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1、山东师范大学本科毕业论文论文题目：薄膜技术的发展学生姓名：杨云芝学 号：200600930098专 业：应用物理学指导教师：姜守振学 院：物理与电子科学学院2010年 5月10日目录摘要第一章薄膜技术发展史第二章薄膜技术2.1 薄膜与薄膜技术2.2 镀膜方法2.3 薄膜的形成第四章总结与展望3.1 现代薄膜技术的应用3.2 未来薄膜技术的市场与预测致谢参考书目摘要：随着科学技术的发展，薄膜已经越来越多地在科研、生产和生活中 出现，尽管它只是极薄的一层膜，却威力极大，神通无比。功能膜有很多种， 有的能识别物质，有的能导电、导光，有的具有反应性能，有的起分离作用等。 本文从薄膜的发展历史出发，重点
2、介绍了几种重要的薄膜制备方法并在其中介 绍了各种镀膜方法所得的薄膜的一些特点。最后对薄膜的一些实际应用进行列 举，对薄膜的未来进行了展望。希望能我们能加深对薄膜技术及其重要的认识 与了解。关键词：薄膜、薄膜技术、功能膜Abstract： With the development of science and technology, the film has been increasingly in scientific research, production and life, although it is extremely thin layer of film, but a powerf
3、ul magic and clinking. There are various functional membrane, some can identify material, some can conduct electricity, light, some have reaction performance, some on separate function and so on. From the historical development of the film, the paper introduces are some important film preparation me
4、thods and in which introduces various coating methods of some characteristics of the film. Finally, some practical applications of thin film on the list, the future is prospected. Hope we can deepen our understanding of the film technology and its important knowledge and understanding.Keywords: film
5、, Film technology, Functional Film第一章薄膜技术发展史19世纪化学镀膜最早用于在光学元件表面制备保护膜，到19世纪真空镀膜已经有200多年的 历史。但在19世纪却一直是处于探索和预研阶段。探索者的艰辛在此期间得到 充分体现。1805年，开始研究接触角与表面能的关系(Young)。1817年， Fraunhofe在德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶然第一次获得减反射膜。1839 年，开始研究电弧蒸发(Hare)。1852年，开始研究真空溅射镀膜(Grove;Pulker)。 1857年，在氮气中蒸发金属丝形成薄膜(Faraday;Conn)。1874年，报道制成等
6、离子体聚合物(Dewilde;Thenard)。1877年，薄膜的真空溅射沉积研究成功(Wright)。 1880年，碳氢化合物气相热解(Sawyer;Mann)。1887年，薄膜的真空蒸发(地烟) (NahrwoId;Pohl;Pringsheim)o 1896如开始研制形成减反射膜的化学工艺。1897年，研究成功四氯化筲的氢还原法(CVD);膜厚的光学干涉测量法(Wiener)。 而真空蒸发与溅射这两种真空物理镀膜工艺的大规模应用，实际上是在1930年 出现了油扩散泵一机械泵抽气系统之后。20世纪的前50年1904年，圆简上溅射镀银获得专利(Edison)。1907年，开始研究真空反应蒸发
