第四章 4 真空镀膜技术
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第四章 真空蒸发镀膜法
阴影效应： 阴影效应： 由于蒸发产生的气体分子直线运动， 由于蒸发产生的气体分子直线运动，使薄膜 局部区域无法镀膜或膜厚各处不一的现象
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸 镀装置到极为复杂的分子束外延设备， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
24
P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 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， 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-基距 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。 的相转变过程。
第五节 蒸发源的类型
真空蒸发所采用的设备根据其使用目的不同 可能有很大的差别， 可能有很大的差别，从最简单的电阻加热蒸 镀装置到极为复杂的分子束外延设备， 镀装置到极为复杂的分子束外延设备，都属 于真空蒸发沉积的范畴。 于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中， 在蒸发沉积装置中，最重要的组成部分就是 物质的蒸发源。 物质的蒸发源。
第一节 真空蒸发镀膜原理
定义：真空蒸发镀膜(蒸镀) 一．定义：真空蒸发镀膜(蒸镀)是 在真空条件下， 在真空条件下，加热蒸发物质使 气化并淀积在基片表面形成固 之气化并淀积在基片表面形成固 体薄膜，是一种物理现象。 体薄膜，是一种物理现象。 广泛地应用在机械、电真空、 广泛地应用在机械、电真空、无 线电、光学、原子能、 线电、光学、原子能、空间技术 等领域。 等领域。 加热方式可以多种多样。 加热方式可以多种多样。
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P (P ) v a
MT 22 P (Torr) ≅ 3.51×10 v 分子/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) MT
分 /(厘 2 ⋅ 秒 子 米 )
m M −4 Rm = mRe = P ≅ 4.37×10 P (Pa) 克/(厘米2 ⋅ 秒 ) V V 2π RT T M ≅ 5.84×10 P (Torr) 克/(厘 2 ⋅ 秒 米 ) V T
三个基本过程： 四. 三个基本过程：
（1）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（固相或液相 ）加热蒸发过程，包括由凝聚相转变为气相（ →气相）的相变过程。每种蒸发物质在不同温度时有不同的 气相）的相变过程。 气相 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应， 饱和蒸气压，蒸发化合物时，其组合之间发生反应，其中有 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 些组成以气态或蒸气进入蒸发空间。 （2）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒 ）气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运， 子在环境气氛中的飞行过程 飞行过程。 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， 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-基距 基距。 从蒸发源到基片之间的距离，常称源 基距。 淀积过程， （3）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即蒸气凝聚、 ）蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 即蒸气凝聚、 成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源 成核、核生长、形成连续薄膜。 温度， 温度，因此沉积物分子在基板表面将发生直接从气相到固相 的相转变过程。 的相转变过程。
真空镀膜技术
