光學(xué)薄膜技術(shù)第三章薄膜制造技術(shù)

1、-作者xxxx-日期xxxx光學(xué)薄膜技術(shù)第三章 薄膜制造技術(shù)【精品文檔】第三章 薄膜制造技術(shù) 光學(xué)薄膜可以采用物理汽相沉積（PVD)和化學(xué)液相沉積（CLD)兩種工藝來獲得。CLD工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強(qiáng)度差，較難獲得多層膜，廢水廢氣對(duì)環(huán)境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空鍍膜機(jī)，制造成本高，但膜層厚度能夠精確控制，膜層強(qiáng)度好，目前已廣泛使用。 PVD分為熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍、及離子輔助鍍等。制作薄膜所必需的有關(guān)真空設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)用物理方法制作薄膜，概括起來就是給制作薄膜的物質(zhì)加上熱能或動(dòng)量，使它分解為原子、分子或少數(shù)幾個(gè)原子、分子的集合體（從廣義來說，就是使

2、其蒸發(fā)），并使它們?cè)谄渌恢弥匦陆Y(jié)合或凝聚。在這個(gè)過程中，如果大氣與蒸發(fā)中的物質(zhì)同時(shí)存在，那就會(huì)產(chǎn)生如下一些問題：蒸發(fā)物質(zhì)的直線前進(jìn)受妨礙而形成霧狀微粒，難以制得均勻平整的薄膜；空氣分子進(jìn)入薄膜而形成雜質(zhì)；空氣中的活性分子與薄膜形成化合物；蒸發(fā)用的加熱器及蒸發(fā)物質(zhì)等與空氣分子發(fā)生反應(yīng)形成化合物，從而不能進(jìn)行正常的蒸發(fā)等等。因此，必須把空氣分子從制作薄膜的設(shè)備中排除出去，這個(gè)過程稱為抽氣?？諝鈮毫Φ陀谝粋€(gè)大氣壓的狀態(tài)稱為真空，而把產(chǎn)生真空的裝置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在內(nèi)的設(shè)備叫做真空設(shè)備。制作薄膜最重要的裝備是真空設(shè)備真空設(shè)備大致可分為兩類：高真空設(shè)備和超高真

3、空設(shè)備。二者真空度不同，這兩種真空設(shè)備的抽氣系統(tǒng)基本上是相同的，但所用的真空泵和真空閥不同，而且用于真空室和抽氣系統(tǒng)的材料也不同，下圖是典型的高真空設(shè)備的原理圖，制作薄膜所用的高真空設(shè)備大多都屬于這一類。下圖是超高真空設(shè)備的原理圖，在原理上，它與高真空設(shè)備沒有什么不同，但是，為了稍稍改善抽氣時(shí)空氣的流動(dòng)性，超高真空設(shè)備不太使用管子，多數(shù)將超高真空用的真空泵直接與真空室連接，一般還要裝上輔助真空泵（如鈦吸氣泵）來輔助超高真空泵。3.1 高真空鍍膜機(jī) 現(xiàn)代的光學(xué)薄膜制備都是在真空下獲得的。普通所說的真空鍍膜，基本都是在高真空中進(jìn)行的。先進(jìn)行(1)然后進(jìn)行(2)。因?yàn)樗械模ǔ└哒婵毡弥挥性谡婵帐?/p>

4、的壓力降低到一定程度時(shí)才能進(jìn)行工作，而且在高真空泵（如油擴(kuò)散泵）中，要把空氣之類的分子排出，就必須使排氣口的氣體壓力降低到一定程度。小型鍍膜機(jī)的真空系統(tǒng)低真空機(jī)械泵+高真空油擴(kuò)散泵+低溫冷阱低真空機(jī)械泵先將真空室抽到5pa的低真空，為后續(xù)抽真空提供前提條件；機(jī)械泵與油擴(kuò)散泵組成串聯(lián)機(jī)組，可將真空室抽到10-3 pa的高真空。大型鍍膜機(jī)高真空油擴(kuò)散泵+低真空機(jī)械泵+羅茨泵+低溫冷阱羅茨泵作為提高抽氣速度、壓縮抽真空時(shí)間、提高生產(chǎn)效率的輔助真空泵。無油真空系統(tǒng)高真空低溫冷凝泵+低真空機(jī)械泵低溫冷凝泵的最大優(yōu)點(diǎn)是無油，有效避免了油擴(kuò)散泵的油污染問題。膜層更牢固。2、熱蒸發(fā)系統(tǒng)電阻熱蒸發(fā)電極兩對(duì)、電子