7、技术(Soddy)。1913年，吸附等温线的研究(Langmuir,Knudsen,Knacke等)。 1917年，玻璃棒上溅射沉积薄膜电阻。1920年， 溅射理论的研究(Guntherschulzer)o 1928 年，鸨丝的真空蒸发(Ritsehl,Cartwright 等). 1930 年， 真空气相蒸发形成超微粒子(Pfund)。1934年， 半透明玻璃纸上金的卷绕镀 (Kurz,Whiley);薄膜沉积用的玻璃的等高子体清洗(Bauer,Strong)。1935年，金属 纸电容器用的Cd:Mg和Zn的真空蒸发卷绕镀膜研究成功(Bausch,Mansbridge); 帕洛马100英寸望
8、远镜镜面镀铝(Strong);光学透镜上镀制单层减反射膜 (Strong,Smakula);金属膜生长形态的研究(Andrade,Matindale)。1937年，使用铅 反射器的密封光束头研制成功(Wright);真空卷绕蒸发镀膜研制成功(Whiley);磁控增强溅射镀膜研制成功(Penning)。1938年，离子轰击表面后蒸发取得专利 (Berghaus)o 1939 年，双层减反射膜镀制成功(Cartwright,Turner)。1941 年，其空镀铝网制成雷达用的金属箔。1942年，三层减反射膜的镀制(Ge依ken);同位 素分离用的金属离子源研制成功。1944年，玻璃的电子清洗研制成
9、功(Rice,Dimmick)o 1945 年，多层光学滤波器研制成功(Banning,Hofthian)。1946年，用X射线法吸收法测量薄膜的厚度(Friedman,Birks);英国Goodfellow公司 成立。1947年,200英寸望远镜镜而镀铝成功。1948年，美国国家光学实验室 (OCLI)建立：沉积粒子的真空快速蒸发(Harris, Siegel)：用光透过率来控 制薄膜的厚度(Dufour)o 1949年，非金属膜生长形态的研究(Schulz)。1950 年，溅射理论开始建立(Wehner)：半导体工业开始起步：各种微电子工业开 始起步：冷光镜研制成功(Turner, Hof
10、lman, Schroder)：塑料装饰膜开始出现 (holland 等)。20世纪的后50年这是薄膜技术获得腾飞的50年。真空获得、真空测量取得的进展是薄 膜技术迅速实现产业化的决定性的因素。1952年，表面自动洁净的溅射清洗方 法研制成功：开始研究新的反应蒸发方法(Auwarter, Brinsmaid)：开始研究耐 腐蚀的等离子体聚合物膜。1953年，美国真空学会成立：以卷绕镀膜的方法制成抗反射的薄膜材料(3M公司)。1954年，开始研制新型真空蒸发式卷绕镀 膜机(Leybokl公司)。1955,薄膜沉积的电子束蒸发技术开始成熟(Ruhle)； 开始提出介质的射频溅射方法(Wehner)
11、。1956年，美国第一台表面镀有金属 膜的汽车问世(Ford汽车公司)。1957年,真空镀锦方法被航空工业所接受；研 究光学膜的反应蒸镀方法(Brismaid,Auwarter等)；美国真空镀膜学会成立.1958 年，薄膜的外延生长技术研制成功(Gunther);美国航空航天局(NASA)成立. 1959年，磁带镀膜设备研制成功160。排公司).1960年，聚合物表面等高子体 活性沉积方法出现(Sharp,Schorhorm);电推进器用离子源研制成功(Kauffman);石英晶体膜厚测量仪研制成功.1961年，低辐射率玻璃研制成功(Leybold公司); 开始研究元素的溅射产额(Laegri
12、ed,Yamamura等).1962年，开始研究用于化学分 析的溅射方法；碳(Massey)和金属(Lucas)的电弧气相沉积；研究作为清洗用的 介质的射频溅射方法(Stuart,Anderson等);Leybold公司的产品进入美国市场；开 始考虑元素的蒸气压(Hoenig).1963年，开始研制部分暴露大气的连续镀膜设备 (Charschan,Savach等)；离子镀膜工艺研制成功(Mattox).1964年，光生伏打薄膜 的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法研制成功(Bradley等).1965年，偏 压溅射沉积方法研制成功(Maissel等)；薄膜的激光气相沉积方法研制成功(S
13、mith,Tumer);绝缘材料的射频溅射沉积方法研制成功(Davidse,Anderson等);脉冲激光沉积方法研制成功(Smith等)；醋酸纤维膜所用的多层真空金属网带膜 研制成功(Galileo). 1966年，核反应堆中的离子镀铝(Mattox等)；作为润滑剂用 的软金属的离子镀膜研制成功(Spalvins);附着性能好的阳光反射膜(3M公司).1967年，刀具上溅射镀倍成功(Lane);真空离子镀膜方法取得专利(Mattox);三极 溅射方法研制成功(Baun,Wan等)；高真空条件下，引爆膜的沉积(Mattox). 1968 年，旋转箱中，小型部件的离子镀膜(MattoxKlein
