表面工程技術(shù)3物理氣相沉積

1、§3 物理氣相沉積§3.1 概述氣相沉積過程：1、供給氣相膜料2、膜料的輸運(yùn)3、薄膜的形成膜料輸運(yùn)到基片（襯底、基底、基體）上后沉積下來形成薄膜。氣相沉積分類：1、物理氣相沉積（PVD，Physical Vapor Deposition）2、化學(xué)氣相沉積（CVD，Chemical Vapor Deposition）PVD：沉積過程中沉積粒子通過蒸發(fā)、濺射等物理過程獲得。1、真空蒸鍍2、濺射鍍膜3、離子鍍CVD：氣態(tài)物質(zhì)在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底表面上生成所要的膜層。沉積過程中沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應(yīng)。§3.2 真空蒸鍍真空蒸鍍是在真空度大于10-

2、3Pa的真空條件下，采用各種形式的熱能轉(zhuǎn)換方式使鍍膜材料蒸發(fā)，產(chǎn)生具有一定能量的氣態(tài)粒子（原子、分子或原子團(tuán)），蒸發(fā)的氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)方式輸運(yùn)到基底，然后在基底上凝聚成薄膜。一、真空蒸鍍?cè)?、鍍膜材料的蒸發(fā)在真空室中，把鍍膜材料加熱，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟群蟊阌写罅吭踊蚍肿与x開膜料表面、被蒸發(fā)進(jìn)入氣相（成為蒸發(fā)原子或蒸發(fā)粒子）。2、蒸發(fā)原子/分子的輸運(yùn)真空室內(nèi)氣壓低，蒸發(fā)原子或分子幾乎不經(jīng)碰撞地徑直飛散，一部分輸運(yùn)到襯底表面，一部分沉積到真空室壁上。3、薄膜的形成蒸發(fā)原子/分子到達(dá)溫度相對(duì)較低的襯底表面時(shí)，凝結(jié)形成薄膜。二、蒸發(fā)溫度1、由于物質(zhì)的飽和蒸汽壓只與溫度有關(guān)，所以規(guī)定

3、：物質(zhì)的飽和蒸汽壓為1Pa時(shí)的溫度為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度（人為規(guī)定）。2、飽和蒸汽壓隨溫度升高而迅速增大。 常用金屬的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系曲線3、飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系曲線多由實(shí)驗(yàn)確定，它可以幫助我們合理選擇蒸鍍材料及蒸發(fā)條件，對(duì)于蒸發(fā)鍍膜有重要的實(shí)際意義。4、在真空條件下，物質(zhì)的蒸發(fā)要比常壓下容易得多，所需溫度也大大降低。三、沉積速率及蒸發(fā)速率1、定義（1）蒸發(fā)速率以蒸汽形式在單位時(shí)間內(nèi)（秒）從單位膜材表面（平方厘米）上所蒸發(fā)出來的分子數(shù)（J）。設(shè)蒸發(fā)材料表面液相與氣相處于動(dòng)態(tài)平衡，則蒸發(fā)速率為：Ph為液體靜壓（？）。dN為蒸發(fā)原子（分子）數(shù)，A為蒸發(fā)表面積，t為時(shí)間，e為蒸發(fā)系數(shù)。當(dāng)=1、P

4、h0時(shí)，得最大蒸發(fā)速率：M為蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。蒸發(fā)速率與蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量、溫度及飽和蒸汽壓有關(guān)，還與材料表面的潔凈度有關(guān)。蒸發(fā)溫度的變化對(duì)蒸發(fā)速率的影響最大。在蒸發(fā)鍍膜過程中，要想控制蒸發(fā)速率，必須精確控制蒸發(fā)源的溫度，加熱時(shí)應(yīng)盡量避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。四、蒸鍍前的處理基底表面吸附著的灰塵或油脂會(huì)降低薄膜的附著力，形成氣團(tuán)，故在蒸鍍前需要進(jìn)行清洗。1、玻璃、塑料水洗 中性洗劑刷洗（如用尼龍纖維或機(jī)械除污） 純水洗凈 酒精洗掉水分 用酒精、聚四氟乙烯蒸汽清洗 干燥。2、金屬水洗 酸、堿洗水洗 超聲波清洗。五、蒸發(fā)源大多數(shù)金屬材料都要求在10002000的溫度下蒸發(fā)。因此必須將鍍膜材料加熱到

5、如此高的溫度。常用加熱方式有：電阻法，電子束法，高頻法等。1、電阻蒸發(fā)源（1）電阻蒸發(fā)源的特點(diǎn)把高熔點(diǎn)金屬，如鉭（Ta）、鉬（Mo）、鎢（W）、石墨、氮化硼和硼化鈦的混合物等，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，裝上待蒸發(fā)材料，接通蒸發(fā)源電源，加熱蒸鍍材料使其蒸發(fā)。因此又稱為熱蒸發(fā)。這種方法簡(jiǎn)單、便宜、普及、使用可靠。適用于膜層質(zhì)量要求不太高的大批量生產(chǎn)。（2）電阻蒸發(fā)源材料的選用 熔點(diǎn)高； 飽和蒸汽壓低。鍍膜材料的蒸發(fā)溫度要低于蒸發(fā)源飽和蒸汽壓為10-8Torr時(shí)的溫度。 化學(xué)穩(wěn)定性好； 耐熱性好，功率密度變化小； 原料豐富、經(jīng)濟(jì)耐用。電阻蒸發(fā)源的熔點(diǎn)及飽和蒸汽壓的溫度蒸發(fā)源材料熔點(diǎn)飽和蒸汽壓的溫度（K）

6、10-8Torr10-5Torr10-2TorrW3683239028403500Ta3296223026803330Mo2890186522302800Nb2741203524002930Pt2045156518852180Fe1808116514001750Ni1726120014301800（3）蒸鍍材料對(duì)蒸發(fā)源材料的潤(rùn)濕性高溫熔化的蒸鍍材料在蒸發(fā)源上有擴(kuò)展的傾向，就認(rèn)為是容易潤(rùn)濕的（浸潤(rùn)的）。如果在蒸發(fā)源上有凝聚而接近于形成球形的傾向就認(rèn)為是難以潤(rùn)濕的（不浸潤(rùn)）。浸潤(rùn)情況下，鍍膜材料的蒸發(fā)是從大的表面上發(fā)生的，是面蒸發(fā)源的蒸發(fā)不浸潤(rùn)情況下，為點(diǎn)蒸發(fā)源。（兩種蒸發(fā)源有不同的蒸發(fā)速率）容易

