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什麽是真空鍍膜技術及方法與分類?

瀏覽次數: 日期:2016年9月24日 19:12

真空鍍膜就是置待鍍材料和被鍍基板於真空室內,采用一定方法加熱待鍍材料,使之蒸發或升華,並飛行濺射到被鍍基板表麵凝聚成膜的工藝。
    在真空條件下成膜有很多優點:可減少蒸發材料的原子、分子在飛向基板過程中於分子的碰撞,減少氣體中的活性分子和蒸發源材料間的化學反應(如氧化等),以及減少成膜過程中氣體分子進入薄膜中成為雜質的量,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壓力等於或低於10-2Pa,對於蒸發源與基板距離較遠和薄膜質量要求很高的場合,則要求壓力更低。
    主要分為一下幾類:
    蒸發鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍。
    蒸發鍍膜:通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表麵,稱為蒸發鍍膜。這種方法最早由M.法拉第於1857年提出,現代已成為常用鍍膜技術之一。
    蒸發物質如金屬、化合物等置於坩堝內或掛在熱絲上作為蒸發源,待鍍工件,如金屬、陶瓷、塑料等基片置於坩堝前方。待係統抽至高真空後,加熱坩堝使其中的物質蒸發。蒸發物質的原子或分子以冷凝方式沉積在基片表麵。薄膜厚度可由數百埃至數微米。膜厚決定於蒸發源的蒸發速率和時間(或決定於裝料量),並與源和基片的距離有關。對於大麵積鍍膜,常采用旋轉基片或多蒸發源的方式以保證膜層厚度的均勻性。從蒸發源到基片的距離應小於蒸氣分子在殘餘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作用。蒸氣分子平均動能約為0.1~0.2電子伏。
    蒸發源有三種類型。①電阻加熱源:用難熔金屬如鎢、鉭製成舟箔或絲狀,通以電流,加熱在它上方的或置於坩堝中的蒸發物質(圖1[蒸發鍍膜設備示意圖])電阻加熱源主要用於蒸發Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高頻感應加熱源:用高頻感應電流加熱坩堝和蒸發物質。③電子束加熱源:適用於蒸發溫度較高(不低於2000[618-1])的材料,即用電子束轟擊材料使其蒸發。
    蒸發鍍膜與其他真空鍍膜方法相比,具有較高的沉積速率,可鍍製單質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,在超高真空下當它被加熱到一定溫度時,爐中元素以束狀分子流射向基片。基片被加熱到一定溫度,沉積在基片上的分子可以徙動,按基片晶格次序生長結晶用分子束外延法可獲得所需化學計量比的高純化合物單晶膜,薄膜最慢生長速度可控製在1單層/秒。通過控製擋板,可精確地做出所需成分和結構的單晶薄膜。分子束外延法廣泛用於製造各種光集成器件和各種超晶格結構薄膜。
    濺射鍍膜:用高能粒子轟擊固體表麵時能使固體表麵的粒子獲得能量並逸出表麵,沉積在基片上。濺射現象於1870年開始用於鍍膜技術,1930年以後由於提高了沉積速率而逐漸用於工業生產。常用的二極濺射設備如圖3[ 二極濺射示意圖]。通常將欲沉積的材料製成板材——靶,固定在陰極上。基片置於正對靶麵的陽極上,距靶幾厘米。係統抽至高真空後充入 10-1帕的氣體(通常為氬氣),在陰極和陽極間加幾千伏電壓,兩極間即產生輝光放電。放電產生的正離子在電場作用下飛向陰極,與靶表麵原子碰撞,受碰撞從靶麵逸出的靶原子稱為濺射原子,其能量在1至幾十電子伏範圍。濺射原子在基片表麵沉積成膜。與蒸發鍍膜不同,濺射鍍膜不受膜材熔點的限製,可濺射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等難熔物質。濺射化合物膜可用反應濺射法,即將反應氣體 (O、N、HS、CH等)加入Ar氣中,反應氣體及其離子與靶原子或濺射原子發生反應生成化合物(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。基片裝在接地的電極上,絕緣靶裝在對麵的電極上。高頻電源一端接地,一端通過匹配網絡和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源後,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半周分別打到絕緣靶上。由於電子遷移率高於正離子,絕緣靶表麵帶負電,在達到動態平衡時,靶處於負的偏置電位,從而使正離子對靶的濺射持續進行。采用磁控濺射可使沉積速率比非磁控濺射提高近一個數量級。
    離子鍍:蒸發物質的分子被電子碰撞電離後以離子沉積在固體表麵,稱為離子鍍。這種技術是D.麥托克斯於1963年提出的。離子鍍是真空蒸發與陰極濺射技術的結合。一種離子鍍係統如圖4[離子鍍係統示意圖],將基片台作為陰極,外殼作陽極,充入惰性氣體(如氬)以產生輝光放電。從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時發生電離。正離子被基片台負電壓加速打到基片表麵。未電離的中性原子(約占蒸發料的95%)也沉積在基片或真空室壁表麵。電場對離化的蒸氣分子的加速作用(離子能量約幾百~幾千電子伏)和氬離子對基片的濺射清洗作用,使膜層附著強度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(高沉積速率)與濺射(良好的膜層附著力)工藝的特點,並有很好的繞射性,可為形狀複雜的工件鍍膜。

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