14、),这个方法后来在航天工业中 叫做离子气相沉积.1969年，磁控溅射在半球形部件内部进行，多种滋控溅射源 取得专利(Mullay);Leybold公司的新型溅射镀膜机问世：蒸发薄膜形态图出版发 行。20世纪70年代各种真空镀膜技术的应用全面实现产业化。薄膜技术的 发展进入黄金时期。1970年，真空蒸发的空心阴极电子源研制成功(ULVAC 公司)：高沉积速率多层光学镀膜机研制成功(OCLD：空心阴极离子镀膜设备 在日本出现(ULVAC公司)。1971年，用离子轰击的方法在玻璃上镀膜的公司 在不少国家大量涌现：硬碳膜研制成功(Aisenberg等)：锥形部件内的磁控溅 射方法取得专利(Qarke)
15、：任意位置的阳极电弧蒸发源出现(Snaper, Sablev)； 蒸发过程中，活性气体的等离子体激活(Heitman, Auwarter等)；镀铝的香烟 包装纸研制成功(Galileo)：使用电子束蒸发源的离子镀膜设备出现(Chamber 公司)。1972年，粒子束团沉积方法研制成功(Tagaki)；采用离子枪的高真空 溅射镀膜设备出现(WeissmanteD：薄膜形态的同步轰击效应的研究(mattox 等)：细网上镀膜的设备获得广泛应用。1973年，电镀行业采用新型质优价廉 的离子镀膜设备(Bell公司)：等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在 平形板反应堆中应用(Reinberg)。
16、1974年，超紫外一臭氧清洗技术出现(Sowell, Cuthrell等)；离子轰击膜中压缩应力的研究(Sowell,Cuthrell等)；平 面磁控镀膜技术取得专利(Chapin). 1975年，反应离子镀膜技术研制成功 (Murayama等)；柱状阴极磁控溅射技术取得专利(Penfold等);HIV族半导体材 料的分子束外延(MBE)研制成功(Cho, Arthur)：交替式离子镀膜技术研制 成功(Schiller)；汽车车架上镀铭出现(Chevrolet)。1976年，离子枪用于沉积 薄膜的同步轰击（Weissmantel）。1977年，中频平面磁控反应溅射沉积法研制 成功（Cormia
17、等）：1TO膜的真空卷绕镀研制成功（Sierracin, Sheldahl等）：幕 墙玻璃在线溅射镀膜设备研制成功（Airco Temescal公司）：溅射薄膜形态图出 版发行（Thomlon等）：在细网上溅射加热镀镜面膜（Chahroudi）o 1978年,在 细网上镀制光衍射膜成功（Coburn公司）；可控电弧蒸发源研制成功（Dorodnov）：等离子体暗弧蒸发研制成功（Aksenov等）：窗用ITO膜溅射沉 积方法研制成功（后来简称CP膜）：微弯柔性电路板问世（3M公司）。1979 年，商用在线低辐射率玻璃镀膜设备投入使用：溅射沉积网状膜实现产业化（Cormia Chahroudi公司）
18、：平面磁控阴极溅射取得专利（BOCCT公司）：在线 高沉积速率玻璃溅射镀膜设备问世（Leybokl公司）。1980年，离子枪改善蒸镀铭膜的应力（Hoffman, Gaerttner）：第一台 大型溅射卷绕镀膜设备问世（Leybold公司）：多弧气相沉积在美国实现产业化： Ag基热控镀膜实现产业化（Leubold公司）。1981年，在工具上用物理气相沉 积法镀硬膜：装饰硬件的装饰膜和多功能膜（Leybold公司：装饰膜的溅射离 子镀（Leybokl公司）：溅射卷绕镀设备问世（Leybold公司）：高沉积速率的在 线ITOAgITO镀膜设备问世（Leybokl公司）；表面镀银的反射膜研制成功 （3
19、M公司）。1982年，超微粒子的气相蒸发实现产业化（ULVAC公司）：旋转 磁控柱状阴极取得专利（Mckelvey）；旋转平面溅射靶研制成功（Tico Titanium 公司）.1983年，轰击增强化学活性的研究（Lincoln.Geis等）；旋转柱状磁控溅射 靶研制成功（Robinson）;高密度光盘问世（Phillips,Sony公司）；磁带用网状镀膜设 备产业化（Leybold公司）；蒸发区真空度不断变化时形成金属化细网（Galileo公司）. 1984年，a-Si光生伏打薄膜的网状镀制（Energy Conversion Devices公司）.1985 年，真空蒸镀多层聚合物膜取得专利