5、束蒸發(fā)源一個(gè)或兩個(gè)。電阻熱蒸發(fā)電極用于蒸發(fā)低熔點(diǎn)材料；電子束蒸發(fā)源用于蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料。3、膜層厚度控制系統(tǒng) 石英晶體膜厚儀基于石英晶體振蕩頻率隨膜層厚度的增加而衰減的原理進(jìn)行測(cè)厚，測(cè)的是膜 層的幾何厚度。 光電膜厚儀以被鍍零件的光透射或反射信號(hào)隨膜層厚度的變化值作為測(cè)量厚度的依據(jù)，測(cè)的是膜 層的光學(xué)厚度。靈敏度較低。 3.2 真空與物理汽相沉積 用物理方法制作薄膜，概括起來就是給薄膜材料加上熱能或動(dòng)量，使它們蒸發(fā)，并在其他位置重新結(jié)合或凝聚。PVD設(shè)備被稱做真空鍍膜機(jī)。這些設(shè)備的共同突出的特點(diǎn)就是需要高真空。3.2.1 PVD 與真空 1、熱蒸發(fā)工藝過程 光學(xué)薄膜的淀積中用得最多的是熱蒸發(fā)法。

6、它的基本原理是把被蒸發(fā)材料加熱到蒸發(fā)溫度，使之揮發(fā)淀積到放置在工件架上的零件表面，形成所需要的膜層。見右圖1一般運(yùn)用的加熱方式主要有電流加熱、高頻加熱和電子束加熱。2、大氣PVD存在的問題 常壓時(shí)，氣體分子密度太高，進(jìn)入膜層成為雜質(zhì)。蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達(dá)被鍍件。 3、真空PVD的優(yōu)點(diǎn) 氣體分子的平均自由行程大于蒸發(fā)源到被鍍件之間的距離。被鍍膜層材料在高真空條件下容易蒸發(fā)，容易獲得高純膜，膜層堅(jiān)硬，成膜速度快。 3.2.2 真空與壓強(qiáng) 所謂“真空”，是指在給定的空間內(nèi)，壓強(qiáng)低于101325帕斯卡(也即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)約101KPa)的氣體狀態(tài)，并非一無所有。處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程

7、度，通常用“真空度”來表示。 “真空度”顧名思義就是真空的程度。是真空泵等抽真空設(shè)備的一個(gè)主要參數(shù)。 真空度的計(jì)量采用與壓強(qiáng)相同的方法和單位。 高真空度低壓強(qiáng)；低真空度高壓強(qiáng)壓強(qiáng)單位：Pa（帕斯卡 Pascall），簡(jiǎn)稱“帕” 1(atm)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=101325Pa真空在薄膜制備中的作用主要有二個(gè)方面： 一是減少蒸發(fā)材料的分子與殘余氣體分子的碰撞，這樣才能將分子在蒸發(fā)過程中所得到的動(dòng)能，全部轉(zhuǎn)換成與基板的結(jié)合能，以得到牢固的光學(xué)薄膜。 二是抑制蒸發(fā)材料的分子與真空室中殘余氣體之間的反應(yīng)。3.2.3 PVD所需真空度 基本確定原則：氣體分子的平均自由程大于蒸發(fā)源到被鍍件之間的距