真空镀膜技术一、概述真空镀膜技术是一种利用真空条件下的物理或化学反应，将金属或非金属材料沉积在基材表面形成一层薄膜的技术。
该技术具有广泛的应用领域，包括光学、电子、医疗、环保等。
二、原理真空镀膜技术利用真空条件下的物理或化学反应，将金属或非金属材料沉积在基材表面形成一层薄膜。
其主要原理包括：1. 离子镀膜：利用离子轰击基材表面使其表面活性增强，然后通过离子束轰击目标材料产生离子和原子，最终在基材表面形成一层薄膜。
2. 蒸发镀膜：将目标材料加热至其沸点以上，在真空环境中使其升华并沉积在基材表面形成一层薄膜。
3. 磁控溅射镀膜：利用高能量离子轰击靶材产生靶材原子，并通过磁场控制靶材原子沉积在基材表面形成一层薄膜。
三、设备真空镀膜技术需要使用专门的设备，主要包括：1. 真空镀膜机：包括离子镀膜机、蒸发镀膜机和磁控溅射镀膜机等。
2. 真空泵：用于将反应室内的气体抽出，使其达到真空状态。
3. 控制系统：用于控制反应室内的温度、压力、离子束能量等参数。
四、应用真空镀膜技术具有广泛的应用领域，包括：1. 光学：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层反射或透过特定波长光线的薄膜，制作光学器件如反射镜、滤光片等。
2. 电子：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层导电或绝缘的薄膜，制作电子元器件如晶体管、集成电路等。
3. 医疗：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层生物相容性好的涂层，制作医疗器械如人工关节、心脏起搏器等。
4. 环保：利用金属或非金属材料在基材表面形成一层具有催化作用的薄膜，制作环保设备如汽车尾气净化器、工业废气处理设备等。
五、优势真空镀膜技术具有以下优势：1. 薄膜厚度可控：通过控制反应条件和时间，可以精确控制薄膜的厚度。
2. 薄膜质量高：在真空环境中进行反应，可以避免杂质和气体的污染，从而保证薄膜质量高。
3. 应用广泛：真空镀膜技术可以应用于多种材料和领域，具有广泛的应用前景。
六、挑战真空镀膜技术面临以下挑战：1. 成本高：真空镀膜设备和耗材成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。
真空镀膜技术
真空镀膜技术真空镀膜技术是一种先进的表面处理技术，它可以在各种材料表面上形成一层薄膜，从而改变其物理、化学和光学性质。
这种技术已经广泛应用于电子、光学、航空航天、汽车、医疗和建筑等领域，成为现代工业中不可或缺的一部分。
真空镀膜技术的原理是利用真空环境下的物理和化学反应，将金属、合金、陶瓷、聚合物等材料蒸发或溅射到基材表面上，形成一层薄膜。
这种薄膜可以具有不同的功能，如增强材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性、光学透明性等。
真空镀膜技术可以通过控制薄膜的厚度、成分和结构来实现不同的功能。
真空镀膜技术的应用非常广泛。
在电子领域，它可以用于制造集成电路、显示器、太阳能电池等。
在光学领域，它可以用于制造反射镜、透镜、滤光片等。
在航空航天领域，它可以用于制造发动机叶片、航空仪表等。
在汽车领域，它可以用于制造车灯、镜面等。
在医疗领域，它可以用于制造人工关节、牙科修复材料等。
在建筑领域，它可以用于制造玻璃幕墙、防紫外线涂料等。
真空镀膜技术的优点是显而易见的。
首先，它可以在不改变基材性质的情况下，改变其表面性质，从而实现不同的功能。
其次，它可以制造出高质量、高精度的薄膜，具有良好的光学、电学和机械性能。
再次，它可以在大面积、复杂形状的基材上进行镀膜，具有很高的生产效率。
最后，它可以使用多种材料进行镀膜，具有很高的灵活性和适应性。
当然，真空镀膜技术也存在一些挑战和限制。
首先，它需要高昂的设备和技术投入，成本较高。
其次，它对基材表面的处理要求较高，需要进行清洗、抛光等处理，否则会影响薄膜的质量。
再次，它对环境的要求较高，需要在无尘、无湿、无氧的环境下进行。
最后，它的应用范围受到材料的限制，某些材料不适合进行真空镀膜。
总的来说，真空镀膜技术是一种非常重要的表面处理技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，真空镀膜技术将会得到更加广泛的应用和发展。
培训系列之真空镀膜技术基础
真空镀膜技术的材料
金属材料：如金、银、铜等，具有良好的导电性和反射性
非金属材料：如碳、氮、氧等，可以用于制造各种薄膜
陶瓷材料：如氧化铝、氧化硅等，具有较高的硬度和耐腐蚀性
玻璃材料：如硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等，具有较好的透过性和化学 稳定性
