到垂直于电场的磁场作用的影响，发生偏转，被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，以摆线的方式沿着靶表面前进，在运动过程中不断与Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar离子和更多的二次电子。经多次碰撞后的电子能量逐渐减弱，最终失去能量落在基片、腔壁上；而Ar离子在高压电场加速作用下撞击靶材表面并释放能量，导致靶材表面原子吸收能量脱离原晶格束缚，呈中性的靶材原子逸出靶材表面飞向基片形成薄膜。这也是磁控溅射“低温、高速”的特点。,磁控溅
6、射根据溅射方式（溅射电源）的不同分为直流溅射、射频溅射等。利用直流电源进行溅射即直流磁控溅射，一般溅射金属膜、合金膜、相变膜等。利用射频电源进行溅射即射频磁控溅射，一般是用于制备介质膜，或反应溅射时。（当靶是绝缘体时，由于撞击到靶材上的离子会使靶材表面带上正电荷，靶电位上升，结果离子不能继续对靶表面进行轰击）射频溅射机理：射频电源不断改变极性，等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。,当遇到一些合金靶材如相变靶（GST、AIST、SbTe等）在溅射过程中打火
7、，我们也可以用射频电源溅射，射频溅射比较稳定，但相应的溅射速率比直流溅射要低。,膜厚的测量,膜厚测量分为在线实时监控和离线测量。一般采用轮廓仪、椭偏仪和台阶仪等仪器测量,JGP560型磁控溅射镀膜机,JGP560型磁控溅射镀膜机于2007年由中科院沈阳科学仪器研制中心设计制造，设计的极限真空可达110-5Pa，真空腔体内共有5支直径为60mm的磁控溅射靶，其中A、F两靶为强磁场靶，可以制备磁性膜，同时这两支靶亦为折靶，可以实现不同材料间的共溅射；B、C、E三靶为直靶，不可弯曲，只能直溅。五支靶可以实现同时溅射并分别设有档板，在计算机控制下打开或遮挡靶位。靶基距在40-80mm连续可调。样品盘有
8、两套，第一套样品盘为加热水冷式，共可放置样品6个，尺寸为2050mm或30mm的基片，该样品盘只能进行公转；第二套样品盘可放置一个2.5英寸的盘基，除实现公转外还可以实现自转。,电源方面：有三台直流电源，其中一台为新进的进口AE直流电源，有抑弧功能，溅射功率比较稳定；国产的两台直流电源没有抑弧功能，溅射功率不太稳定。有两台微电子所生产的射频电源，可做介质膜等。,Z550s型磁控溅射镀膜机,Z550s型磁控溅射镀膜机是德国莱宝研制，有3个靶座，直径为200mm；有一个样品转盘，带5个样品托，可制备5英寸的盘片，制膜较均匀。极限真空110-4Pa.电源方面：有一台直流电源和两台射频电源,谢 谢！,