8、離d。即膜料蒸汽的每一個(gè)分子都無碰撞地噴鍍到零件表面。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)d=1m時(shí)，真空度p=710-3Pa， 但此時(shí)的碰撞概率為63%。規(guī)定：碰撞概率10%；計(jì)算：真空度p710-4 Pa大多數(shù)鍍膜機(jī)的d=0.5m，所以光學(xué)鍍膜機(jī)的真空度指標(biāo)設(shè)定為 10-3 Pa這時(shí)才能有效地減少碰撞現(xiàn)象的產(chǎn)生。3.3 真空的獲得與檢驗(yàn)真空泵是獲得真空的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)中獲得真空的設(shè)備主要有以下幾種：機(jī)械泵羅茨泵油擴(kuò)散泵分子泵冷凝泵等。 3.3.1 真空泵1、真空與真空泵抽真空抽出容器內(nèi)的氣體，獲得真空狀態(tài)的過程或動(dòng)作。真空泵用于抽出容器內(nèi)氣體的機(jī)器。2、常見真空泵類型分類 氣體傳輸泵能使氣體不斷吸入和排

9、出而達(dá)到抽氣的目的。如油封旋片式機(jī)械泵、羅茨泵。 氣體捕集泵利用泵體、工作物質(zhì)對(duì)氣體分子的吸附和凝結(jié)作用抽出容器內(nèi)的氣體。如低溫泵、吸附泵。各種真空泵的工作范圍 實(shí)際上能夠直接用于抽大氣并向大氣中排氣的真空泵只有機(jī)械泵。而單獨(dú)使用機(jī)械泵只能獲得低真空。因此，鍍膜機(jī)的真空機(jī)組最少需要兩個(gè)真空泵形成接力式真空機(jī)組，才能獲得所需要的高真空度。 3、旋片式機(jī)械泵 機(jī)械泵是采用旋片式的轉(zhuǎn)子和定子組成，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，不斷地進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣的循環(huán)過程，使連到機(jī)械泵的真空室獲得真空。油的作用：它有潤滑和密封的作用，排氣閥及其下部的泵體空腔用密封油密封，機(jī)械泵的密封油即機(jī)械泵油，它是一種礦物油。4、油擴(kuò)散

10、泵 典型的高真空泵在圓柱狀的筒內(nèi)安裝著三級(jí)噴嘴，圓筒下部的油用裝在下面的電爐加熱蒸發(fā)，使氣壓達(dá)到1托左右，然后從三個(gè)噴嘴向出氣口的方向噴射。從進(jìn)氣口擴(kuò)散來的空氣分子被卷進(jìn)噴射的油蒸氣中而向著出氣口方向加速前進(jìn)。被與排氣口連接的機(jī)械泵抽走。雖然油蒸氣流的大部分沖向出氣口，但還是有一部分沖向進(jìn)氣口，因此，在擴(kuò)散泵的進(jìn)氣口一般要安裝水冷擋板或者液態(tài)氮捕集器，使油蒸氣冷凝，以減少油蒸氣向真空室中擴(kuò)散。用于噴射的油，在高溫時(shí)一接觸大量的空氣就容易變質(zhì)。即使在常溫下，如果長時(shí)間接觸一個(gè)氣壓的空氣，也會(huì)因吸收空氣中的水分等而使泵的性能下降。因此，在油擴(kuò)散泵不工作時(shí)，一定要關(guān)閉進(jìn)氣口和出氣口的閥門，以盡量使內(nèi)

11、部保持良好的真空狀態(tài)。5、羅茨泵 提高由機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵組成的真空機(jī)組的抽氣速度。在較寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)有較快的抽速；啟動(dòng)快，能立即工作；對(duì)被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動(dòng)小，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡條件好，沒有排氣閥；驅(qū)動(dòng)功率小，機(jī)械摩擦損失小結(jié)構(gòu)緊湊。 羅茨泵在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對(duì)平行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間v內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 在一根軸上安有35級(jí)的羅茨型轉(zhuǎn)子, 它為三級(jí)羅茨泵

12、的構(gòu)造, 各級(jí)轉(zhuǎn)子由中間壁來隔離, 形成各級(jí)的泵腔,上一級(jí)的排氣口連到下一級(jí)的進(jìn)氣口,各級(jí)串聯(lián)應(yīng)用,各級(jí)轉(zhuǎn)子的直徑和形狀是相同的, 而各級(jí)轉(zhuǎn)子的寬度有時(shí)是不同的。 3.3.2 低溫冷凝泵低溫冷凝泵是一種利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的真空泵抽氣原理: 在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，從而達(dá)到抽氣作用。低溫抽氣的主要作用是低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集。 低溫冷凝：氣體分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的氣體層上；抽氫時(shí)，冷板溫度比抽空氣時(shí)更低。低溫冷凝抽氣冷凝層厚度可達(dá)10毫米左右。低溫吸附：氣體分子以一個(gè)單分子層厚被吸附到涂在冷板上的吸附劑表面上。吸附的平衡壓力