7、潤(rùn)濕，膜材與蒸發(fā)源十分親合，結(jié)合牢固，因而蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定。難以潤(rùn)濕，采用絲狀蒸發(fā)源時(shí)蒸發(fā)材料易從蒸發(fā)源上掉下來。（4）電阻蒸發(fā)源的形狀蒸發(fā)源的形狀可根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)，結(jié)合蒸發(fā)源與蒸發(fā)材料的潤(rùn)濕性，制作成不同形狀。絲狀蒸發(fā)源一般線徑為0.51mm，特殊時(shí)可用1.5mm，常采用多股絲，可有效防止扯斷，還能增大蒸發(fā)面和蒸發(fā)量。錐形籃狀蒸發(fā)源一般用于蒸發(fā)塊狀、絲狀的升華材料、與蒸發(fā)源材料不浸潤(rùn)的材料。舟狀及坩堝蒸發(fā)源通常用于粉末、顆粒類的蒸鍍膜料。這些蒸發(fā)源具有大的輻射表面，所以功耗大。使用時(shí)應(yīng)注意避免造成較大的溫度梯度，蒸發(fā)材料和蒸發(fā)源間要有良好的熱接觸，否則容易引起局部高溫，造成材料的分解和噴濺。

8、（5）電阻蒸發(fā)源存在的問題電阻蒸發(fā)源材料與膜料是直接接觸的，因蒸發(fā)源材料的溫度高于鍍膜材料，所以易混入鍍膜材料之中，特別是對(duì)半導(dǎo)體元件的鍍膜常會(huì)引起很大的問題。2、電子束蒸發(fā)源將膜料放入水冷銅坩堝中，直接用電子束轟擊進(jìn)行加熱，即為電子束加熱蒸發(fā)源。電子束是由電子槍發(fā)射電子而產(chǎn)生的。（1）電子槍的結(jié)構(gòu)環(huán)形槍、直槍（皮爾斯槍）、e形槍 環(huán)形槍依靠環(huán)形陰極發(fā)射電子束，經(jīng)聚焦和偏轉(zhuǎn)后打在蒸發(fā)材料上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但功率和效率低，多用于研究性工作，應(yīng)用較少。 直槍（皮爾斯槍）原理：一種軸對(duì)稱的直線加速電子槍，電子從陰極燈絲發(fā)射，經(jīng)聚焦、加速后成細(xì)束轟擊蒸發(fā)材料。優(yōu)點(diǎn)：功率變化范圍大（幾百幾千瓦）、使用方便、

9、易于控制；缺點(diǎn)：但體積大、成本高、蒸發(fā)材料會(huì)污染電子槍、電子槍燈絲逸出的離子會(huì)造成膜料的污染。改進(jìn)型：在電子束出口設(shè)置偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、在燈絲部位制成一套獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)，可避免燈絲造成的污染、且可提高燈絲壽命。3）e形槍原理：在直槍的基礎(chǔ)上，使發(fā)射出的電子束偏轉(zhuǎn)270°，然后再轟擊在膜料上。是目前使用較多的電子束蒸發(fā)槍。優(yōu)點(diǎn)：由于入射電子與蒸汽云中性原子相碰撞而游離出來的正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，會(huì)沿著與入射電子相反的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)可通過圖中5所設(shè)置的離子收集極所捕獲，從而避免了正離子對(duì)膜層的污染。如可以減少半導(dǎo)體器件膜層中的鉀、鈉離子對(duì)膜的玷污。設(shè)置離子收集極的目的還在于在槍的電子線路上

10、利用離子變量這個(gè)參數(shù)來控制e型槍加熱電流從而控制槍的蒸發(fā)速率。這是因?yàn)樵谀げ恼舭l(fā)期間，由于坩堝上方所形成的等離子區(qū)的離子密度與膜材的蒸發(fā)速率成正比關(guān)系的緣故。 大大減少了二次電子對(duì)基板的轟擊。由于電子束轟擊膜材時(shí)，將激發(fā)出許多有害的散射電子，諸如反射電子、背散射電子和二次電子等，圖中的吸收極6就是為了保護(hù)基片和膜層，把這些有害電子吸收掉而設(shè)置的。 可通過改變磁場(chǎng)方便地調(diào)節(jié)電子束的轟擊位置。 采用內(nèi)藏式陰極可防止極間放電、避免了燈絲的污染。（2）電子束蒸發(fā)原理電子在電場(chǎng)作用下獲得動(dòng)能，轟擊到處于陽極的蒸發(fā)材料上使蒸發(fā)材料加熱氣化，從而進(jìn)行蒸發(fā)鍍膜。設(shè)電子的初始速度可忽略，加速電壓為U，則電子的動(dòng)

11、能與加速電場(chǎng)的做功相等，即：m是電子質(zhì)量（9.1×10-28g）、e是電子電荷（1.6×10-19C）、是電子轟擊蒸發(fā)材料的速度。則可得：5.93×105U1/2（m/s）假設(shè)加速電壓U10kV，則可得電子轟擊蒸發(fā)材料的速度6×104km/s。如此高速度的電子流經(jīng)電磁場(chǎng)的匯聚作用后形成具有一定束斑的電子束，轟擊到蒸發(fā)材料后把動(dòng)能傳遞給蒸發(fā)材料的原子，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。若電子束的能量為：WneUIUtn為電子數(shù)密度、I為電子電流，t為電子流作用時(shí)間，則電子束產(chǎn)生的熱量為：Q0.24Wt（3）電子束蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)： 可直接對(duì)蒸發(fā)料進(jìn)行加熱。 坩堝是水冷的，避免了容器

12、的反應(yīng)及蒸發(fā)，適于制備純度很高的薄膜。 可蒸發(fā)高熔點(diǎn)（>3000）金屬，如W、Mo、Ge、Ta和氧化物，如SiO2、Al2O3等薄膜。 蒸發(fā)源的輻射熱減少。（4）電子束蒸發(fā)的缺點(diǎn)： 裝置復(fù)雜； 多數(shù)化合物由于電子轟擊而部分分解； 殘留氣體、膜料蒸汽會(huì)被電子電離。3、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源（1）高頻感應(yīng)蒸發(fā)的原理在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁或石墨坩堝，蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁致?lián)p失（對(duì)磁性材料），使蒸發(fā)材料加熱、蒸發(fā)，使坩堝中蒸發(fā)材料中蒸發(fā)。主要用于Al的大量蒸發(fā)。（2）高頻感應(yīng)蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn) 蒸發(fā)速率大，比電阻加熱大10倍左右； 加熱均勻穩(wěn)定，不易發(fā)生飛濺現(xiàn)象； 溫度控制容易

