什么是真空鍍膜技術(shù)？

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來(lái)源：發(fā)布日期：2022-09-28

所謂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。

一、鍍膜的方法及分類

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，減少氣體中的活性分子和蒸發(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：

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，稱為蒸發(fā)鍍膜。這種方法最早由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)Cd、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，在超高真空下當(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，薄膜最慢生長(zhǎng)速度可控制在1單層／秒。通過(guò)控制擋板,可精確地做出所需成分和結(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能量并逸出表面，沉積在基片上。濺射現(xiàn)象于1870年開始用于鍍膜技術(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�；糜谡龑�(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為濺射原子,其能量在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。

二、薄膜厚度的測(cè)量

隨著科技的進(jìn)步和精密儀器的應(yīng)用，薄膜厚度測(cè)量方法有很多，按照測(cè)量的方式分可以分為兩類：直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量指應(yīng)用測(cè)量?jī)x器，通過(guò)接觸（或光接觸）直接感應(yīng)出薄膜的厚度。

常見的直接法測(cè)量有：螺旋測(cè)微法、精密輪廓掃描法（臺(tái)階法）、掃描電子顯微法（SEM）；

間接測(cè)量指根據(jù)一定對(duì)應(yīng)的物理關(guān)系，將相關(guān)的物理量經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為薄膜的厚度，從而達(dá)到測(cè)量薄膜厚度的目的。

常見的間接法測(cè)量有：稱量法、電容法、電阻法、等厚干涉法、變角干涉法、橢圓偏振法。按照測(cè)量的原理可分為三類：稱量法、電學(xué)法、光學(xué)法。

常見的稱量法有：天平法、石英法、原子數(shù)測(cè)定法；

常見的電學(xué)法有：電阻法、電容法、渦流法；

常見的光學(xué)方法有：等厚干涉法、變角干涉法、光吸收法、橢圓偏振法。

下面簡(jiǎn)單介紹三種：

1. 干涉顯微鏡法

干涉條紋間距Δ0，條紋移動(dòng)Δ，臺(tái)階高為t=(Δ/Δ0 )*0.5λ，測(cè)出Δ0 和Δ，即可，其中λ為單色光波長(zhǎng)，如用白光，λ取 530nm。

2. 稱重法

如果薄膜面積A，密度ρ和質(zhì)量m可以被精確測(cè)定的話，膜厚t就可以計(jì)算出來(lái)：

d=m/Aρ。

3 石英晶體振蕩器法

廣泛應(yīng)用于薄膜淀積過(guò)程中厚度的實(shí)時(shí)測(cè)量，主要應(yīng)用于淀積速度，厚度的監(jiān)測(cè)，還可以反過(guò)來(lái)（與電子技術(shù)結(jié)合）控制物質(zhì)蒸發(fā)或?yàn)R射的速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于淀積過(guò)程的自動(dòng)控制。

對(duì)于薄膜制造商而言，產(chǎn)品的厚度均勻性是最重要的指標(biāo)之一，想要有效地控制材料厚度，厚度測(cè)試設(shè)備是必不可少的，但是具體要選擇哪一類測(cè)厚設(shè)備還需根據(jù)軟包材的種類、廠商對(duì)厚度均勻性的要求、以及設(shè)備的測(cè)試范圍等因素而定。