高分子材料：如聚乙烯、聚四氟乙烯等，具有较好的柔韧性和耐候性
真空镀膜技术的基本原理是利用 物理或化学方法，将材料从蒸发 源或溅射源中蒸发或溅射出来， 然后在真空中沉积到基底表面。
空镀膜技术的应用领域
光学应用：提高光学元件的 透过率和反射率
电子应用：提高电子元件的 导电性和绝缘性
装饰应用：为金属表面赋予 美丽的外观和耐腐蚀性
机械应用：提高机械零件的 硬度和耐磨性
薄膜质量高：真空镀膜技术可以获得高质量的薄膜，具有高纯度、高密度和良好的 均匀性。
适用范围广：真空镀膜技术可以应用于各种材料表面，如金属、陶瓷、玻璃等，并 且可以制备多种功能的薄膜，如金属膜、介质膜、半导体膜等。
操作简便：真空镀膜技术操作简单，易于控制，可以连续稳定地生产高质量的薄膜。
环保性好：真空镀膜技术是一种环保型的生产技术，不会产生有害物质，对环境和 人体健康没有负面影响。
真空技术：真空镀膜技 术的基本原理是利用真 空技术，在真空环境下 进行薄膜的沉积。
薄膜沉积：在真空环境 下，通过蒸发、溅射、 化学气相沉积等方法， 将材料沉积在基底表面 形成薄膜。
物理过程：薄膜的 沉积过程涉及物理 和化学过程，如分 子运动、表面吸附、 化学反应等。
薄膜特性：真空镀膜技 术可以制备出具有优异 性能的薄膜，如高硬度、 高耐磨性、高耐腐蚀性 等。
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真空镀膜技术基 础
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《真空镀膜技术》课件
镀膜时间
镀膜时间过长或过短都会影响薄膜的 质量和性能，需要根据工艺要求进行 选择。
04
真空镀膜技术的研究进展
高性能薄膜材料的制备与应用
高性能薄膜材料的制备
随着科技的发展，真空镀膜技术已经能够制备出具有优异性能的薄膜材料，如金刚石薄膜、类金刚石 薄膜、氮化钛薄膜等。这些高性能薄膜材料在刀具、模具、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
金属薄膜主要用于制造各种电子器件，如集 成电路、微电子器件、传感器等。通过在电 子器件表面镀制金属薄膜，可以起到导电、 导热、抗氧化等作用，提高电子器件的性能 和稳定性。此外，金属薄膜还可以用于制造
磁性材料，如磁记录介质、磁流体等。
功能薄膜的制备与应用
要点一
总结词
功能薄膜在真空镀膜技术中具有广泛的应用前景，可用于 制造各种新型材料和器件。
VS
面临的挑战
尽管真空镀膜技术具有广泛的应用前景和 巨大的发展潜力，但仍面临许多挑战和难 点。例如，如何提高薄膜的附着力和稳定 性、如何降低生产成本和提高生产效率等 。
05
真空镀膜技术的应用实例
光学薄膜的制备与应用
总结词
光学薄膜在真空镀膜技术中具有广泛应用， 主要用于提高光学器件的性能和降低光损失 。
光学领域
用于制造光学元件，如反射镜 、光学窗口等，提高其光学性 能和抗磨损能力。
建筑领域
用于建筑玻璃、陶瓷等材料的 表面装饰和防护，提高其美观 度和耐久性。
02
真空镀膜技术的基本原理
真空环境的形成与维持
真空环境的形成
通过机械泵、分子泵、离子泵等抽气 设备，将容器内的气体逐渐抽出，形 成真空状态。
关闭加热系统和真空泵， 完成镀膜过程。
镀膜时间过长或过短都会影响薄膜的 质量和性能，需要根据工艺要求进行 选择。
04
真空镀膜技术的研究进展
高性能薄膜材料的制备与应用
高性能薄膜材料的制备
随着科技的发展，真空镀膜技术已经能够制备出具有优异性能的薄膜材料，如金刚石薄膜、类金刚石 薄膜、氮化钛薄膜等。这些高性能薄膜材料在刀具、模具、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
详细描述
金属薄膜主要用于制造各种电子器件，如集 成电路、微电子器件、传感器等。通过在电 子器件表面镀制金属薄膜，可以起到导电、 导热、抗氧化等作用，提高电子器件的性能 和稳定性。此外，金属薄膜还可以用于制造
磁性材料，如磁记录介质、磁流体等。
功能薄膜的制备与应用
要点一
总结词
功能薄膜在真空镀膜技术中具有广泛的应用前景，可用于 制造各种新型材料和器件。
VS
面临的挑战
尽管真空镀膜技术具有广泛的应用前景和 巨大的发展潜力，但仍面临许多挑战和难 点。例如，如何提高薄膜的附着力和稳定 性、如何降低生产成本和提高生产效率等 。
05
真空镀膜技术的应用实例
光学薄膜的制备与应用
总结词
光学薄膜在真空镀膜技术中具有广泛应用， 主要用于提高光学器件的性能和降低光损失 。
光学领域
用于制造光学元件，如反射镜 、光学窗口等，提高其光学性 能和抗磨损能力。
建筑领域