13、，操作簡(jiǎn)單。（3）高頻感應(yīng)蒸發(fā)缺點(diǎn) 蒸發(fā)裝置必須屏蔽； 高頻發(fā)生器價(jià)格昂貴； 若高頻線圈附近的氣壓高于10-2Pa，高頻電場(chǎng)會(huì)使殘余氣體電離。六、合金/化合物蒸鍍1、合金/化合物蒸鍍遇到的問題對(duì)于多組分的合金或化合物，不同成分由于飽和蒸氣壓不同而具有不同的蒸發(fā)速率，因此蒸發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)生分解或分餾。蒸發(fā)時(shí)如何控制成分以獲得與蒸發(fā)材料相同化學(xué)計(jì)量比的薄膜，是很重要的問題。2、常用的合金/化合物蒸鍍方法（1）快速蒸鍍法（瞬時(shí)蒸發(fā)法、閃爍蒸發(fā)法）原理：將欲蒸鍍的合金做成粉末或細(xì)小的顆粒，逐次放入炙熱的蒸發(fā)源中，使一個(gè)一個(gè)的顆粒在一瞬間完全蒸發(fā)。如果顆粒足夠小的話幾乎可對(duì)任何成分都能同時(shí)蒸發(fā)。通常用于各組分

14、蒸發(fā)速率相差很大的合金或化合物薄膜的蒸鍍。如左圖，通過讓料斗和滑槽進(jìn)行振動(dòng)，讓粉末狀鍍膜材料持續(xù)地從料斗的孔一點(diǎn)一點(diǎn)地出來，再通過滑槽落入蒸發(fā)源，即連續(xù)加料。閃爍蒸法的關(guān)鍵： 以均勻的速率把膜料顆粒送入蒸發(fā)源 選擇合適的膜料粒度、下落速度和蒸發(fā)溫度的比率。蒸發(fā)源：在這種方法中，鎢絲錐形籃狀蒸發(fā)源是較好的，因?yàn)槿舨捎谜舭l(fā)舟或坩鍋，未蒸發(fā)掉的料會(huì)殘存積累下來，從而變?yōu)槠胀ㄕ舭l(fā)。閃爍蒸法的優(yōu)點(diǎn)：可制作成分均勻的薄膜，可進(jìn)行摻雜蒸發(fā)。閃爍蒸法缺點(diǎn)：蒸發(fā)速率難以控制；蒸發(fā)速率慢。閃爍蒸法的應(yīng)用：制備合金膜（Ni-Cr）；化合物半導(dǎo)體膜（IIIV族和IIVI族）；磁性薄膜（MnSb、MnSb-CrSb、C

15、rTe、Mn5Ge3）。（2）雙源或多源蒸鍍法原理：在制備兩種或多種元素組成的合金膜時(shí)，把這幾種元素分別裝入各自的蒸發(fā)源中，然后獨(dú)立地控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)，通過控制溫度等工藝參數(shù)，使到達(dá)基片的各種原子與所需鍍膜組分相對(duì)應(yīng)。特點(diǎn)：蒸發(fā)源應(yīng)能獨(dú)立工作并能獨(dú)立控制蒸發(fā)速率；為使兩蒸發(fā)源的元素不相互混入設(shè)置了擋板；為了提高膜厚的均勻性需要旋轉(zhuǎn)基片。3、常用化合物的蒸鍍方法（1）反應(yīng)蒸鍍法原理：將活性氣體通入真空室，在充滿活性氣體的氣氛中蒸發(fā)固體材料，使活性氣體分子和蒸發(fā)材料原子在基片上進(jìn)行反應(yīng)、形成化合物薄膜，即為反應(yīng)蒸發(fā)法。原因：許多化合物在高溫下會(huì)發(fā)生分解，如直接蒸發(fā)Al2O3、TiO2，會(huì)產(chǎn)生Al

16、O2、TiO2混合氣氛，最后成的薄膜會(huì)發(fā)生失O現(xiàn)象。為此采用反應(yīng)蒸發(fā)法。應(yīng)用：適合于制備熱分解嚴(yán)重的薄膜，含有低飽和蒸氣壓組分的薄膜，高熔點(diǎn)化合物膜，過渡金屬和O2、N2等組成的化合物薄膜。蒸發(fā)原子和活性氣體分子的反應(yīng)： 在蒸發(fā)材料表面進(jìn)行應(yīng)盡量避免這種反應(yīng)。因?yàn)闀?huì)使蒸發(fā)材料形成化合物，從而造成蒸發(fā)速率下降。 在源基間的空間中進(jìn)行這種反應(yīng)可能性很小。因?yàn)樵谡婵諣顟B(tài)下原子（分子）的平均自由程很大（如10-2Pa時(shí)，為50cm），遠(yuǎn)大于源基距。 在基片上進(jìn)行這是主要的反應(yīng)方式。因?yàn)榉磻?yīng)氣體分子在基片上的入射頻率為4×1016個(gè)/cm2·s。反應(yīng)蒸發(fā)中，化學(xué)反應(yīng)可在較低溫度下進(jìn)行

17、，可得到均勻分散的薄膜。例：SiO2系制備SiO21）鍍膜前準(zhǔn)備：基片清洗、真空室清洗，放入基片和膜料2）抽真空3）通過充氣閥從氧氣瓶通入O24）在坩堝內(nèi)放入Si5）通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體（O2）的壓力，蒸發(fā)溫度（蒸發(fā)材料的蒸發(fā)速率），基片溫度來獲得所鍍薄膜的組成和晶體結(jié)構(gòu)。常用化合物薄膜的蒸發(fā)化合物鍍膜蒸發(fā)材料氣氛氣體氣體壓力（Torr）基片溫度（）Al2O3AlO210-410-5400500Cr2O3CrO22×10-3300400SiO2SiOO2或空氣10-4100300Ta2OTaO210-310-4700AlNAlNH310-4300（多晶）4001400（單晶）TiNTiN

18、2或NH34×10-4室溫TiCTiC2H4300（2）三溫度法原理：從原理上講，三溫度法屬于雙蒸發(fā)源蒸發(fā)法。在制作化合物半導(dǎo)體，特別是-族化合物單晶鍍膜時(shí)，必須控制基片的溫度和兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度，一共三個(gè)溫度，即所謂三溫度法。如GaAs的制備：GaAs：Ts425450；TAs295；TGa910。III族元素的飽和蒸汽壓很低，V族元素的飽和蒸汽壓很高，如700K時(shí)的飽和蒸汽壓：Ga（III）10-11Pa，As（V）102Pa。因此實(shí)際上就是在V族元素As的氣氛中蒸鍍III元素Ga。從這個(gè)意義上講，也類似于反應(yīng)蒸鍍法。（3）分子束外延法（MBE，Molecular Beam Epi