13、比相同溫度下的蒸氣壓力低得多。 低溫捕集：在抽氣溫度下不能冷凝的氣體分子，被不斷增長的可冷凝氣體層埋葬和吸附。 由于泵的冷表面可以直接放入需抽真空的空間，甚至是真空空間的一個(gè)組成部分，所以它不需用管道連接，冷凝板的面積可做得很大，具有很大的抽氣速率，是一般的擴(kuò)散泵難以達(dá)到的。低溫冷凝泵的特點(diǎn)：真正的無油真空泵：低溫冷凝，保持真空，無污染；抽速大：特別對(duì)H2O、H2等氣體抽速很大；運(yùn)行費(fèi)用低：只需電和冷卻水，不需液氮等低溫液體適應(yīng)性強(qiáng)：無運(yùn)動(dòng)部件，不受外界干擾；可以安裝在任何方位；運(yùn)動(dòng)部件少且低速運(yùn)行，壽命長；達(dá)到10-7 Pa的極限真空度，部分可達(dá)到10-9 Pa的極限真空度。3.3.3 PV

14、D使用的高真空系統(tǒng) 3.3.4 真空度的檢測(cè)真空度以殘余氣體的壓力表示。真空度是用真空計(jì)進(jìn)行測(cè)量的，但是，被測(cè)量的真空度不同，必須采用不同的真空計(jì)。在一般的真空設(shè)備中，通常附有2-3個(gè)真空計(jì)。1、熱電偶真空計(jì)原理：通過熱電偶中熱絲的溫度與壓強(qiáng)的關(guān)系確定真空度。 熱絲3的溫度隨著規(guī)管內(nèi)真空度的提高而升高。測(cè)量范圍：0.1313pa優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量的壓強(qiáng)是被測(cè)容器的真實(shí)壓強(qiáng)；能連續(xù)測(cè)量，并能遠(yuǎn)距離讀數(shù)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造；即使突然遇到氣壓急劇升高，也不會(huì)燒毀。缺點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線因氣體種類而異；讀數(shù)滯后；受外界影響大；老化現(xiàn)象嚴(yán)重，必須經(jīng)常校準(zhǔn)。2、熱陰極電離真空計(jì)（高真空測(cè)量）熱陰極電離真空計(jì)，在一般的真空

15、設(shè)備中可以說是幾乎不可缺少的真空計(jì)，從10-1Pa到l0-5Pa的真空，它都能比較精確地測(cè)量。 工作原理電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級(jí)電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù)，正比于氣體密度n,在一定溫度下正比于氣體的壓力p?？筛鶕?jù)離子電流的大小指示真空度。測(cè)量范圍：0.1110-5Pa關(guān)于這種真空計(jì)應(yīng)該注意的是：由于真空計(jì)工作時(shí)燈絲處于加熱狀態(tài)，所以，如果它在加熱狀態(tài)下使用于差的真空狀態(tài)或者誤入空氣，燈絲就會(huì)因氧化而燒斷。蒸發(fā)系統(tǒng)：熱蒸發(fā);濺射;離子鍍;離子輔助蒸發(fā)3.4 熱蒸發(fā)真空蒸鍍法是法拉第在1

16、857年首創(chuàng)的，這是最簡(jiǎn)便的薄膜制作方法，也是實(shí)驗(yàn)室中最普及的方法，真空蒸鍍法原理簡(jiǎn)單，只要在真空中把制造薄膜的物質(zhì)加熱蒸發(fā)并使其蒸氣附著在基底或工件的表面上就行了。蒸發(fā)的過程就是熱交換過程，用這種方法制作的薄膜稱為真空蒸鍍薄膜。真空蒸鍍法的優(yōu)點(diǎn)是：(l)整個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；(2)許多物質(zhì)都可以容易地用真空蒸鍍法蒸鍍；(3)薄膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，可容易地用晶核的形成和生長理論來解釋；(4)由于制作薄膜時(shí)熱和電的干擾小，所以適用于薄膜形成時(shí)薄膜物理性質(zhì)的研究；(5)能制作具有與主體材料不同成分比的化合物，也能制作具有與主體材料不同晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。真空蒸鍍法的缺點(diǎn)：(1)薄膜與基片表面之間的

