CN101275218A

CN101275218A - 薄膜制备装置及薄膜生长的观察方法

Info

Publication number: CN101275218A
Application number: CNA2008101085177A
Authority: CN
Inventors: 宋长安; 彭应全; 宋毅; 朋兴平; 覃同
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Tianjin Baiteng Productivity Promotion Center Co. Ltd.
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: CN100594254C

Abstract

本发明公开一种采用物理方法在基底材料上制备薄膜的设备，以及在制备过程中观察膜生长情况的方法。本发明的装置中镀膜室由镀膜室壳体和位于镀膜室壳体下的底板构成，在真空壳体上设置有充气阀和观察窗，在底板上分别设置有电阻加热蒸发器、辐射式坩埚蒸发器、溅射靶以及干涉光源、摄像头，在固定架上设置有用旋转轴驱动的旋转托盘、样片退火加热器和其下底设置的用于固定制膜样片装置；本发明的方法是在膜生长的同时观察膜上形成的干涉现象。

Description

薄膜制备装置及薄膜生长的观察方法

技术领域

本发明涉及一种采用物理方法在基底材料上制备薄膜的设备，以及在制备过程中观察膜生长情况的方法。更为确切讲，本发明涉及采用真空沉积蒸镀，或者采用真空溅射沉积方式在基底材料的表面形成一层薄膜的设备，和采用这种设备在制备工艺过程中，间接观察成膜表面薄膜形成过程的方法。

背景技术

薄膜材料在新型光电子器件研究和制造中具有广泛的用途。采用真空溅射沉积方式在基底材料的表面形成一层薄膜的工艺在现阶段已经较为普通。这里所述的薄膜包括金属的薄膜、非金属薄膜，以及有机薄膜。现有薄膜制备设备有真空蒸镀设备、真空溅射设备两类，这两类设备均是由镀膜室、真空系统和电气系统构成，其中的镀膜室用于放置制膜样品进行膜的制备，真空系统一般由机械泵和扩散泵组成，以提供和维持镀膜室内的真空度，电气系统用于向设备提供相应的电力供应。现有技术的真空蒸镀设备只能制备真空蒸镀膜，而真空溅射设备只能制备出真空溅射膜。因此在进行研究或教学情况下的一些特殊场合下，例如某些特殊的制膜要求，要求在蒸发膜的上面再制备一层用真空溅射形成的膜时，只能在不同的设备中分别制备不同的薄膜，以满足特殊的要求。而在不同设备中分别制备不同薄膜时，需要重新建立真空工作条件，因此其能耗较高，效率较低。现有设备的另一个不足是当薄膜制备好后进行退火处理时，需将薄膜样品从镀膜室中取出，放置到另外的退火加热设备中进行退火处理，不仅效率低，能耗大，而且还会在一定程度上影响膜的性能；由于在一些情况下薄膜退火处理同样要求在真空条件下进行，因此也需要重新再建立真空工作条件。此外，现有制膜设备在工艺实施中无法观察到膜生长的情况，要掌握成膜的厚度一般是根据经验值控制成膜的工艺参数，如在真空蒸镀沉积成膜时，是通过根据经验控制蒸发源的蒸发温度和时间控制膜厚度的生长速度及膜可能形成的厚度，然后取出样品进行实际测量，得到成膜的真空厚度。可见，采用现有技术控制薄膜生长的厚度在实际的运用中很难掌握，而且效率十分低。

发明内容

本发明提供一种可克服现有技术不足，能在一台设备上分时实现真空蒸镀和真空溅射成膜的装置，并可以及时进行样品退火处理的设备，本发明的装置还可在成膜同时间接观察膜生长情况；同时本发明提供一种间接观察膜生长情况的方法。