19、taxy） 外延：在單晶基片上長(zhǎng)出一定取向的單晶薄膜。若基片與薄膜為同種材料，稱為同質(zhì)外延。如Si/Si，GaAs/GaAs。若基片與薄膜為不同材料，稱為異質(zhì)外延。如GaP/InP。生長(zhǎng)的單晶薄膜稱為外延層。典型的外延法有氣相外延、液相外延和分子束外延。 分子束外延的特點(diǎn)：1）分子束外延是“三溫度法”的改進(jìn)，是制作半導(dǎo)體器件（發(fā)光器件、量子阱）的重要方法。2）分子束外延采用克努曾盒形蒸發(fā)源，即，坩堝口徑小于蒸發(fā)材料蒸氣分子的平均自由程，因而蒸氣分子形成束流噴出坩堝口。3）在高真空條件下，所有從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的分子形成束狀，而不構(gòu)成氣氛氣體（不是彌漫狀），即為分子束外延法。4）可實(shí)現(xiàn)單原子層生長(zhǎng)

20、。能生長(zhǎng)極薄的單晶薄膜，可精確控制摻雜、組分和膜厚，膜層純度很高。例：制作GaAsxP1-x：Ga 蒸發(fā)源：950KAs 蒸發(fā)源：11001250KP 蒸發(fā)源：11001250KGaAs 基片：>700K（GaP基片：870900K）生長(zhǎng)速度 23Å/sec七、蒸發(fā)鍍膜的應(yīng)用由于蒸鍍的膜與基體間的結(jié)合強(qiáng)度較低，因此主要用于結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜，如電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭用的增透膜等。鋁膜廣泛應(yīng)用于制鏡工業(yè)，以鋁代銀；集成電路鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后刻蝕出導(dǎo)線；裝飾膜。§3.3 真空濺射一、定義真空濺射：是用荷能粒子轟擊固體表面，使固體表面的原子或分子得到能量后擺脫表

21、面的束縛、從表面逃逸出來進(jìn)入氣相，然后輸運(yùn)到基片表面，沉積成薄膜。通常所采用的荷能粒子是離子。為了不引起固體表面的化學(xué)反應(yīng)，一般采用惰性氣體的離子（Ar+）。靶：被濺射的固體（提供膜料）。入射離子：對(duì)靶進(jìn)行濺射的荷能離子（Ar+）。濺射原子：靶表面被濺射出來的粒子（通常是原子態(tài)）。二、輝光放電濺射中的荷能離子（Ar+）通常是通過輝光放電產(chǎn)生的，輝光放電是濺射的基礎(chǔ)。輝光放電：是氣體在高電壓下被擊穿、電離，產(chǎn)生帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，同時(shí)伴有發(fā)光發(fā)熱的物理過程。通常有：直流輝光放電，射頻輝光放電，高頻輝光放電，微波輝光放電等。1、直流輝光放電（1）原理直流輝光放電是在放電兩極間施加直流電壓。

22、（2）直流輝光放電的伏安特性直流輝光放電中，伏安特性不滿足簡(jiǎn)單的歐姆關(guān)系，如圖所示。直流輝光放電的伏安特性AB段：暗光放電特點(diǎn)：無輝光放電區(qū)，導(dǎo)電而不發(fā)光。機(jī)理：由于宇宙輻射等作用，氣體中有少量電離產(chǎn)生的游離離子和電子。當(dāng)兩電極間加上直流電壓時(shí)，離子和電子就在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。但由于游離離子和電子數(shù)目有限，所以電流密度很小。隨著電壓逐漸升高，電離粒子（離子、電子）的運(yùn)動(dòng)速度隨之加快，即電流隨電壓上升而增大。當(dāng)這部分電離粒子的速度達(dá)到飽和時(shí)，電流不再隨著電壓升高而增大，電流達(dá)到了飽和值。BC段：湯森（Towsend）放電區(qū)特點(diǎn)：電流增大、極間電壓不變。機(jī)理：隨著電壓升高，電子獲得了足

23、夠的能量，與中性氣體分子發(fā)生電離碰撞，產(chǎn)生更多的離子和電子，產(chǎn)生的離子和電子又被加速，再引起電離，這樣不斷級(jí)聯(lián)發(fā)生電離碰撞，導(dǎo)致氣體分子被大量電離。這些過程使得離子和電子的數(shù)目迅速增加，電流平穩(wěn)增大。此時(shí)氣體的導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)、阻抗大大減小，這樣兩級(jí)間的電壓由于受到輸出阻抗的限制而呈一常數(shù)。暗光放電和湯森放電都必須有自然的游離離子和電子，否則不會(huì)發(fā)生，產(chǎn)生自然游離離子和電子的機(jī)構(gòu)被稱為電離源。這種需要有電離源的放電稱為非自持放電。CD段：過渡區(qū)特點(diǎn)：自持放電。二次電子發(fā)射、氣體擊穿產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生輝光，極間電壓下降、呈負(fù)阻抗效應(yīng)。機(jī)理：離子在電場(chǎng)加速下獲得了很大的能量，到達(dá)陰極時(shí)對(duì)陰極轟擊，

24、使陰極表面釋放出電子，稱為二次電子。二次電子在電場(chǎng)加速下向陽極運(yùn)動(dòng)，并與中性氣體分子碰撞，發(fā)生電離，產(chǎn)生更多離子。這些離子又在電場(chǎng)加速下轟擊陰極，再產(chǎn)生二次電子，由此引起了“雪崩效應(yīng)”。一旦產(chǎn)生了足夠多的離子和電子后，氣體能夠自持放電，即不需要外加電離源（如宇宙輻射），僅憑氣體自身電離和陰極二次電子發(fā)射機(jī)可維持放電。這時(shí)，氣體“點(diǎn)火”，起輝，兩極間電流急劇增加，而電壓迅速下降，放電呈負(fù)阻抗特性。VB為擊穿電壓或起輝電壓。DE段：正常輝光放電區(qū)特點(diǎn)：電流與電壓無關(guān)，只與陰極產(chǎn)生輝光的面積有關(guān)，即增大電源功率或電壓時(shí)，兩極間電壓保持不變，而電流平穩(wěn)增加，維持輝光放電的電壓較低。機(jī)理：輝光放電自動(dòng)調(diào)