17、結(jié)合力一般是比較弱的；(2)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)敏感的一些性質(zhì)，再現(xiàn)性差，可靠性差，無論用什么方法來制作薄膜這一問題都存在，然而真空蒸鍍的薄膜卻特別突出；(3)高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸氣壓物質(zhì)的真空蒸鍍膜是很難制作的，特別是經(jīng)常使用的鉑和鉭等物質(zhì)很難用真空蒸鍍法來制作薄膜；(4)蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝材料也或多或少地一起蒸發(fā)，從而混入薄膜中成為雜質(zhì)。此外，真空設(shè)備中的殘余氣體分子也會(huì)進(jìn)入薄膜成為雜質(zhì)。蒸發(fā)材料的基本加熱裝置蒸發(fā)源所謂真空鍍膜就是在真空中把制造薄膜的物質(zhì)加熱，使其蒸發(fā)，讓蒸發(fā)物在基底或工件表面上附著的過程，因此，它所需要的基本裝置就是真空裝置、加熱裝置（蒸發(fā)源）及附著面（基片表面）。真空蒸鍍法的特點(diǎn)就是需

18、要蒸鍍材料的加熱裝置。在真空中加熱物質(zhì)的方法，有電阻加熱法、電子轟擊法等等，此外還有高頻感應(yīng)加熱法，但由于高頻感應(yīng)加熱法所需的設(shè)備龐大，很少采用。1、電阻加熱源由于電阻加熱法很簡(jiǎn)單，所以是很普及的方法。把薄片狀或線狀的高熔點(diǎn)金屬（經(jīng)常使用的是鎢、鉬、鈦）做成舟箔或絲狀的蒸發(fā)源，裝上蒸鍍材料，或用坩堝裝上蒸鍍材料，讓電流通過蒸發(fā)源加熱蒸鍍材料使其蒸發(fā)，這就是電阻加熱法。電阻加熱源主要用于蒸發(fā)Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、操作方便。缺點(diǎn)：不能蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料；膜料容易熱分解；膜料粒子初始動(dòng)能低，膜層填充密度低，機(jī)械強(qiáng)度差。蒸發(fā)源做成什么形狀？蒸發(fā)源的形態(tài)一

19、般有螺線形、舟形、盒形、坩堝形等等。螺線形蒸發(fā)源:螺線形是線狀蒸發(fā)源所采用的形狀。把直徑為0.30.5毫米的金屬線或多股金屬線（鎢是最硬的材料，容易整形但質(zhì)脆；鉭是非常容易加工的材料）卷在木螺絲之類的模子上，做成螺線狀的籠形線圈。這種蒸發(fā)源也有市售商品，但自己制作是很容易的。加熱電流用20安，采用這樣的電流就是高熔點(diǎn)金屬線也很容易蒸鍍，當(dāng)薄膜材料做成粒狀或線狀時(shí)，通常就使用這種方法蒸鍍。舟形蒸發(fā)源:因?yàn)樵诼菥€形蒸發(fā)源中薄膜材料是在整個(gè)空間蒸發(fā)的，所以薄膜材料的損耗大，而且粉末狀的薄膜材料也不能裝在螺線中。與此相反，舟形蒸發(fā)源的蒸發(fā)方向被限制在半個(gè)空間中，而且，不論何種形態(tài)的薄膜材料都可以裝入舟