本发明的薄膜制备装置由镀膜室、真空系统和电气系统组成，除镀膜室外，真空系统和电气系统与现有技术的设备是相同的。本发明的镀膜室由真空室壳体和位于镀膜室壳体下的底板构成，在镀膜室壳体上设置有充气阀和观察窗，在底座上分别设置有电阻加热蒸发器、辐射式坩锅蒸发加热器、用于溅射的靶、干涉光源、摄像头，以及用于设置固定可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器的机构，在底板上还设置有一个固定架，在固定架上设置有用旋转轴驱动的可转动托盘，在可转动托盘上有用于设置固定样片衬底加热器或可拆卸的辐射式坩锅蒸发器的机构，可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器由不锈钢制成的外壳、设置于不锈钢外壳内的环型石英加热管、设置于不锈钢外壳上顶的盖板，以及设置于盖板上的坩锅构成，在盖板上还设置有样片夹，样片退火加热器的下底设置有用于固定制膜样片的装置，可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器的外壳和样片退火加热器上还设置有用于与底板或可转动托盘联接的装置，在本发明中是在坩锅蒸发加热器的外壳和样片退火加热器上设置螺孔，用带螺纹的连杆与螺孔配合，再将螺杆固定于可转动托盘或底板上的孔中，实现对坩锅蒸发加热器的外壳和样片退火加热器的固定。样片退火加热器下底设置的用于固定制膜样片的装置可以是一个卡槽，也可以是用紧固件固定的夹片，或者是直接用于紧固的紧固件。

本发明的薄膜制备装置中所用的干涉光源为可发出紫外光的发光晶体管，且发光晶体管设置于摄像头旁边。

本发明的薄膜制备装置的镀膜室底板上还设置有转轴，转轴上设置有可转动的活动挡板。

本发明的薄膜中薄膜生长的观察方法是用紫外光均匀地照射在形成薄膜上，随成膜表面形成薄膜厚度增加，成膜表面逐渐出现带有颜色的干涉光斑，随所生成薄膜厚度增大，成膜发出的干涉光斑色泽逐渐改变并逐渐加深，根据所见干涉光斑颜色及色度的改变可以间接观察到薄膜生成的情况及其膜厚度的变化。

本发明进行成膜干涉观察时，使观察视线与薄膜平面间夹角成20至30度会有最佳的观察效果。

本发明装置的镀膜室中同时设置有电阻加热蒸发器、辐射式坩锅蒸发器、用于溅射沉积的溅射靶，显然，用本发明的装置可以分别进行真空蒸镀膜及真空溅射制膜的作业；另外由于本发明的装置中制膜样片，也就是基片，是被设置于样片衬底加热器下底上设置的用于固定制膜样品的装置中，因此当薄膜制备好后可以直接进行样品退火作业，因此用本发明的装置制备薄膜时不需要象现有技术那样，需要分别在不同的设备中进行作业，而且要分别在不同的设备中重复地再建立真空工作条件。

本发明中设置的电阻加热蒸发器是用钨丝或钼舟制作成蒸发源，使被蒸镀材料加热熔化达到蒸发，实现镀膜作业，其优点是结构简单，造价低廉，操作方便；同时本发明中还设置了辐射式坩锅蒸发器，这种蒸发方式，特别适合于粉末材料或者有机材料的蒸发，而且可以避免颗粒蒸发材料因蹦溅而产生的浪费，也可以通过在坩锅中先后放入不同的材料实现在样片上蒸镀或溅射不同材料层的多层薄膜，如电极—有机薄膜—电极—有机薄膜。

本发明的辐射式坩锅蒸发器结构有如下的优点：

1)在蒸发镀膜时，加热器可用做蒸发加热源；而在溅射时，它又可以作为加热器用做样片加热源，这样设计可以增强薄膜在样片上的附着力。

2)采用坩锅作为加热容器，其体积可以较小，而且其开口也小，能有效的减小蒸发过程中材料的浪费。

3)加热罩内放置的是一个环行石英辐射加热灯，在加热灯的照射下放置于坩埚中的有机材料可以均匀的被加热，能有效避免粉末材料的飞溅，使材料的蒸发速度稳定，成膜均匀。

4)在辐射式坩锅蒸发器中可以设置测温元件，这样可以控制不同材料的蒸发温度，优化制膜工艺。

5)在溅射时，将辐射式坩锅蒸发器安装固定于可转动托盘上，并将其运动到溅射靶上方，如此可适于对非玻璃的特种样片高温的加热和退火。

本发明的镀膜室底板上设置有转轴，在转轴上设置有可随其转动的活动挡板，在正式镀膜前，可将挡板转至蒸发源上面，使杂质和正常蒸镀条件建立前由蒸发器蒸发出的物质被挡板阻挡，避免这些物质在成膜表面上沉积，在正式镀膜开始后转动挡板，使其离开蒸发源，即可开始薄膜生长，直到所需要的薄膜厚度，这样就可保证镀膜的质量。