25、整陰極表面的轟擊面積，最初轟擊是不均勻的，一般集中在陰極邊緣或表面不規(guī)則處，隨著電源功率增大，轟擊區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直到陰極表面電流密度均勻?yàn)橹?。電流密度與陰極材料、氣壓、氣體種類有關(guān)。電流密度隨氣壓增大而增大，凹面陰極比平面陰極的電流密度大。EF段：異常輝光放電特點(diǎn)：當(dāng)離子轟擊覆蓋整個(gè)陰極表面之后，陰極表面電流密度均勻，繼續(xù)增大電源功率會(huì)使電壓和電流同時(shí)增大，電流增大時(shí)兩極板的電壓升高。陰極電壓降的大小與電流密度、氣壓有關(guān)。機(jī)理：輝光已布滿陰極，所以增大電流時(shí)離子層無法向四周擴(kuò)散，只能向陰極靠攏，正離子層與陰極距離縮短。若要提高電流密度，必須增大陰極電壓降，使正離子有更大的能量轟擊陰極，從而產(chǎn)生

26、更多的二次電子。FG段：弧光放電特點(diǎn)：放電相當(dāng)劇烈，放電區(qū)內(nèi)的氣體已成為導(dǎo)體，相當(dāng)于極間短路，因此極間電壓陡降，電流突然增大。電流大小幾乎由外電阻決定，而且電流越大，極間電壓越小。機(jī)理：陰極表面產(chǎn)生過量的二次電子發(fā)射，引起氣體大量電離，同時(shí)中和了正離子層，使陰極電位降區(qū)消失，放電集中在陰極的局部區(qū)域。弧光放電能引起陰極及電源的燒毀，應(yīng)避免。（3）濺射區(qū)域異常輝光放電區(qū)域正常輝光放電區(qū)，電壓不變，陰極有效放電面積隨電流增加而增大，電流密度較小，濺射不均勻，不宜用來濺射。異常輝光放電區(qū)，陰極表面都成為有效放電區(qū)，只有增大陰極電流密度，才能增大電流，用作濺射區(qū)。濺射電壓、電流密度及壓強(qiáng)滿足關(guān)系：V:

27、 濺射電壓; j: 電流密度; p: 壓強(qiáng); E, F為常數(shù), 與電極材料, 尺寸及氣體種類有關(guān)。（4）起輝條件帕邢定（Paschen）律在氣體成分和電極材料一定條件下，起輝電壓V只與氣壓p和電極間距d有關(guān)。在V與pd間有一關(guān)系曲線，稱為帕邢曲線。由巴邢曲線可知，起輝電壓（點(diǎn)火電壓或擊穿電壓）有一最小值。在最小值右邊（右支），點(diǎn)火電壓隨pd的增大而提高，在其左邊（左支），則隨pd的減小而提高。在高電壓設(shè)備中，各電極間的距離須足夠大（即d值應(yīng)足夠大），有時(shí)還充以高壓強(qiáng)（即取大的p值）的絕緣氣體，以提高設(shè)備的耐壓，就是利用右支的特性。反之，在真空電容器等器件中，常將其內(nèi)部抽至良好的真空（即達(dá)到小的

28、p值），以提高其耐壓能力，這是利用左支的特性。在濺射中，pd最好在最小值的右邊，即pd較大，所以當(dāng)d一定時(shí)，可在較高氣壓下容易起輝，且起輝電壓較高。帕邢曲線的解釋：，。是電子的平均自由程，d是極間距，即為電子從陰極到陽極的飛行過程中的平均碰撞次數(shù)。所以pd值反映了兩極間平均碰撞次數(shù)。最低起輝電壓與兩極間的平均碰撞次數(shù)有關(guān)：1）電子碰撞次數(shù)增加，有利于電離；2）電子在每一個(gè)自由程上所獲得能量隨碰撞次數(shù)增加而減少，不利于電離。兩因素相綜合，出現(xiàn)了一個(gè)最有利于起輝的結(jié)果。需要注意的是，帕邢定律在一定（pd）范圍有效。氣壓過高或高真空中，放電過程不能用湯森理論，帕邢定律也不適用。（5）直流流輝光放電的

29、空間分布特性從冷陰極發(fā)射的電子能量只有1eV左右，很少發(fā)生電離/激發(fā)碰撞。所以靠近陰極產(chǎn)生阿斯頓暗區(qū)。電子經(jīng)過加速能量較大，便對(duì)氣體分子產(chǎn)生激發(fā)碰撞，同時(shí)電子和離子復(fù)合，發(fā)出輝光，產(chǎn)生陰極輝光區(qū)。電子繼續(xù)加速，能量很大，速度很快，不能和離子復(fù)合，所以形成克魯克斯暗區(qū)。其寬度與電子自由程有關(guān)。電子繼續(xù)被加速，能量很大，引起電離，產(chǎn)生大量正離子，正離子質(zhì)量大，速度慢，聚集起來使該區(qū)域電位升高，與陰極形成很大的電位差，即陰極位降。在此區(qū)域離子濃度大，電子復(fù)合機(jī)率增加，所以形成明亮的負(fù)輝光區(qū)。電子經(jīng)過負(fù)輝光區(qū)后，能量大大降低，只有少數(shù)電子穿過負(fù)輝光區(qū)，所以在負(fù)輝光區(qū)后形成不發(fā)光的法拉第暗區(qū)。法拉第暗區(qū)

30、后面是陽極光柱。形成陽極光柱是因?yàn)榉ɡ诎祬^(qū)后少數(shù)電子逐漸加速并與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離。由于電子數(shù)目少，產(chǎn)生的離子不會(huì)形成密集的空間電荷，所以這一較大空間內(nèi)形成電子與正離子密度相等的區(qū)域，即等離子體。等離子區(qū)任意點(diǎn)的軸向電位梯度是恒定的，因此往往是均勻連續(xù)的光柱。在陽極光柱后是陽極暗區(qū)和陽極輝光區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域非常狹小，是由于從陽極光柱區(qū)出來的少量的電子能量很小，開始還不足以引起電離和激發(fā)，所以形成陽極暗區(qū)；等加速一段距離后，電子能量已足夠大，從而引起其了少量的電離和激發(fā)，產(chǎn)生輝光。陽極暗區(qū)與陽極輝光兩區(qū)其存在與否取決于外線路電流的大小、陽極面積和形狀等。在法拉第暗區(qū)到陽極輝光區(qū)，幾乎沒有電壓下