用于建筑玻璃、陶瓷等材料的 表面装饰和防护，提高其美观 度和耐久性。
02
真空镀膜技术的基本原理
真空环境的形成与维持
真空环境的形成
通过机械泵、分子泵、离子泵等抽气 设备，将容器内的气体逐渐抽出，形 成真空状态。
关闭加热系统和真空泵， 完成镀膜过程。
真空镀膜实验报告
真空镀膜实验报告真空镀膜实验报告引言：真空镀膜技术是一种将金属薄膜沉积在基材表面的方法，通过控制沉积参数和真空环境，可以获得具有特殊功能和性能的薄膜材料。
本实验旨在探究真空镀膜技术的原理和应用，以及分析实验结果。
一、实验原理真空镀膜技术是利用真空环境下的物理或化学过程，在基材表面形成一层金属薄膜。
实验中，我们使用了蒸发镀膜的方法。
首先，将金属材料（如铝）置于真空腔体中的加热器内，然后加热金属材料，使其蒸发成气体。
蒸发的金属气体通过减压系统，进入到基材表面，形成金属薄膜。
二、实验步骤1. 准备基材：将需要镀膜的基材（如玻璃片）进行清洗和处理，以确保表面干净和平整。
2. 装置真空镀膜设备：将基材放置在真空腔体中，确保基材与蒸发源之间的距离适当，并调整真空度。
3. 加热蒸发源：打开加热器，将金属材料加热至蒸发温度，使其蒸发成气体。
4. 控制沉积速率：通过控制蒸发源的温度和真空度，调节金属气体的流量和速率，以控制金属薄膜的厚度和均匀性。
5. 结束镀膜：达到所需的薄膜厚度后，关闭加热器和真空泵，待系统冷却后取出基材。
三、实验结果与分析通过实验，我们成功制备了一层铝薄膜。
观察镀膜表面，可以发现薄膜均匀、光滑，并且与基材紧密结合。
这是因为在真空环境下，金属气体分子自由扩散，避免了空气中的杂质和氧化物对薄膜形成的干扰。
此外，薄膜的厚度也可以通过调节蒸发源的温度和时间来控制，实验中我们制备了不同厚度的铝薄膜。
四、应用前景真空镀膜技术在许多领域具有广泛的应用前景。
首先，它可以用于制备具有特殊功能的薄膜材料，如防反射涂层、导电薄膜、光学滤波器等，广泛应用于光学、电子、航空航天等领域。
其次，真空镀膜技术还可以用于改善材料的表面性能，如增加材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。
此外，真空镀膜技术还可以用于制备纳米材料和纳米结构，用于研究纳米尺度下的物理和化学性质。
结论：通过本次实验，我们深入了解了真空镀膜技术的原理和应用。
实验结果表明，真空镀膜技术可以制备出具有特殊功能和性能的薄膜材料，并且具有广泛的应用前景。
ITO真空溅射镀膜汇总
4）脉冲溅射
4.5反应溅射镀膜
Reaction Sputtering Coating
1）定义：
溅射镀膜时，有目的地充入反应性气体，从而在基体 上得不同于靶材的薄膜成分
2）原理机制
由于反应性气体的分压较低，所以气相反应很少，固 相反应为多数
qB B
回转周期 T 2m 2
qB B
无平行电场时的节距：
h
Tv //
2v// B
②有平行电场时的节距： B//E，且B、E均匀 B、E反向 电子被加速 电子回旋的螺距增大
B、E同向 电子被减速 电子回旋的螺距减小
③有正交电场时的运动 B⊥E 且B、E均匀 摆线轨
迹（直线运动与圆周运动的合成）
被轰击物体处于负电位，故称为“阴极溅射”。 溅射 镀膜中，被轰击物体称为“靶”。
2) 理论
蒸发论——动能论，温度论； 溅射论——动量论； 混合论。
3）参数 溅射率 η = 溅射出的靶材原子数 / 入射正离 子数
影响因素：
①靶材成分——原子序数大，η大； ②入射正离子种类——惰性气体η大，常用氩气Ar； ④正离子入射角度——70~80°时有最大值；P92 Fig
③缺点： 参数不能单独控制， 靶材必须为良导体，且
易于发射电子 沉积速率低 基片温升高（电子轰击）
2）三极（四极）溅射 结构 Nhomakorabea阴极、阳极间形成放电，产生等离子体， 其中的正离子轰击低电位的靶（第三极）， 将其溅射沉积在对面的基片上（无电位）。 加稳定性电极（第四极） 改进：放电不依赖阴极的二次电子发射， 正离子、溅射速率由热阴极的发射电流来控制 可控性和重复性好
电子在第三轴方向行走，在E方向仅有限高度 摆线轨迹（旋轮线半径）
真空镀膜技术
真空镀膜技术深圳微普真空系统集成有限公司真空“真空”这一术语译自拉丁文Vacuo，其意义是虚无。
其实真空应理解为气体较稀薄的空间。
在指定的空间内，低于一个大气压力的气体状态统称为真空。
真空状态下气体稀薄程度称为真压力的气体状态统称为真空真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。
真空技术是基本实验技术之自从真空技术是基本实验技术之一。
自从1643年托里拆利做了著名的有关大气压力实验，发现了真空现象以后，真空技术迅速发展。
现在，真空技术已经成为一门独立的前言学科。