20、形蒸發(fā)源中，因?yàn)橹坌握舭l(fā)源是通過使金屬片變形而做成的，所以可制成各種各樣形狀。這種形式的蒸發(fā)源，薄膜材料只能從下向上蒸發(fā)。此外，由于加熱所需的電流也有超過100安的，所以需要特殊的變壓器。盒形蒸發(fā)源:當(dāng)薄膜材料是很細(xì)的粉末時(shí)，因粉末中含有空氣，所以在真空抽氣和加熱時(shí)，粉末會(huì)向上飛濺或者成顆粒狀飛出。為了使這種粉末狀材料均勻地以分子狀態(tài)蒸發(fā)，可采用盒形蒸發(fā)源。這種蒸發(fā)源的加熱器是一個(gè)網(wǎng)格狀的圓筒，為減少熱損失，在圓筒外側(cè)設(shè)有兩個(gè)隔熱圓筒，在加熱器和第一隔熱圓筒之間裝人薄膜材料，這樣就可以避免材料迸起而飛出蒸發(fā)源。假如是金屬之類的薄膜材料，也可以放在加熱器圓筒的內(nèi)側(cè)，但重要的是不能破壞溫度的均勻性

21、。2、電子束加熱源在電阻加熱法中薄膜材料與蒸發(fā)源材料是直接接觸的，因此該方法存在如下問題：因蒸發(fā)源材料的溫度高于薄膜材料而成為雜質(zhì)混入薄膜材料，薄膜材料與蒸發(fā)源材料發(fā)生反應(yīng)以及薄膜材料的蒸鍍受蒸發(fā)源材料熔點(diǎn)的限制（高熔點(diǎn)的氧化物材料，蒸發(fā)溫度在2000以上）等等。用電子槍來加熱蒸發(fā)可以避免這些問題。將電子集中轟擊薄膜材料的一部分而進(jìn)行加熱的方法?，F(xiàn)在一般采用e型電子槍。電子束加熱法的基本原理是：當(dāng)電子槍燈絲經(jīng)高溫加熱后，產(chǎn)生熱電子發(fā)射，這些熱發(fā)射電子經(jīng)陰極（燈絲）和陽極之間的高壓電場(chǎng)加速，并聚焦成束，在線圈磁場(chǎng)的作用下，電子束產(chǎn)生270角的偏轉(zhuǎn)到達(dá)坩堝蒸發(fā)源材料的表面，使電子束所帶有的巨大的動(dòng)

22、能轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)材料進(jìn)行迅速加熱，造成局部高溫而汽化蒸發(fā)，這種電子槍因電子束軌跡成e型，因而得名為e型電子槍。e型電子槍的電子束對(duì)材料加熱蒸發(fā)時(shí)，其能量密度很大，蒸汽分子動(dòng)能迅速增加，所以它能得到比電阻加熱法更牢固，更致蜜的膜層。另外，可以在X軸方向和Y軸方向附加二個(gè)交變的磁場(chǎng)，則可使電子束在材料表面一定的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。可避免材料“挖坑”現(xiàn)象的產(chǎn)生，使蒸發(fā)速率處于平穩(wěn)狀態(tài)。特點(diǎn)： 可蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料；膜料容易熱分解；膜料粒子初始動(dòng)能高，膜層填充密度高，機(jī)械強(qiáng)度好。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，大多數(shù)材料都可以作為膜層材料蒸發(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

23、物膜。 3.5 濺射什么是濺射？ 用高速正離子轟擊膜料（靶）表面，通過動(dòng)量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動(dòng)能而從靶表面逸出（濺射），在被鍍零件表面凝聚成膜。通常將欲沉積的材料制成板材靶,固定在陰極上?；糜谡龑?duì)靶面的陽極上,距靶幾厘米。系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣，在陰極和陽極間加幾千伏電壓，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。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,可濺射一些難熔物質(zhì)。3.5.1 輝光放電濺射1、輝光放電： 輝光放電是在真空度約為10-310-4Pa的真空中，在兩個(gè)電

24、極之間加上高電壓時(shí)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。利用電極間的輝光放電進(jìn)行濺射。氣體放電的典型應(yīng)用：正常輝光放電用于離子源。增大電流時(shí)，離子濃度增加，而電壓不變，離子能量不變。反常輝光放電用于濺射。電流電壓可調(diào)，方便成膜速率和轟擊能量的控制。弧光放電用于弧源離子鍍。一源同時(shí)完成快速成膜和離子轟擊雙重功能。低頻交流輝光放電 兩靶交替成為陰陽極，用于零件雙面同時(shí)鍍膜。 2、射頻輝光放電極間電壓變化頻率超過10MHz時(shí)，電場(chǎng)能夠通過任何一種類型的阻抗耦合進(jìn)去，電極不再要求一定是導(dǎo)體。因此，可用于濺射任意一種材料。即可以濺射非金屬靶，又可以在絕緣體上鍍膜。3、濺射方式：（1）直流濺射又叫二極濺射或陰極濺射。把濺射室抽