20、（GE公司）.1986年，非平衡磁控溅射法的 研究（Windows等）。1987年，高温超导薄膜的激光剥离沉积（Dijkkamp等）： 无栅极的霍尔离子源研制成功（Kaufinan, Robinson等）：彩色喷墨打印问世 （OCLI）。1988年，双阴极中频溅射离子源研制成功（Este等）：直流柱状旋转 磁控溅射技术实现产业化（BOCCT公司）：溅射沉积薄膜时控制应力的加压脉 冲法研制成功（Cuthrell, Mattox）。1989年，考陶尔兹功能薄膜问世，现在通 称为CP膜。1990年，双交流中频磁控溅射技术成熟（Leybokl公司）：用于金融柜 安全的细网镀膜设备研制成功（ULVAC公
21、司）：用于细网镀膜的摇盘研制成功 （Leybold公司）：氧化铝的中频反应溅射沉积方法研制成功（Leybold公司.1991 年，丙烯酸类聚合物上镀膜成功;ZrN装饰膜产业化（Leybold）.1993年，刮刀镀膜 技术取得专利（Gillette公司）：1995年，氧化硅阻挡膜取得专利（BOCCT公司） :用于汽车车灯的在线团束溅射镀膜技术研制成功（Leybold公司）。1997年， 丙烯酸类聚合物镀膜技术更名为6 V技术：硅上用物理气相沉积法镀TaN和 Cu （IBM公司）：用于装饰膜的离线团束镀膜设备研制成功（Leybokl公司）。 1998年，采用滤波电弧源的刮刀镀膜设备投产（Gille
22、tte公司）。1999年，8V 技术用于大面积玻璃的纵向镀膜。第二章薄膜技术1.1.1 与薄膜技术的概述在几何上薄膜的定义为：一个方向长度比其它两个方向的长度小时，这种结构 称之为薄膜。科学上的解群为1：由原子，分子或离子沉积再基片表面形成的2维材 料，用型料、胶黏剂、橡胶或其它材料制成，其种类有光学薄膜、光电子学薄膜、集 成光学薄膜、信息存储薄膜、保护功能薄膜、微电子学薄膜、复合薄膜、超导薄膜、 聚酯薄膜、尼龙薄膜、塑料薄膜等也可以说薄膜是一种特殊的物质形态，由于其在 厚度这一特定方向上尺寸很小，只是微观可测的量，而且在厚度方向上由于表面、界面 的存在，使物质连续性发生中断，由此使得薄膜材料
23、产生了与块状材料不同的独特性能O薄膜技术 (thin film technique)是与薄膜制备、测试等相关的各种技术的总称 。薄膜技术涉及的范围很广，它包括以物理气相沉积和化学气相沉积为代表的成膜技术 .以离子束刻蚀为代表的微细加工技术，成膜、刻蚀过程的监控技术，薄膜分析、评价 与检测技术等等。现在薄膜技术在电子元器件、集成光学、电子技术、红外技术、激光 技术以及航天技术和光学仪器等各个领域都得到了广泛的应用，它们不仅成为一间独立 的应用技术，而且成为材料表面改性和提高某些工艺水平的重要手段。薄膜技术已经 广泛应用于电子电器、机械、印刷等行业，其产品类别有薄膜电容器、金属薄膜电阻器 、薄膜电
24、阻器、拉伸膜、镭射膜、液晶薄膜、点阵式液晶显视膜、薄膜开关、收缩膜、 碳膜电阻器、块、橡胶按键、薄膜键盘等。2.1.1 薄膜的结构薄膜的结构可以分为三类：组织结构、晶体结构、表面结构。一、薄膜的组织结构薄膜的组织结构就是指它的结晶形态。分为四类：无定型结构、多晶结构、 纤维 结构和单晶结构。1、无定型结构从原子排列情况来看它是一种近程有序结构。就是在23个原子距离内原子排 列是有序的，大于这个距离排列则是杂乱无章的2。这种结构显示不出任何晶体的性 质，所以这种结构也被称为非晶结构或玻璃态结构。形成无定型薄膜的工艺条件是降 低吸附原子的表面扩散速度。可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂方法实
25、现 上述条件。无定型结构薄膜在环境温度下市稳定的。它不是具有不规则的稔定结构(玻璃态 ),就是具有随机密堆积的结构。前者主要出现在氧化物薄膜、元素半导体薄膜和硫化 物薄膜。后者主要出现在合金薄膜之中。可以认为，不规则的网络结构是两种互相贯通 的随机密堆积结构组成。这些随机结构的特征是存在着连续不断的严格的缺乏长程有序 性。2、多晶结构作者：周立刊名：稀有金属1郑领英与王学松若媵技术2杨邦朝和王文生著薄膜物理与技术多晶结构薄膜是有若干尺寸大小不等的经历所组成。在薄膜形成过程中生成的小 岛就具有晶体的特征。有众多小岛形成的薄膜就是多晶薄膜。用真空蒸发法或阴极溅射 发制成的薄膜，都是通过岛状结构生长