它的基本内容包括：真空物理、真空的获得、真空的测量和检漏、真空系统的设计和计算等。
随着表面科学、空间科学高能粒子加速器、微电子学、薄膜技术、冶金工业以及材料学等尖端科技的发展，真空技术在近代尖端科学技术中的地位越来越重要。
真度单位真空量度单位1标准大气压=760mmHg=760(Torr) 1标准大气压=1.013x105Pa1Torr1333Pa1Torr=133.3Pa真空区域的划分目前尚无统一规定，常见的划分为：35−−粗真空低真空)10760(1010Torr pa )1010(1010313Torr pa −−−−高真空)1010(10108361Torr pa −−−−−−超高真空极高真空)1010(1010128106Torr pa −−−−−−)10(101210Torr pa −−<<真空获得—真空泵1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。
的马德堡半球试验原理：当泵工作后，形成压差，p1>p2，实现了抽气。
真空泵的分类气体传输泵:是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。
气体捕集泵:是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛结在泵内表面的真空泵例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。
真空镀膜技术
/systems_orion.htm
磁控溅射
利用磁场对电子的束缚，增加电子运行路径，从而 大幅度提高电离度，获得较高的溅射产能。
/
四.射频溅射
-
+ - - - -
- +
绝缘靶材ห้องสมุดไป่ตู้
绝缘靶材
+
正半周
负半周
u
t
指向绝缘靶材的自偏压
电阻加热式蒸发源
基片
气相物料
蒸发源 电极
真空泵
蒸发条件
pS p
pS : p:
物料的饱和蒸气压 物料的气相分压
B ln pS A T
电阻加热式蒸发源
加热方式： • 低电压大电流供电（～100 A） 对蒸发源材料的要求： • 高熔点（＞1000～2000 ℃） • 低饱和蒸气压 • 高化学稳定性 常用的蒸发源材料： W,Mo,Ta等
-
入射离子与靶材的相互作用
薄膜
+
衬底
+ + +
靶材
二，入射离子的产生：气体等离子辉光放电
+
极少量的高能宇宙 射线电离出极少量 的游离电子和正离子
+ 高浓度气体难以电离： 电子平均自由程太小
-
解决方案：抽真空 0.1～10.0 Pa
靶材
-
等离子体伏安特性
V
非 自 持 放 电 区 异 常 辉 光 正常 放 过 汤森放 渡 辉光 电 放电 区 电区 区 区 弧 光 放 电 区
圆形平面溅射源（枪）
靶材
屏蔽罩 固定环
靶材
N
S
S
冷却水
磁铁
平面溅射源表面磁场与电子轨迹
薄膜光学第四章光学镀膜工艺教学讲义
➢薄膜厚度监控技术
1）直接观测薄膜颜色变化的目视法； 一定结构的膜层对不同波长的光具有不同的透过率。白
光入射，反射光就会表现出颜色。 互补色原理：紫色黄绿，紫蓝黄，蓝橙，红蓝
绿，绿紫红。 特点：结构简单，操作方便，但精度低，受外界、人为因素 影响较大。
2）测量薄膜透过率和反射率极值法； 测量正在镀制膜层的反射率或透过率随膜层厚度增加过
教学目的和要求
了解和掌握影响光学薄膜质量的主要因素以及控制方法。
4.1 光学薄膜器件的质量要素
➢ 光学镀膜器件的光学性能 光学薄膜的光学常数：折射率和厚度。
膜层折射率误差来源、膜层厚度误差来源 膜层折射率误差来源 1）膜层的填充密度，也叫聚集密度。它是膜层的实材体积和 膜层的几何轮廓之比。 2）膜层的微观组织物理结构。即使用同样的膜层材料，采用 不同的物理气态沉积技术（PVD），得到的膜层具有不同的 晶体结构状态，具有不同的介电常数和折射率。
基片清洁的影响：残留在基片表面的污物和清洁剂将导致 1）膜层对基片的附着力差； 2）散射或吸收增大，抗激光损伤阈值低； 3）透光性能变差。
基片的表面污染来源： 1）基片表面抛光后存储时间较长，表面水渍、油斑和霉斑； 2）工作环境中的灰尘及纤维物质被零件表面吸附； 3）离子轰击时负高压电极溅射，在基片表面形成斑点； 4）真空系统油蒸汽倒流造成基片表面污染等。 提高清洁度的方法： 1）常打扫工作环境（最好建无尘车间）、经常打扫真空室； 2）对于新抛光基片表面，可用脱脂纱布蘸乙醇与乙醚混合物 进行擦洗；对于存储时间较长的基片表面，可用脱脂纱布或 棉花蘸最细的氧化铈或红粉进行更新，擦拭时要尽量均匀， 不要破坏表面面形。 3）基片表面油脂、水或其它溶剂的表面薄层，可利用离子轰 击来清洁。
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p~