25、真空至10-3 10-4 Pa后，充入惰性工作氣體（如Ar）至110-1 Pa，并在陰極上加數(shù)千伏的高壓，這時(shí)便出現(xiàn)輝光放電。離子向靶加速，通過動(dòng)量傳遞，靶材原子被濺出而淀積在基板上。直流濺射結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以長時(shí)間進(jìn)行濺射。缺點(diǎn)是：不能濺射介質(zhì)材料，濺射速率低，而且基板表面因受到電子轟擊而有較高的溫度，對(duì)不能承受高溫的基板應(yīng)用受到限制。(2)三極四極濺射 三極和四極濺射是為了克服二極直流濺射基片溫度升高的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。在這種系統(tǒng)中，等離子區(qū)由熱陰極和一個(gè)與靶無關(guān)的陽極來維持，而靶偏壓是獨(dú)立的，這樣便可大大降低靶電壓，并在較低的氣壓下（如10-1Pa）進(jìn)行放電。如果引入一個(gè)定向磁場(chǎng)，把等離子體聚成

26、一定的形狀，則電離效率將顯著提高，因此有時(shí)稱三極或四極濺射為等離子體濺射，從而使濺射速率從陰極濺射的80 nm/min提高到2000nm/min。此外，由于引起基板發(fā)熱的二次電子被磁場(chǎng)捕獲，避免了基板溫升。特點(diǎn)：熱陰極與陽極間的低壓大電流弧光放電形成等離子體，靶和基片雖置于等離子體邊緣，但不參與放電；靶上施加負(fù)偏壓，將離子從等離子體引向靶，形成濺射鍍。四極濺射相對(duì)三極濺射在熱陰極前增設(shè)了一個(gè)輔助陽極（圖中的柵極），有穩(wěn)定放電的作用。優(yōu)點(diǎn)：離子密度高，工作氣壓低，成膜速率快，基片溫升低。缺點(diǎn)：仍不能濺射介質(zhì)靶。(3)射頻濺射（又稱高頻濺射） 射頻濺射是為了克服直流濺射不能濺射介質(zhì)靶材的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)

27、的，靶材作為一個(gè)電極，其上施加高頻電壓，穿過靶的是位移電流。 前面的方法之所以不能用來濺射介質(zhì)絕緣材料，是因?yàn)檎x子打到靶材料上產(chǎn)生正電荷積累而使表面電位升高，致使正離子不能繼續(xù)轟擊靶材料而終止濺射。若在絕緣靶背面裝上一金屬電極，并施加頻率為530MHz的高頻電場(chǎng)，則濺射便可持續(xù)。高頻交流電場(chǎng)使靶交替地由離子和電子進(jìn)行轟擊，初看起來這似乎會(huì)使濺射速率減小一半，其實(shí)，它的濺射速率卻高于陰極濺射。為了說明這一點(diǎn)，假設(shè)等離子體電位為零，靶材料的電壓為VT，金屬電極的交流電壓為VM。電極在正半周時(shí)，因?yàn)殡娮雍苋菀走\(yùn)動(dòng)，VT和VM電極很快被充電；存負(fù)半周時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)相對(duì)于電子要慢得多，故被電子充電的電容