26、起来的，必然产生许多晶粒间界形成多晶结构。3、纤维结构纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜。根据取向方向、数量的不同又分为单重 纤维结构和双重纤维结构。前者是各晶粒只在一个方向上择优取向，后者则在两个方向 上有择优取向。一维取向薄膜可能具有二维同性一维异性的特点。二维取向薄膜在结构 上类似于单晶，它具有类似单晶的性质。4、单晶结构单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造。二、薄膜的晶体结构薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶体状况。在大多数情况下，薄膜中晶粒的 晶格结构与块状晶体是相同的。只是晶粒取向和晶粒尺寸与块状晶体不同。除晶体类型 之外，薄膜中晶粒的晶格常数也常常和块状晶体不同。产生这种现象的原因
27、主要有两个 ：一是薄膜材料本身的晶格常数与块状晶体不同匹配，二是薄膜中有较大的内应力和表 面张力。三、表面结构从热力学能量理论分析，薄膜为了使它的总能量达到最低值,应该有最小的表面积 .即应该成为理想的平面状态。实际上这种薄膜是无法得到的。2.1.2 薄膜的缺陷在薄膜的生长和形成的过程中形成的缺陷对对薄膜的性能有重要的影响,而他们又 与薄膜制造工艺密切相关。主要的缺陷主要有点缺陷、位错、晶粒间界、层次缺陷四种。2.1.3 薄膜的性质由于薄膜的材料不同，各种薄膜都有各自不同的性质。一、薄膜的力学性质薄膜的力学性质中包含有附着性质、应力性质、张力性质、弹性性质和机械强度等。二、金属薄膜的电学性质金
28、属膜在电子学领域中应用最为广泛的一种薄膜，而各种元件及集成电路对金属膜 性能又有不同要求。三、介质薄膜的电学性质介质薄膜的电学性质研究比较多的是它的绝缘性质和介电性质，随着科学性质的 发展，在介质材料中又发现了许多新的效应，如压电效应、反压电效应、压力导电效应、 群放电效应和光导电效应等。四、半导体薄膜的性质本节将半导体薄膜分为单晶半导体薄膜、多晶半导体薄膜、非晶半导体薄膜和氧化 物半导体薄膜。7单晶半导体薄膜包括有硅外延膜、SOS薄膜、II-VI族化合物半导体薄膜和III-V 族化合物薄膜。多晶华导体薄膜是具有某种尺寸分布的单晶颗粒的集合体。这些晶粒没有一定的结 晶方向。在每个晶粒内部有规则
29、顺序排列的原子但没有晶格缺陷多晶半导体薄膜的电化学性质在很大程度上受晶粒尺寸、晶粒间界及晶粒间界处缺 陷密度的影响。非晶半导体薄膜根据元素化学性质和组合情况分为两种类型：硫硒碎系和四面体系。 第一类靠范德华力连接成分子性较强的固体。第二类靠原子间强方向性正四面体配位的 共价键结合而形成三维的坚固网格状固体。这类半导体薄膜应用较广泛的是SnO2、ln2O3、Cd2SnO4等半导体薄膜，它们 都是透明导电薄膜。1.1.2 方法薄膜技术是正在发展与完善的学科与技术，其镀膜方法主要有物理方法、化学方 法和物理与化学综合法1下面主要对真空蒸发镀膜法、溅射镀膜法、离子镀膜法、化 学气相沉积法和溶液镀膜法进
30、行讲解。2.2.1 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发容器中待形成的薄膜 的原材料，使其原子或分子从表面气化溢出，形成蒸汽流入射到村底表面，凝结星辰 固体薄膜的方法。2由于真空蒸发法或真空镀膜法主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生，所以又 称为热蒸发法。蒸发原理1、真空蒸发特点与蒸发过程一般来说.真空蒸发与化学气象沉积、溅射镀膜等成膜方法相比较，有如下特点：1、设备比较简单、操作容易：2、制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制：3、成膜速率快、效率高，用掩膜可以获得清晰图形：4、薄膜的生长机理比较单纯。这种方法主要缺点：不容易获得晶体结构的薄膜，所形成的薄膜在
31、基板上的附着力 比较小，工艺重复性比较好。【美】ZahilAmjad著膜技术水化学和工业应用2张济忠、胡平、杨思泽、沈玉华著现代薄膜技术图2-1真空蒸发镀膜原理示意图真空蒸发镀膜主要部分1有：（1）真空室，为真空真空蒸发提供必要的真空环境。 （2）蒸发源或蒸发加热器,放置蒸发材料并对其进行加热。（3）基板，用于接收蒸 发物质并在其表面形成固态蒸发薄膜。（4）基板加热器及测温器。、真空蒸发镀膜包括以下几个基本过程：（1）加热蒸发过程。包括有凝聚相转变为气象的镶边过程。每种蒸发物质在不同 温度时有不相同的饱和蒸汽压：蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以 气态或蒸汽进入蒸发空间。（2）气
