真空鍍膜及鍍膜設備講座

真空鍍膜基礎及鍍膜設備講座張奎2013.8.14真空技術基礎真空技術是制備薄膜的基礎，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，總的來說，真空在薄膜制備過程中主要有兩方面作用：減少蒸發(fā)或濺射粒子跟氣體殘余分子相碰撞；抑制它們之間的反應。因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。真空度量單位真空技術中，壓強的單位通常是用帕斯卡（Pa）來表示，這是目前國際上推薦使用的國際單位制（SI）單位。托（Torr）這一單位在最初獲得真空時就被采用，是真空技術中的獨制單位。兩者關系為1Torr=133.322Pa。另外真空歷史上還采用過幾種壓強單位，雖然少見但我們在以后的學習和工作中有可能也會使用到，分別為bar（巴），mba（毫巴），mmHg（毫米汞柱），它們與Pa的換算關系為：1mmHg=1Torr=133.322Pa；1bar=1atm（105Pa）；1mba=100Pa。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)一般包括待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設備（真空泵）、測量真空的器具（真空計）以及必要的管道、閥門和其他附屬設備。能使壓力從一個大氣壓力開始變小，進行排氣的泵常稱為“前級泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱為“次級泵”。在我們的鍍膜設備中，所謂“前級泵”即機械泵，所謂“次級泵”即分子泵。真空測量

測量原理均是利用測定在低氣壓下與壓強有關的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強。當壓強改變時，這些和壓強有關的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測量的基礎。每種測量方法都有其一定的測量范圍，即為該真空計的“量程”。我們要接觸到的真空計為兩種：電阻規(guī)真空計（低真空計），測量范圍一般為105Pa--10-2Pa；電離真空計（高真空計），測量范圍一般為10-2Pa-10-6Pa真空鍍膜的分類通常把真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜、真空離子鍍稱為物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition）技術，簡稱PVD技術。與此對應的是化學氣相沉積（ChemicalVaporDeposition）技術，簡稱CVD技術。CVD技術是在高溫下依靠化學反應制備薄膜的，反應物是氣體，而生成物之一是固體（膜）。真空濺射鍍膜

濺射鍍膜的基本原理用帶有幾百電子伏特以上動能的粒子或粒子束轟擊固體表面（靶材），使靠近固體表面（靶材）的原子獲得入射粒子所帶能量的一部分而脫離固體進入到真空中，這種現(xiàn)象稱為濺射。這時，如果將基片放置到靶材的附近，被濺射出來的靶材原子就會沉積到基片的表面上而形成薄膜，這就是真空濺射鍍膜技術。真空濺射鍍膜的分類根據(jù)電極的結構、電極的相對位置以及濺射鍍膜的過程可以分為二極濺射、三極濺射、磁控濺射、對向靶濺射、離子束濺射等。如果按濺射方式的不同，又可分為直流濺射、射頻濺射、偏壓濺射和反應濺射等。磁控濺射磁控濺射的機理即在真空腔內(nèi)充入一定壓強的惰性氣體Ar氣（因為Ar離化率比較高），通常為0.1-10Pa。在高壓作用下Ar原子電離成Ar離子和二次電子，產(chǎn)生等離子輝光放電，電子在加速飛向基片的過程中，受到垂直于電場的磁場作用的影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，以擺線的方式沿著靶表面前進，在運動過程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar離子和更多的二次電子。經(jīng)多次碰撞后的電子能量逐漸減弱，最終失去能量落在基片、腔壁上；而Ar離子在高壓電場加速作用下撞擊靶材表面并釋放能量，導致靶材表面原子吸收能量脫離原晶格束縛，呈中性的靶材原子逸出靶材表面飛向基片形成薄膜。這也是磁控濺射“低溫、高速”的特點。磁控濺射根據(jù)濺射方式（濺射電源）的不同分為直流濺射、射頻濺射等。利用直流電源進行濺射即直流磁控濺射，一般濺射金屬膜、合金膜、相變膜等。利用射頻電源進行濺射即射頻磁控濺射，一般是用于制備介質(zhì)膜，或反應濺射時。（當靶是絕緣體時，由于撞擊到靶材上的離子會使靶材表面帶上正電荷，靶電位上升，結果離子不能繼續(xù)對靶表面進行轟擊）射頻濺射機理：射頻電源不斷改變極性，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。由于電子遷移率高于正離子，絕緣靶表面帶負電，在達到動態(tài)平衡時，靶處于負的偏置電位，從而使正離子對靶的濺射持續(xù)進行。