28、開始慢慢放電。若使基板為正電位時(shí)到達(dá)基板的電子數(shù)等于基板為負(fù)電位時(shí)到達(dá)基板的離子數(shù)，則靶材料有好長一段時(shí)間呈負(fù)性，或者說相當(dāng)于靶自動(dòng)地加了一個(gè)負(fù)偏壓Vb，于是靶材料能在正離子轟擊下進(jìn)行濺射。另一方面，電子在高頻電場(chǎng)中的振蕩增加了電離幾率。由于這兩個(gè)原因，使濺射速率提高。3.5.2 磁控濺射前面所述的濺射系統(tǒng)，主要缺點(diǎn)是濺射速率較低。為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射是在平行于陰極表面施加強(qiáng)磁場(chǎng)，將電子束約束在陰極靶材表面近域，提高氣體的電離效率。其濺射速率比三極濺射提高10倍左右。對(duì)許多材料，濺射速率達(dá)到了電子束的蒸發(fā)速率。通過更換不同材質(zhì)的靶和控制不同的濺射時(shí)間

29、，可以獲得不同材質(zhì)和不同厚度的薄膜。磁控濺射法具有鍍膜層與基材的結(jié)合力強(qiáng)、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。磁控濺射包括很多種類。各有不同工作原理和應(yīng)用對(duì)象。但有一共同點(diǎn)：利用磁場(chǎng)與電子交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運(yùn)行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)生的離子在電場(chǎng)作用下撞向靶面從而濺射出靶材。 1、常見結(jié)構(gòu)（1）被鍍件參與放電（陽極）型平面磁控濺射： 靶為平面陰極。永久磁鐵在靶表面形成磁場(chǎng)，它同靶與基板之間的高壓電場(chǎng)構(gòu)成正交電磁場(chǎng)。平行于陰極靶表面的磁場(chǎng)將電子約束在陰極靶表面附近，形成高密度的等離子體，有效地提高濺射速度，并減少了轟擊零件的電子數(shù)目，降低了零件因電子轟擊而溫升。磁控濺射

30、不僅可以得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時(shí)還可避免二次電子轟擊而使基板保持接近冷態(tài)，這對(duì)單晶和塑料基板具有重要的意義。磁控濺射可制備金屬膜和介質(zhì)膜。柱面磁控濺射：利用圓柱形磁控陰極實(shí)現(xiàn)濺射的技術(shù)，磁控源是關(guān)鍵部分，陰極在中心位置的叫磁控源；陽極在中心位置的叫反磁控源。 圓柱形磁控濺射既可以用于柱形零件的外表面濺射沉積，也可以用于管狀零件的內(nèi)表面濺射沉積，還可以用于大面積平面的均勻?yàn)R射沉積（柱面靶掃描濺射沉積）。（2）被鍍件不參與放電型 在磁控器內(nèi)，自設(shè)一個(gè)陽極，形成一個(gè)可獨(dú)立工作的濺射源。被鍍件獨(dú)立于濺射源之旁。2、磁控濺射特點(diǎn) (1)電場(chǎng)與磁場(chǎng)正交設(shè)置，約束電子在靶面近域，致使靶面近域有高

31、密度等離子體，濺射速率很高； (2)磁控濺射源相對(duì)被鍍件獨(dú)立，基片不再受電子轟擊而升溫，可對(duì)塑料等不耐高溫的基片實(shí)現(xiàn)濺射鍍； (3)磁控濺射源可以像熱蒸發(fā)源一樣使用，從而使被鍍件的形狀和位置不再受限制。3.5.3 離子束濺射用離子源發(fā)射的高能離子束直接轟擊靶材，使靶材濺射、沉積到零件表面成膜。離子束濺射淀積（IBS）技術(shù)是一種制備優(yōu)質(zhì)光學(xué)薄膜的重要方法，并在光通訊波分復(fù)用濾光片（DWDM濾光片）中得到重要的應(yīng)用。這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是運(yùn)用一個(gè)功率大的RF（射頻）離子源產(chǎn)生高密度的高能的離子去轟擊靶材。因此，可以在高真空條件下實(shí)施高速的濺射淀積，而輔助離子源用來改善薄膜結(jié)構(gòu)的致密度和生成氧化物的反應(yīng)度。這樣的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在低溫下（100）超低光學(xué)損耗（即超低的吸收損耗和散射損耗）超多層膜的制備。離子束濺射淀積特點(diǎn)：膜層附著力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密；離子束流能量可控性；濺射率與離子能量、離子束入射角有關(guān)；膜層應(yīng)力隨離子束參數(shù)改變而可調(diào)控。3.6 離子鍍 1、什么是離子鍍？ 蒸發(fā)