附图说明

图1为本发明的镀膜室剖面示意图，图2为辐射式坩锅蒸发器结构示意图，图3为样片退火加热器示意图，图4为溅射靶结构示意图，图5为带有干涉光源的摄像头结构示意图，图6至图9为不同成膜厚度时样片表面呈现的干涉环。

具体实施方式

本发明以下结合实施例与附图解说。

本发明的薄膜制备装置中真空系统和电气系统与现有技术是相同的，不再赘述，在此仅对本发明与现有技术不同的镀膜室进行解说。

附图1为本发明的镀膜室的实施例的剖面视图。其中：2是电阻加热蒸发器，3是摄像头，4是位于摄像头旁的干涉光源，14用于设置旋转挡板的转轴(设于其上的挡板未表示出来)，15是溅射靶阳极，16是溅射靶阴极。所述这些装置均设置于镀膜室的底板1上。另外，由图1可见辐射式坩锅蒸发加热器13通过其下底所设的连杆固定于底板1上。在底板1上还设置有一个固定架8。在固定架8上设置有用旋转轴10驱动的旋转托盘9，在旋转托盘9上用连杆固定着样片衬底加热器12。样片衬底加热器12的下底30设置有用于固定制膜样片卡槽29，参见附图3。旋转托盘9通过旋转轴10的驱动进行转动，使位于样片衬底加热器12下的成膜样片(也就是基片)处于蒸发器2、13或溅射靶16的上方，以实现不同的蒸镀成膜或溅射成膜。从图1中可见，底板1上还设置有转轴14。转轴14上设置有可转动的活动挡板，在本发明中挡板随转轴的转动而转动，可分别处于蒸发器2、13或溅射靶16上方，在磁控溅射时，只要将挡板移开溅射靶的电离区域就可以了，以免挡板在电离之间造成短路。在图1中未画出挡板。本发明中的旋转轴10和转轴14均设置于真空室内，并通过设置于真空室的伺服电机驱动，因此在镀膜真空环境下旋转轴10和转轴14均可以自由转动，并带动所驱动的旋转托盘9或挡板转动到适当的位置。从图1中还可见，在壳体7上还设有充气阀6和观察窗11。本发明的摄像头3的仰角可以转动，用以调整视线与样片间的夹角，显然在进行这一调整时，干涉光源的射线角度也同时被调整。

图2为本发明的辐射式坩锅蒸发器13的结构示意图，其具体结构是在用不锈钢板经车削制成加热器的外罩24，在外罩24的上方设置一个盖板20，盖板20的中心开有一圆孔用于放置石英坩锅21，在盖板20的四周还固定有四只样片夹22，用以夹住不同大小的高温退火样片或者溅射样品。在外罩24内固定一个环行的石英辐射加热管19。外罩24上设置有与盖板22上定位销23相配合的卡槽25。图中的17为加热管19的电源接头。另外还设置有测温热电偶18和用于固定的支脚26。采用辐射式加热器的设计有如下的优点：

a在蒸发镀膜时这个加热器可用于蒸发加热源；

b在溅射时，将辐射加热器13从底板1拆下，换装固定于可运动托盘9上，再转动托盘9使其对准溅射靶的上方，可达到非玻璃的特种样片溅射加热和退火所需的温度；

c可用做样片加热源，这样设计可以增强薄膜在样片上的附着力；

d采用特制的石英坩锅作为加热容器，其不但比小烧杯坚固导热性能好，而且体积小开口也小能有效的减小蒸发过程中材料的浪费；

e加热罩内放置的是一个环行石英辐射加热灯，在加热灯的照射下装在透明石英坩埚中的有机材料可以均匀的被加热，能有效避免粉末材料的飞溅，因此材料的蒸发速度稳定，成膜均匀；

f加热器采用变压器与高压隔离的供电方式，因此调节电压控制温度时，可以避免高压产生的辉光放电使加热器短路。

本发明的样片衬底加热器的结构如图3所示。样片衬底加热器也是采用不锈钢结构，其上部由不锈钢板围成如图示带有内部空腔的结构。在空腔结构的内部安装有四支石英加热管28，27为加热管固定位孔，在石英管的下部为不锈钢制成的衬底30，其边缘带有卡槽29用于放置样片，也就是制备薄膜的基片。在制膜作业时固定于卡槽29中的样片表面可沉积出薄膜，在蒸镀结束以后可在制膜的真空环境下对样片进行退火处理，这样不但节约了能源，还避免了传统工艺过程对样片造成的过度氧化。