31、降，唯一作用是連接負(fù)輝光區(qū)和陽極。當(dāng)兩極板電壓不變，距離減小時(shí)，主要發(fā)生變化的是等離子體區(qū)域；而陰極到負(fù)輝光區(qū)的距離幾乎不變。在濺射中，陽極（基板）常處于負(fù)輝光區(qū)，此時(shí)，正離子光柱區(qū)到陽極輝光區(qū)的區(qū)域已不存在。一般情況下，極板間距比陰極與負(fù)輝光區(qū)的距離長(zhǎng)一些。2、射頻輝光放電（1）在陰極和陽極間加上頻率高到射頻頻率（530MHz）的交變電壓時(shí)，可產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻輝光放電。這是因?yàn)橥饧由漕l電壓的變化周期小于電離和消電離所需時(shí)間（10-6秒），所以等離子體濃度不發(fā)生變化，放電穩(wěn)定。為了避免通信信號(hào)的干擾，通常用13.56MHz。（2）射頻輝光放電的特征 電子在射頻電壓下，在兩極間發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了

32、運(yùn)動(dòng)路程，增加了與中性氣體分子的碰撞概率，提高了電離能力，從而減小了放電對(duì)二次電子的依賴。所以射頻輝光放電的起輝電壓低，維持放電的工作氣壓低。（直流1.00.1Pa，射頻0.10.01Pa）。另外，正離子質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)跟不上射頻電壓的變化，形成了更強(qiáng)的空間電荷層，增強(qiáng)了放電。 射頻電壓可以通過任何一種類型的阻抗（電容、電感、電阻）耦合進(jìn)放電空間，所以電極不需要是導(dǎo)體，可以使包括介質(zhì)材料在內(nèi)的任何材料（直流電極必須是導(dǎo)體），所以應(yīng)用十分廣泛。在真空濺射中，應(yīng)用最多的是電容耦合方式。（3）電容耦合 在電容耦合電極上，建立了一個(gè)脈動(dòng)負(fù)電壓（陰極、靶）。這是因?yàn)?，電子和正離子的質(zhì)量差異大，遷移率不同，在

33、電壓正半周將有大量的電子流向電極。而在負(fù)半周，只有少量的正離子流向電極，因此其I-V特性與二極管的相似，最后在電極上產(chǎn)生電子積累、使電極自動(dòng)偏置為負(fù)特性（即自偏壓，Vb），直到有效電流為0。2）在射頻濺射中，若靶與基片完全對(duì)稱則正離子轟擊二者的機(jī)率完全相同，不能成膜。實(shí)際上只要求對(duì)靶進(jìn)行濺射，靶電極通過電容耦合，基片電極直接耦合并與真空室壁一塊接地。（a）殼層內(nèi)平均電位分布；（b）放電系統(tǒng)及殼層結(jié)構(gòu)；（c）陰極和等離子體電位設(shè)輝光放電等離子體與靶電極間的電壓為Vt，與基片電極間的電壓為Vs，則有：As：基片電極面積，Vt：靶電極面積。由于，所以。實(shí)際上。所以在射頻濺射中對(duì)基片濺射很小，對(duì)靶的濺

34、射很強(qiáng)烈。三、濺射鍍膜的原理和特點(diǎn)靶面濺射濺射原子向基片遷移成膜1、靶面濺射（1）高能離子與固體的相互作用高速正離子轟擊作為陰極的靶材時(shí)，靶面會(huì)發(fā)生許多復(fù)雜的現(xiàn)象，如二次電子發(fā)射，粒子背散射，俄歇離子注入，濺射等。對(duì)濺射鍍膜來說，主要是利用了濺射作用。（2）描述濺射特性的主要參量濺射閾值：使靶材發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。濺射閾值與入射離子質(zhì)量無明顯關(guān)系，主要依賴于靶材料。同一周期的元素，濺射閾值隨原子序數(shù)增加而減??；金屬一般為1030eV。濺射率（濺射產(chǎn)額）：平均每個(gè)入射粒子濺射出的原子數(shù)，。受下列因素的影響：Ø 靶材料：不同元素，濺射率與周期相對(duì)應(yīng)，呈周期變化，同一周

35、期內(nèi)隨靶原子序數(shù)增大而增大。Ø 入射離子能量：Ø 入射離子種類：入射離子原子量越大，濺射率越高。隨原子序數(shù)呈周期性變化。Ø 離子入射角：S（0）：離子垂直入射時(shí)的濺射率，：090°變化。為90°時(shí)S為0，為60°80°時(shí)S最大，然后急劇減小。Ø 靶材溫度：靶材溫度大于一定溫度時(shí)濺射率急劇增大，小于這一溫度時(shí)，幾乎不變。這一溫度與靶材的升華能有關(guān)。是濺射和熱蒸發(fā)的綜合作用。濺射原子的能量和速度熱蒸發(fā)原子：0.1eV左右濺射原子：510eV，大12個(gè)數(shù)量級(jí)。一些經(jīng)驗(yàn)定律：Ø 重元素靶原子有高的逸出能量，輕元素

36、靶原子有高的逸出速度；Ø 濺射率高的靶有低的逸出能量；Ø 原子逸出能量隨入射離子質(zhì)量線性增加；Ø 原子逸出能量隨入射離子能量增大而增大；Ø 傾斜方向逸出的原子有較高能量；Ø 靶的結(jié)晶取向和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)逸出能量影響不大。濺射原子的角度分布主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于單晶靶，濺射原子在晶面原子排列最緊密的方向有明顯的擇優(yōu)取向；對(duì)于多晶靶，濺射原子呈現(xiàn)余弦分布規(guī)律。高能離子濺射時(shí)較為符合克努曾余弦分布規(guī)律，這說明高能離子的濺射含有熱峰蒸發(fā)的成份；但低能離子濺射時(shí)，明顯偏離余弦分布規(guī)律，在垂直方向的離子數(shù)明顯減小，當(dāng)離子傾斜入射時(shí)這種偏離更加明顯。 （3）濺