32、化原子或分子在蒸发源与基片之间的辘运，即这些粒子在环境气氛中的飞 行过程。飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数取决于蒸发原子的平均自 由程，以及从蒸发源到基片之间的距离，常称源一基距。（3）蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程，即是蒸汽凝聚、成核、核生长、 形成连续薄膜。上述过程必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。2、饱和蒸汽压2在一定的温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固体或液体平衡过程中所变现出的压 力成为饱和蒸汽压。物质的饱和蒸汽压随温度的上升而增大，在一定的温度下各种物质 的饱和蒸汽压不相同，且具有恒定的数值。其饱和蒸汽压 p与温度T之间的数学表 达式为：1王力衡编著薄膜技术2
33、【期刊名】甘肃科技 改型LDPE设备挤出LLDPE薄膜技术初探iliulP=A职师朦孤蠹端器衡状态时，压强为P的气体单位时间内碰撞单 位而程卷里砂砂部为蒸额北m必须指出/蒸发速率除与蒸发物质的分子量、绝对温度和蒸发物质在温度T是的 饱和蒸汽压有关外，还与材料本身的表面清洁度有关。5、蒸发分子的平均自由程与碰撞几率真空室内存在这两种粒子：一种是蒸发物质的原子或分子，另一种是残余气体分子。真空蒸发实际上是都是在具有一定压强的残余气体中进行的。在热平衡下，单位时间内通过单位面积的分子数为碰撞儿率。与真空室壁相撞，从而改变了原有的运动 行的平均距离称为蒸发分子的平均自由程嚼沧忱交档撞之间飞蒸发材料分子
34、在残余气体中飞行，这些粒子在不规则的运动状态下，相互碰撞，又2.2.2 HW铺 book118 fom溅射指核能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子或分学戊表面射出的现象唐普发、顾培夫、刘旭、李海峰著现代光学薄膜技术一、溺射皱膜的特点溅射镀膜与真空蒸发镀膜有如下特点：（1）任何物质均可以溅射，尤其是高熔点、低蒸汽压元素或化合物。利用反应溅 射法还可以制得与靶材完全不同的化合物薄膜。（2）溅射膜与基板的附着性好。（3）溅射镀膜密册且j辿少鼠且膜层的纯度较好。这是因为在溅射镀膜过程中， 不存在真空蒸发过人中无法避免的用我污染现象。Wl18,com一、M眦睛覆曼档Tl下载幅设水印溅射镀膜基F荷能粒子表
35、击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放 电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术采用的辉光放电方式不 同。原创力文档max.bookl 预览与源文档一纹下载高清无水印1宁兆元、江美福著固体薄膜材料与制备技术幺张以忱编著 真空镀膜设备O 00 n006004200 0JO-lt jQ-20 |0-l 10-18 10-M |0-2 JQ-JO |Q-S 10- ()T IO-2电流密度;(A/cm2)图3-1直流辉光放电伏安特性曲线1、辉光放电辉光放电是10-1pa的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放 电现象在真空度约为。气体放电时，两电极之间的电压和
36、电流的关系复杂，不能用欧 姆定律描述1.过渡区CD过C点后，发生“雪崩点火、离子轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性 气体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再表击阴极，阴极产生更多的二次电子，大 量的离子和电子产生后，放电达到自持，气体被击穿，开始起辉，两极间电流剧增，电 压迅速降低，放电呈现负阳现象无光放电区（AB）由于宇宙射线产生的游离离子和电子，当在两极间加上直流电压，游离离子和电 子在直流电压作用下运动形成电流，10-16-10-14A。由于此区域导电但不发光，因此 称为无光放电区。自然游离的离子和电子是有限的，所以随电压增加，电流变化很小。汤森放电区（BC）随电压升高，电子运动速度
37、逐渐加快，由于碰撞使气体分子开始产生电离，电离为 正离子和电子，再被电场加速，再电离，使电流平稳地增加。于是在伏-安特性曲线 出现汤森放电区。由于受到电源的高输出阻抗限制，电压呈一常数。电流可在电压不变 的情况下增大。上述两种情况都以自然电离源为前提,且导电而不发光。因此，称为非自持放电区 过渡区CD 1过C点后，发生“雪崩点火二离子轰击阴极，产生二次电子，二次电子与中性气 体分子发生碰撞，产生更多的离子，离子再轰击阴极，阴极产生更多的二次电子，大量 的离子和电子产生后，放电达到自持，气体被击穿，开始起辉，两极间电流剧增,电压 迅速降低，放电呈现负阻现象正常辉光放电区DED点之后，电流与电压无