當遇到一些合金靶材如相變靶（GST、AIST、SbTe等）在濺射過程中打火，我們也可以用射頻電源濺射，射頻濺射比較穩(wěn)定，但相應的濺射速率比直流濺射要低。膜厚的測量膜厚測量分為在線實時監(jiān)控和離線測量。一般采用輪廓儀、橢偏儀和臺階儀等儀器測量JGP560型磁控濺射鍍膜機JGP560型磁控濺射鍍膜機于2007年由中科院沈陽科學儀器研制中心設計制造，設計的極限真空可達≦1×10-5Pa，真空腔體內(nèi)共有5支直徑為60mm的磁控濺射靶，其中A、F兩靶為強磁場靶，可以制備磁性膜，同時這兩支靶亦為折靶，可以實現(xiàn)不同材料間的共濺射；B、C、E三靶為直靶，不可彎曲，只能直濺。五支靶可以實現(xiàn)同時濺射并分別設有檔板，在計算機控制下打開或遮擋靶位。靶基距在40-80mm連續(xù)可調(diào)。樣品盤有兩套，第一套樣品盤為加熱水冷式，共可放置樣品6個，尺寸為20×50mm或Φ30mm的基片，該樣品盤只能進行公轉(zhuǎn)；第二套樣品盤可放置一個2.5英寸的盤基，除實現(xiàn)公轉(zhuǎn)外還可以實現(xiàn)自轉(zhuǎn)。

電源方面：有三臺直流電源，其中一臺為新進的進口AE直流電源，有抑弧功能，濺射功率比較穩(wěn)定；國產(chǎn)的兩臺直流電源沒有抑弧功能，濺射功率不太穩(wěn)定。有兩臺微電子所生產(chǎn)的射頻電源，可做介質(zhì)膜等。Z550s型磁控濺射鍍膜機Z550s型磁控濺射鍍膜機是德國萊寶研制，有3個靶座，直徑為200mm；有一個樣品轉(zhuǎn)盤，帶5個樣品托，可制備5英寸的盤片，制膜較均勻。極限真空≦1×10-4Pa.電源方面：有一臺直流電源和兩臺射頻電源謝謝！2023/3/22附錄資料：不需要的可以自行刪除2023/3/22步進電動機的工作原理與特點原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.2023/3/22步進電動機結構注意：步進電機通的是直流電脈沖

步進電機主要由兩部分構成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構成。定、轉(zhuǎn)子鐵心由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結構，定、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒，定、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。其中定子有六個磁極,定子定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組，每兩個相對的磁極為一相，組成一相控制繞組,轉(zhuǎn)子上沒有繞組。轉(zhuǎn)子上相鄰兩齒間的夾角稱為齒距角2023/3/22工作方式步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y型（2）三相繞組中的通電順序為：A相

B相

C相通電順序也可以為：

A相C相B相

2023/3/22（3）工作過程引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對齊。CA'BB'C'A34122023/3/22CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；1C'342CA'BB'AC相通電再轉(zhuǎn)302023/3/22這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用S表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。2023/3/22二、三相單雙六拍三相繞組的通電順序為：

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。CA'BB'C'A34122023/3/22所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。A、B相同時通電（2）AA'磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。CA'BB'C'A34122023/3/22總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。2023/3/22三、三相雙三拍三相繞組的通電順序為：

AB

BC

CA

AB

共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電2023/3/22以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即S=30。CA通電CA'BB'C'A34122023/3/22步進電機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。N:一個周期的運行拍數(shù),即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù)Zr：轉(zhuǎn)