37、射理論熱峰蒸發(fā)理論：離子轟擊引起局部高溫，蒸發(fā)。早期有人認(rèn)為，濺射現(xiàn)象是被電離氣體的荷能正離子，在電場(chǎng)的加速下轟擊靶表面，而將能量傳遞給碰撞處的原子，結(jié)果導(dǎo)致靶表面碰撞處很小區(qū)域內(nèi)。發(fā)生瞬間強(qiáng)烈的局部高溫，從而使這個(gè)區(qū)域的靶材料熔化，發(fā)生熱蒸發(fā)。解釋了濺射的某些規(guī)律：Ø 濺射率與靶材料的蒸發(fā)熱和轟擊離子的能量關(guān)系；Ø 濺射原子的余弦分布規(guī)律等。但是，這一理論不能解釋：Ø 濺射率與離子入射角的關(guān)系；Ø 單晶材料濺射時(shí)濺射原子的角分布的非余弦分布規(guī)律；Ø 濺射率與入射離子質(zhì)量的關(guān)系等。動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論：級(jí)聯(lián)碰撞，動(dòng)量轉(zhuǎn)移 目前被大多數(shù)人所接受的濺射機(jī)理

38、是西格蒙德（Sigmund）提出的線性級(jí)聯(lián)碰撞機(jī)理。低能離子碰撞靶時(shí)，將其部分能量傳輸給表層晶格原子，引起靶材中原子的運(yùn)動(dòng)。這種碰撞將沿著晶體點(diǎn)陣的各個(gè)方向進(jìn)行，碰撞在原子最緊密排列的點(diǎn)陣方向上最為有效。如果這個(gè)能量大于原子的結(jié)合能，原子就從固體表面被濺射出來。也有的原子被碰撞后不能脫離晶格的束縛，只能在原位做振動(dòng)并波及周圍原子，結(jié)果使靶的溫度升高；而有的原子獲得足夠大的能量后繼續(xù)向周圍的原子進(jìn)行撞擊，即產(chǎn)生一次反沖，將其臨近的原子碰撞移位，反沖繼續(xù)下去產(chǎn)生高次反沖，這一過程稱為級(jí)聯(lián)碰撞。級(jí)聯(lián)碰撞的結(jié)果是部分原子達(dá)到表面，克服勢(shì)壘而逸出，這就形成了級(jí)聯(lián)濺射，這就是濺射機(jī)理。當(dāng)級(jí)聯(lián)碰撞范圍內(nèi)反沖

39、原子密度不高時(shí)，動(dòng)態(tài)反沖原子彼此間的碰撞可以忽略，這就是線性級(jí)聯(lián)碰撞。離子對(duì)靶材濺射的級(jí)聯(lián)碰撞過程2、濺射原子向基片遷移工作氣壓：1.3×1011.3×10-1Pa。平均自由程1mm10cm，靶基距應(yīng)與此次相當(dāng)。3、成膜沉積速率：，Q：入射離子數(shù)，C：常數(shù)。為提高沉積速率，可以縮小靶基距，但會(huì)影響到薄膜的均勻性。薄膜純度：污染（來自吸附）。沉積過程的污染：來自真空室內(nèi)部吸附氣體的解吸，因此在濺射前要抽真空，烘烤，工件要清洗。其他因素：工作氣體的純度；濺射氣體的選擇（對(duì)濺射材料呈惰性，有高的濺射率，純度高，價(jià)格便宜，來源方便）Ar。四、濺射方法1、二極濺射工作氣壓1010-1

40、Pa優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；大面積基片上可制備均勻膜。缺點(diǎn)：殘余氣體對(duì)薄膜層沾污嚴(yán)重；基片溫度高（幾百度）；沉積速率低。2、三極或四極濺射在二極濺射的基礎(chǔ)上附加上第三極，由此放出熱電子，作為電離源，提高了電離程度，為了引出熱電子，并使放電穩(wěn)定，再附加第四極，作為輔助陽極（穩(wěn)定化陽極）。已成功用于裝飾，超硬薄膜的制備。優(yōu)點(diǎn)： 工作氣壓低:1.3×10-16.7×10-2Pa； 薄膜質(zhì)量高。缺點(diǎn)： 電子對(duì)基板轟擊使升溫 燈絲壽命短，受到污染，不適合反應(yīng)濺射。3、磁控濺射（1）結(jié)構(gòu)：在濺射電場(chǎng)中加入了磁場(chǎng)： 磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交 磁場(chǎng)方向與陰極表面平行，并組成環(huán)形磁場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)組合稱為

41、磁控濺射源。包括柱狀、平面、S槍。（2）特點(diǎn)：高速，低溫，低損傷。（3）平面磁控濺射源：磁力線是封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在陰極表面上建立了一個(gè)和磁場(chǎng)形狀相似的環(huán)隙場(chǎng)區(qū)域。這個(gè)封閉的環(huán)隙場(chǎng)區(qū)有如一條封閉的跑道，將等離子體封閉在里面。放電特征：電子在電場(chǎng)加速下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到磁場(chǎng)束縛，繞磁力線作螺繞形運(yùn)動(dòng)（拉莫運(yùn)動(dòng)），增加了運(yùn)動(dòng)路徑，提高了碰撞次數(shù)，增大了電離度，因?yàn)锳r+被封閉在陰極表面附近，減少了散射及能量損失。優(yōu)點(diǎn)： 電子在靠近靶面附近的封閉等離子體運(yùn)動(dòng)，只有能量耗盡后才能到陽極，使基片溫升低，損耗?。?高密度等離子體被束縛在靶面附近，不與工件接觸，工件免受粒子轟擊； 提高電密度，工作氣壓可降低：1.

42、3×10-11.3×10-2Pa。缺點(diǎn)：靶的利用率低。例子：射頻磁控濺射。4、離子束濺射（1）射頻和直流磁控濺射的局限性：直接利用輝光放電產(chǎn)生的離子進(jìn)行濺射，因此：1）基片處于等離子體中，在成膜過程中不斷受到周圍環(huán)境氣體原子和帶電粒子的轟擊，包括快電子的轟擊；2）沉積粒子的能量隨基板電位和等離子體電位的不同而變化；3）濺射條件，如濺射氣壓、靶電壓、放電電流等不能獨(dú)立控制，使得對(duì)成膜條件難以進(jìn)行精確而嚴(yán)格的控制。以上這些因素對(duì)所制備薄膜的質(zhì)量有很大的影響。因此引入離子束濺射（2）離子束濺射原理：由大口徑離子源（離子源1）產(chǎn)生離子束，對(duì)靶材進(jìn)行濺射，濺射出的粒子飛到襯底上后沉積