38、关，即增大电源功率时，电压不变，电流平稳增加，此 时两极板间出现辉光。在此区域，放电自动调整阴极轰击面积。最初袤击不均匀，主要 集中在靠近阴极边缘处，或在表面其它不规则处。随着电源功率增大，表击面积逐渐扩 大，直到阴极面上电流密度儿乎均匀为止。这时电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击，即使自然游离源=不存 在，导电也能维续。电流与电压无关（与辉光覆蛊面积有关）电流密度的大小与阴极材料、气体压强和种类，阴极的形状有关。电流密度不高（溅射选择非正常放电区）异常辉光放电区（EF）当袤击覆盖住整个阴极表面之后，进一步增加功率，放电电压和电流同时增加, 进入非正常辉光放电。特点：电流增大时，放电电
39、极间电压升高，且阴极电压降与电流密度和气体压强有 关。弧光放电区（FG）异常辉光放电时，常有可能转变为弧光放电的危险。此，极间电压陡降，电流突然 增大，相当于极：放电集中在阴极局部，常使阴极烧：损害电源。1、滋射特性溅射两值：即是靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。溅射率：描述溅射特性的一个重要物理量，表示正离子表击靶阴极时，平均每个正 离子能从阴极上打出的原子数。2、溅射过程主要包括靶的溅射、逸出粒子的形态、溅射粒子向基片的迁移过程、溅射粒子在 基板上的成膜过程。靶的溅射|：当入射离子在与靶材的碰撞过程中，将动量传递给靶材原子，使其获 得的能量超过结合能时，才可以使靶原子发生溅射
40、。这是靶材在溅射时发生的一个主要 过程。实际上溅射过程卜分复杂，当高能入射粒子轰击靶材料时会产生许多效应。如入 射粒子可能从靶表面反射：引起靶表面逸出电子等。3、溅射机理2由于溅射是一个极为复杂的过程，涉及的因素很多，长期以来对于溅射机理的研究 虽然很多，但都不能完善的解弹溅射现象。这里简单介绍较成熟的两种理论：1顾培夫编著薄膜技术2作者：徐新乐张忠廉刊名：新技术新工艺A、热蒸发理论：早期有人认为，溅射现象是被电离气体的核能正离子，在电场的 加速下表击靶表面，而将能量传递给碰撞处的原子，结果导致靶表面碰撞处很小区域内, 发生瞬间剧烈的局部高温.从而使这个区域的靶材料熔化，发生热蒸发。B、动量转
41、移理论周殿明主编第料薄膜挤出成型技术 （日本）麻蔚立男薄腴制备技术基制：低能粒子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是 把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的连锁式反应。这种碰撞将沿着晶体 点阵的各个方向进行。同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶 体表面的原子从紧邻原子那里得到愈来愈大的能殳，如果这个能量大于原子的结合能. 原子就从固体表面溅射出来。三、流射帔膜的类型从电极结构上可分为二级溅射、三或四级溅射、磁控溅射、射频溅射、反应溅射、 偏压溅射、离子束溅射、非对称交流溅射和吸气溅射等。2.2.3 离子镀膜离子镀技术是美国Sandia公司的D.M.Matto
42、x于1963年提出的新的镀膜技术。 它是在真空空中使气体或被蒸发物质电离，在气体离子或被蒸发物质离子的表击下， 同时将蒸发物质或其反应物蒸镀在基片上。一、离子镀原理2基片为阴极，蒸发源为阳极，建立一个低压气体放电的等离子区：镀材被气化后， 蒸发粒子进入等离子区被电离，形成离子，被电场加速后淀积到基片上成膜：淀积和溅 射同时进行：图叱b离子镀原理图二、离子战的特点与蒸发和溅射相比，离子镶有如下特点（1）膜层附着性能好。（2）膜层密度高。（3）绕射性能好。（4）可镀材质范围广泛。（5）有利于化合物膜层的形成。（6）淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜。三、离子轰击的作用1、离化率*它是指电离的原子