kT
2d
2L
1.381023 300 1.41 3.14 (2.91010)2 (0.5)
0.02Pa
1.7 104Torr
1 Torr = 133 Pa ；1 Pa =7.5 mTorr
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate
生长材料的分子 残留气体的分子
残留气体在衬底上形成 一单原子层所需时间
(2)大晶格Leabharlann 配和大界面能材料体系的三维岛状生长的VolmerWeber模式；
(3)大晶格失配和较小界面能材料体系的初层状进而过渡到岛 状生长的Stranski-Krastanow(SK)模式。
生长模式
Frank-van der Merve Mode
衬底
Layer by Layer ( 2D )
Stranski-Krastanov Mode
磁控溅射中的重要参数
► 溅射电流 ( 生长速率 ) ► 压强 ( 溅射粒子的最高能量 ) ► 压强与靶材-衬底之间的距离 (多孔性、质地、晶体
性） ► 反应气体混合比 ( 化学配比 ) ► 衬底温度 ( 晶体性、密度和均匀性 ) ► 衬底偏压 ( 薄膜结构和化学配比 )
⑤ MBE(分子束外延)
1. Introduction 2. Principle of MBE 3. In-situ analysis techniques 4. MBE systems 5. Applications 6. References
PVD的一般特性
►“物理吸附”: 约束能 < 0.434 eV/atom (10 cal/mol)
►比外延生长速率快很多 ►衬底与薄膜材料不一定要有联系 ►厚度范围:
▪ 典型薄膜：~nm ─ ~103 nm ▪ 也可以生长更厚的膜
薄膜分类
厚度
结构
► 超薄膜: ~10 nm ► 薄膜: 50 nm─1 mm ► 中间范围:
应 用 —— Improvements
in the mobility
图中可以看到， 随着技术的进步， 载流子迁移率逐步 提高，目前已经达 到 107cm2/Vs ； 特 殊 情况外，迁移率随 温度升高而降低。
2.1 Growth chamber
Effusion cell Solid Source：K-Cell Gas Source：RF-plasma
Layer Plus Island Growth
衬底
( 2D-3D )
Volmer-Weber Mode
衬底
Island Growth ( 3D )
薄膜生长中服从的物理原理
总能量必须最小化：表面自由能+位错能+应变能
例：应变自组装纳米量子点(线)结构材料的制备是利用SK生长模式。 它描述具有较大晶格失配，而界面能较小的异质结构材料生长行
► Migration enhanced epitaxy (MEE) was introduced by Horikoshi [34].
In this modified growth method, the group III and group V elements are supplied separately in Time to the surface to allow the species adsorbed on the surface to diffuse to the correct lattice site before chemically reacting with the other species. The idea is to enhance the diffusion length of the group III species, which would otherwise be limited by the presence of group V adatoms on the surface. There has been considerable debate concerning the mechanism involved, but the method does allow films of high quality to be grown at lower temperature than those using the conventional MBE process.
• Titanium sublimation pump:
three independent filaments; used intermittently N2, O2 and other active gases are chemisorbed. no use for the noble gas and CH4, etc.