图4中31是永磁材料，32是溅射阳极，33是阴极，34是由绝缘材料制成的绝缘环，35是阳极。

本发明的摄像头和干涉光源见图5，这一结构可在薄膜生长过程间接观察膜生长的情况。图中36为紫外发光二极管，37是凸透镜，38是可发出可见光的发光二极管，39是聚集光圈，40为镜头的内腔，41是显像芯片，42是摄像镜头。由于本发明中还设置了可见光的二极管38，因此还可适于观察一些在可见光下可产生干涉现象的薄膜。需说明的是摄像镜头的仰角可以进行调整，以方便对样片表面产生的干涉环进行观察。

本发明的装置一个制膜过程简述如下：

a将处理好的基片放置于样片衬底加热器12上，并用卡槽29将基片约束，使基片转至位于电阻式蒸发源2的上方，当真空度达到10^-3pa时，用电阻式蒸发铝电极，用膜厚仪5进行测量，达到所需要的厚度时蒸发结束。

b通过伺服电机使旋转轴10转动，并带动旋转托盘9转动，使固定于旋转托盘9上的衬底加热器12上的基片对准磁控溅射靶上方时，开始通气，由阀6控制进气流量，升高电压使电子被加速至阳极，途中产生新的解离。离子被加速至阴极撞击靶材，靶材粒子及二次電子被击出，前者到达基板表面沉积形成薄膜并成長，而后者被加速至阳极途中促成更多的解离。当膜厚仪测得厚度达到时，停止溅射。通过伺服电机使旋转托盘再次旋转并对准电阻式蒸发，蒸发制备出第二个铝电极膜层，当真空度达到10^-3pa时，蒸发1分钟后完成。

c通过伺服电机使旋转托盘再次旋转，直至对准辐射式蒸发器，进行另一次蒸发成膜作业。

如此便可完成多层膜的制备。在以上过程中，当蒸发加热器或辐射加热器等尚未达到工作温度时，应当先使挡板遮挡于其上，以避免在升温过程中蒸出的离子在基片表面沉积，影响成膜的质量。而当蒸发加热器或辐射加热器等达到工作温度后，即可将挡板移开，进行正常的成膜沉积。

在对非玻璃的特种样片进行溅射镀膜时，应将辐射式坩锅蒸发加热器13改装于可转动托盘9上。

在这上述过程中可用摄像头观察到在光源(紫外光源或可见光光源)照射下在膜表面形成的干涉膜。

以下提供一个制备有机金属配合物的实例，并通过这一实例解说观察薄膜生长情况的做法。

本实施例中制备的薄膜是八羟基喹啉类金属配合物，这种有机半导体薄膜具有较好的成膜特性。八羟基喹啉类金属配合物是一类非常重要的电致发光材料物质，既具有较高的玻璃化温度，本身又具有电子传输性，可以用真空蒸镀法生成质量很好的薄膜。八羟基喹啉镉(8-hydroxylquin-line cadmium，Cdq₂)是一种重要的单极型电子传输材料，本发明以八羟基喹啉镉为原料，通过真空蒸镀法制备了衬底温度不同的Cdq₂薄膜。其具体的做法是：首先将玻璃衬底在去离子水、乙醇、丙酮中用超声波清洗机各清洗30分钟，烘干以后就得到了洁净的玻璃衬底。然后在这样的衬底上用真空热蒸发的方法镀上一层Cdq₂薄膜，在此过程中真空室内的真空度始终保持在(4～5)×10^-3pa，Cdq₂药品的温度保持在蒸发温度170℃左右，蒸镀时间为20min。在上述的真空和温度环境中，我们分别制得了衬底温度为45℃、65℃和85℃的有机纳米薄膜。蒸镀完成以后，衬底加热器保持150℃进行退火处理。Cdq₂材料采用Cdq₂粗品经过多次升华提纯得到的高纯度Cdq₂粉末，纯度达到99.9％以上。蒸发所用坩埚采用直径5cm的圆形特制的石英坩埚。