43、数占全部原子数的百分比。是衡生离子镀特性的一 个重要指标。特别是在反应离子镀中更为重要。1刘金声著离子束沉枳薄腴技术及应用2、溅射清洗：在薄膜淀积之前的离子表击对基片的作用如下（a）溅射清晰作用 （b）产生缺陷和位错网（c）破坏表面结晶结构（d）气体参入（e）表面成分变化 （f）表面形貌变化（g）温度升高3、离子弟击对薄膜生长的影响。首先，在溅时与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒 子不断增加.在膜表面形成“伪扩散层”着对提高膜基界面的附着强度卜分有利。其次，离子对膜层的表击作用，对膜的形态及结晶结构很有影响。四、离子俄的类型目前主要的离子镀类型有：直流二级型离子镀、三级和多阴极型离子镀、活性反 应
44、离子镀和射频离子镀等。2.2.4 化学气相沉积化学气相沉积视一种化学气相生长法，简称CVD这种方法是把含有构成薄膜 元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光 等能源,借助气相作用或在基片表面的化学反应生成要求的薄膜。一、化学气相沉积的基本原理田民波著薄膜技术与薄媵材料 杨邦朝、王文生著薄膜物理与技术化学气相沉积的基本原理是建立在化学反应的基础上，习惯上把反应物是气体生成 物之一是固体的的反应成为CVD反应。CVD制薄膜的过程可以分为以下几个主要阶段：（1）反应气体向基片表面扩散（2）反应气体吸附于基片表面（3）在基片表面上发生化学反应（4）在基片表面上产生的
45、气相副产物脱离表面而扩散掉或被真空泵抽走，在基片 表面留下不挥发的固体反应物一一薄膜。上述过程是按顺序进行的，其中最慢的步骤限制了反应速率的大小。常见的化学气相沉积反应类型有：热分解反应（如SiH4-si+2H2 t ）、化学合 成反应（如SiCI4+2H2-*Si+4HCl）、化学输运反应（其通式为：A+XBABx）二、化学气相沉积的特点其主要优点为：1、既可以制作金属薄膜、非金属薄膜，又可按要求制作多成分的合金薄膜。2、成膜速度可以很快，每分钟可达几个um甚至达到数百um。3、CVD反应在常压或低真空进行，镀膜的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件 的深孔、细孔都能均匀镀膜，这方面比PVD优
46、越的多。4、能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。5、由于薄膜生长的温度比膜材料的熔点低得多，由此可以得到纯度高、结晶完全 的膜层，这是有些半导体膜层所必须的。6、CVD法可以获得平滑的沉积表面。7、辐射损伤低。化学气相沉积法德主要缺点是：反应温度太高，一般要在1000 C左右，使许多 基底材料都耐受不住CVD高温.因此限制了它的应用范围。2.2.5 溶液镀膜发溶液镀膜发1是指在溶液中利用化学反应或电化学反应等化学方法在基板表面沉积 薄膜的一种技术。它包括化学反应沉积、溶胶一凝胶法、阳极氧化、电镀以及LB制 膜法。2.3薄膜的形成薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许多因素
47、密切相关。单虽然薄膜的制 备方法各异，薄膜的形成机制各部相同，但在许多方面还是具有共性特点。下面我们以 真空蒸发薄膜的形成为例进行讲解。薄膜的形成一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。2.3.1 凝结过程凝结过程2是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基片表面之后，从 气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。一、吸附过程：固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子或分子间的结 合化学键中断，原子或分子在固体表面形成的这种中断键成为不饱和键或悬挂键,这种 键具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引的现 象叫吸附二、表面扩散过程：入射到基体表面上的气相原子在表面桑形成吸附原子后，它便 失去了在表面法线方向上的动能，只具有在表面水平方向相平行运动的动能。依苑这 种动能,吸附原子在表面做不同方向的扩散运动，即表面扩散过程。三、凝结过程：吸附原子在基体表面上形成原子对及其以后的过程。2.3.2 核形成与生长核形成与生长的有四个过程：1、从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分因能量较大而弹 性反射出去，另一部分吸附在基体表面。2、吸附气相原子在表面上扩散迁移，互相碰撞结合成源自对或小原子团并凝结在 基体表面。3、这种原子团和其他吸附原子碰撞结合，或者骅放一个单原子。2.3.3 表面形成过程与生长