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
1
5 10 50 100 500
E keV
择优溅射
►靶材中的不同成分的溅射产值不一样 ►不同成分的出射速度不一样 ►薄膜的化学配比与靶材会有差别
溅射离子的运动学过程
衬底
►非平衡过程
►各向异性过程
►cosmq 分布
靶材
►不均匀厚度
附加磁场的优点
►限制溅射离子的轨道 ►增加离子在气体中停留的时间 ►增强等离子体和电离过程 ►减少从靶材到衬底路程中的碰撞 ►高磁场附近的产值比较高
• Ion pump: 10-12mbar
maintaining UHV conditions Gas molecules are hit by electrons and ionized.
Bakeout in vacuum: H2O 10-7mbar
1.4 Modified growth methods
A Substrate
►周期结构多层膜
B A B A
Substrate
PVD的物理原理
衬底
扩散、吸附、凝 结成薄膜
物质输运 能量输运
能量
块状材料 (靶材)
PVD所需实验条件
►高真空 (HV) ►高纯材料 ►清洁和光滑的衬底表面 ►提供能量的能源
平均自由程、压强P和真空室尺寸L的关系
~ kT ~ L 2d 2 p
hc
b
8 (1
)
f
[ln(
hc b
)
1]
0.0001 1000
0.001
0.01 1000
Critical Thickness nm
100
100
应变场
薄膜 衬底
h 位错芯
10
10
0.0001
0.001
0.01
f Mismatch
PVD的通用实验配置
真空室 反应气体管道
充气管道
衬底 Plume
真空泵
为。SK生长模式的机制如下： （1）对于晶格常数相差较大的材料系统，在外延生长初期外延层材 料在衬底表面上呈稳定平面(层)状生长。由于外延层厚度很薄，故它 与衬底晶体之间的晶格失配为生长层本身的弹性畸变所缓解，晶体为 赝品结构生长。 （2）随着生长层厚度逐渐增加，晶体内部弹性畸变能量不断积累， 当此能量值超过某个阈值后，刹那间二维的层状晶体会完全坍塌，只 在原来衬底表面存留一薄层生长层(浸润层)，其余的晶体材料在整个 系统的表面能、界面能和畸变能的联合作用下，于浸润层表面上重新 自动聚集，形成纳米尺度的三维无位错晶体“小岛”，使系统的能量 最小。晶体“小岛”的生成是自发进行的，故被称为自动组装生长。
Film
有应变的外延层
衬底 substrate
弛豫后的外延层
应力的效果
薄膜 衬底
衬底
粘附薄膜
团簇
在异质结外延生长过程中，根据异质结材料体系的晶格失 配度和表面能与界面能的不同，存在着3种生长模式：
(1) 晶 格 匹 配 体 系 的 二 维 层 状 ( 平 面 ) 生 长 的 Frank － Vander Merwe模式；
纳米尺度的“小岛”(量子点)形成后，再用另外一种能带带隙较 宽 的 半 导 体 材 料 ( 如 GaAs ， AlGaAs 等 ) 将 这 些 “ 小 岛 ” 覆 盖 ， 形 成 “葡萄干”分层夹馅饼干结构。这时“小岛”中的电子(或空穴)载流 子，由于外面覆盖层材料高能量势垒的阻挡(限制)作用，只能被“囚 禁”在“小岛”中，这就形成了应变自组装量子点结构材料。采用SK 生长模式制备应变自组装量子点材料，是目前最为成功的一项制备量 子点材料的技术。
1 mm ─ ~10 mm ► 厚膜:
~10 mm ─ ~100 mm
► 单晶薄膜 ► 多晶薄膜 ► 无序薄膜
薄膜中涉及的研究课题
►生长机制和技术 ►薄膜成分 ►缺陷与位错 ►表面形态 ►薄膜中的扩散现象 ►界面的性质 ►应力引起的应变 ►物理性质（电学、光学、机械等）
两种常见的薄膜结构
►单层膜
仪器
内部结构
玻璃钟罩
热蒸发
衬底 衬底架
反应气体管道 充气管道
Plume 真空泵
厚度监控仪 加热丝、舟或坩埚
常用蒸发源
加热丝
加热舟
坩埚
盒状源（Knudsen Cell）
② 电子束蒸发
►用高能聚焦的电子束熔解并蒸发材料 ►材料置于冷却的坩埚内 ►只有小块区域被电子束轰击 - 坩埚内部形成
一个虚的“坩埚” - “skulling” ►不与坩埚(Crucible)材料交叉污染，清洁。
UHV chamber: flange; copper gasket
UHV pumping system: • Rotary pump: act as a backing pump • Turbomolecular pump: 10-9mbar