在上述蒸镀的过程中，调整摄像头，使其视线(也就是摄像头的光轴)与样片薄膜平面间夹角成20至30度，同时用摄像头旁的紫外线光源倾斜照射到样片，以观察成膜情况。实验表明，当视线与样片薄膜平面间夹角在20至30度以外时，其观察的效果很差。

当坩埚加热到有机发光材料温度达到蒸发温度时，先将挡板从坩锅上移开，同时打开辐射光源，使紫外光照射到样片成膜表面，因为是不可见光，所以表面是一片漆黑。当开始蒸发时，样品表面薄膜辐射出淡绿色光。随着厚度的不断增加，薄膜发出的光逐渐变成淡黄色，但其发光面积不大。当薄膜较厚(约20nm以上)时，薄膜表面呈米黄色。为了对表面薄膜厚度的估测，我们制备了一系列厚度不同的薄膜并记录在紫外线照射下观察到的表面发光情况，然后用激光偏振测厚仪分别测量了厚度，并制成表格。在蒸发镀膜时，就可以根据紫外线下观察到的，薄膜表面发光情况来估测薄膜的厚度。如果以上观察是用普通光线照射时，因为膜层很薄，仅为20nm，会看不到表面膜层的存在，既是用薄膜测厚仪监测，误差范围也超过了10nm。图6至9给出了不同厚度时所观察到的情况。随着厚度的不断增加，薄膜发出的光逐渐变成淡黄色，但其发光面积不大。当薄膜较厚(约20nm以上)时，薄膜表面呈米黄色。根据这些特性，可以根据紫外线下观察到的薄膜表面发光情况来估测薄膜的厚度。从图6的发光膜图形中可以看出，这时的薄膜厚度均匀，中间发棕色部分是因为加温速度过快所致，此时的膜厚度实测值约为20nm。图7图形中心呈绿色，它是第2层次薄膜形成时正好掩盖在第1层薄膜之中，此时实测的膜厚度约为30nm。在图8的图形中又是因温度控制过急，使得第三层薄膜呈棕黑色，此时的膜厚度实测值约为40nm。图9的图形中形成多层薄膜迭加层次分明，发光面清晰干涉环，其中心最厚处达800A，靠近边缘最薄，此时的膜厚度实测值约为80nm。由这一结果可见本发明的这种方法可以间接获得薄膜厚度的信息。

Claims

1.薄膜制备装置，包括镀膜室、真空系统和电气系统，其特征是镀膜室由真空室壳体和位于镀膜室壳体下的底板构成，在镀膜室壳体上设置有充气阀和观察窗，在底座上分别设置有电阻加热蒸发器、辐射式坩锅蒸发加热器、用于溅射的靶、干涉光源、摄像头，以及用于设置固定可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器的机构，在底板上还设置有一个固定架，在固定架上设置有用旋转轴驱动的可转动托盘，在可转动托盘上有用于设置固定样片衬底加热器或可拆卸的辐射式坩锅蒸发器的机构，可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器由不锈钢制成的外壳、设置于不锈钢外壳内的环型石英加热管、设置于不锈钢外壳上顶的盖板，以及设置于盖板上的坩锅构成，在盖板上还设置有样片夹，样片退火加热器的下底设置有用于固定制膜样片的装置，可拆卸的辐射式坩锅蒸发加热器的外壳和样片退火加热器上还设置有用于与底板或可转动托盘联接的装置。

2.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征是所用的干涉光源为可发出紫外光的发光晶体管，且发光晶体管设置于摄像头旁边。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜制备装置，其特征在于镀膜室的底板上还设置有转轴，转轴上设置有可转动的活动挡板。

4.薄膜制备过程中薄膜生长的观察方法，其特征在于用紫外光均匀地照射在形成薄膜上，随成膜表面形成薄膜厚度增加，成膜表面逐渐出现淡绿色的干涉光斑，并随所生成薄膜厚度增大，成膜发出的干涉光斑色泽逐渐改变并逐渐加深，根据所见干涉光斑颜色及色度的改变间接观察出薄膜生成的情况及厚度。

5.根据权利要求5所述的薄膜制备过程中薄膜生长的观察方法，其特征是用应使观察视线与薄膜平面间夹角成20至30度。