43、成薄膜。在大多數(shù)情況下，還需要另加一個(gè)離子源（離子源2）對(duì)沉積的薄膜進(jìn)行離子輻照，以提高薄膜質(zhì)量。一般情況下，離子源1采用考夫曼離子源或自交叉場(chǎng)型離子源。特點(diǎn)：1）可以在10-3Pa的高真空下鍍膜，薄膜純度高；2）沉積發(fā)生在無場(chǎng)區(qū)，基片不再是電路的一部分，不再會(huì)由快電子的轟擊引起升溫；3）可對(duì)鍍膜條件嚴(yán)密控制，工藝重復(fù)性好；4）適合于制備多組分的多層膜；5）可用于制備各種材料的薄膜，包括粉末、介質(zhì)、金屬、化合物等。應(yīng)用：金屬膜、氮化物、氧化物（多組元金屬氧化物）、其他化合物；超導(dǎo)材料，磁性材料，電子材料。五、合金膜的濺射多靶共濺射：控制各個(gè)靶的濺射參數(shù)，可得到一定成分的合金膜；合金靶濺射：當(dāng)靶

44、材的A，B兩種元素的濺射率不等時(shí)，濺射產(chǎn)額高的元素如A，會(huì)自動(dòng)逐漸貧化，直到膜層成分與靶材一致時(shí)靶面成分才不會(huì)下降，此后，靶面成分達(dá)到恒穩(wěn)態(tài)，總是保持著確定成分的貧A層。六、化合物膜的制備 反應(yīng)濺射：在金屬靶材進(jìn)行濺射時(shí)，向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，金屬原子與反應(yīng)氣體在基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到化學(xué)物膜。如：TiN，靶材為金屬Ti，濺射氣體為Ar，反應(yīng)氣體為N2。方法陰極材料放電氣體（torr）基片溫度（）AlN射頻AlAr：4×10-3N2：2×10-3250TaN兩極TaAr：3×10-3N2：15×10-4400TiN射頻TiAr：5×10-3

45、N2：4×10-3室溫TaC兩極TaAr：3×10-3CH4：4×10-5CO：2×10-5400PtO2兩極PtO2：5×10-3TiO2射頻TiAr：5×0-3O2：4×10-3室溫七、蒸法鍍膜與濺射鍍膜的比較1、蒸發(fā)鍍膜的優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備、工藝操作簡(jiǎn)單； 沉積速率高、膜厚可通過監(jiān)測(cè)手段準(zhǔn)確控制； 鍍膜的形成機(jī)理比較簡(jiǎn)單，可用成核及長(zhǎng)大理論來解決； 多數(shù)物質(zhì)均可用此法。2、蒸發(fā)鍍膜的缺點(diǎn)： 膜/基體間的結(jié)合力較弱； 對(duì)鍍膜結(jié)構(gòu)的一些性質(zhì)，再現(xiàn)性差，可靠性差； 高熔點(diǎn)和低蒸氣壓物質(zhì)的真空蒸鍍較難； 坩堝材料也會(huì)蒸發(fā)，混入鍍膜之

46、中成為雜質(zhì)。3、濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)： 任何物質(zhì)均可濺射，尤其是有利于制備高熔點(diǎn)、低蒸汽壓材料的薄膜； 薄膜密度高，致密，附著好。4、濺射鍍膜的缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，沉積速率低。§3.4 離子鍍（IP，Ion Plating）離子鍍膜技術(shù)（簡(jiǎn)稱離子鍍）是美國(guó)Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的，是在真空蒸發(fā)和真空濺射技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的鍍膜技術(shù)。離子鍍的英文全稱為Ion Plating，簡(jiǎn)稱IP。一、原理它是在真空室中，將膜料蒸鍍?cè)诨系耐瑫r(shí)，使惰性氣體或膜料的氣相原子電離，然后用離子對(duì)膜層進(jìn)行轟擊。1、典型例子圖為Mattox采用的直流二極型離子鍍裝置示意圖

47、。當(dāng)真空室的背景真空度抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性氣體(如Ar)，使真空度達(dá)到110-1Pa。接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)。2、離子轟擊的作用（1）對(duì)襯底的濺射清洗由于基片處于負(fù)高壓并被等離于體包圍，不斷受到正離子的轟擊，因此可有效地清除基片表面的氣體和污物，使成膜過程中膜層表面始終保持清潔狀態(tài)。（2）對(duì)蒸發(fā)粒子的電離膜料氣化蒸發(fā)后，蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū)，與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子以及電子發(fā)生碰撞，其中一部分蒸發(fā)原子被電離成正離子，正離子在負(fù)高壓電場(chǎng)加速作用下，淀積到基片表面成膜。（3）提高蒸發(fā)粒子的總能量設(shè)正離子在飛往基片的過程中

48、與中性粒子的碰撞次數(shù)為d/，D.G. Teer給出了離子鍍中由離子帶到基片表面能量Ei的近似表達(dá)式：式中，N0：離開負(fù)輝光區(qū)的離子數(shù)；Vc：基片偏壓。在離子鍍系統(tǒng)中，/d1/20。因此，離子的平均能量為eVc/10。當(dāng)Vc為15kV時(shí)，離子的平均能量為100500eV。由于受到碰撞的中性粒于的數(shù)量大約為N0d/，即約為離子數(shù)的20倍。但是，并非所有的高能中性原于都能到達(dá)基板。通常約有70左右可到達(dá)基板，其余30則到達(dá)器壁、夾具等處。這些高能中性原子的平均能量為eVc/22，當(dāng)Vc為15kV時(shí)，其平均能量為45225eV?？紤]到粒子間碰撞幾率不相同，離子和高能中性原子的能量將在零至數(shù)千電子伏范圍

49、內(nèi)變化，個(gè)別離子的能量也能達(dá)到15keV。D.G. Teer測(cè)出金屬的離化率只有0.11，但是由于產(chǎn)生了大量高能中性原子，故提高了蒸發(fā)粒子的總能量。由此可見，離子鍍中成膜原子的能量不是靠加熱方式獲得，而是由離子轟擊的方式來激勵(lì)的。3、離子鍍的成膜條件由于基片是陰極，蒸發(fā)源為陽極，通常在兩極間有15kV的負(fù)高壓，因此，在膜材原子淀積過程的同時(shí)，還存在著正離子（Ar+或被電離的蒸發(fā)原子的離子）對(duì)基片的濺射作用。顯然，只有當(dāng)?shù)矸e作用超過濺射作用時(shí)，才能發(fā)生薄膜的淀積過程。離子鍍的成膜條件：到達(dá)襯底的離子數(shù)目比成膜原子數(shù)目少。二、離子鍍的特點(diǎn)離子鍍把輝光放電等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)技術(shù)結(jié)合在一起，顯著提

50、高了薄膜的各種性能，大大擴(kuò)展了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。與蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜相比較，具有一系列優(yōu)點(diǎn)：（1）可在較低溫度下進(jìn)行，一般低于600。有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最終處理及工件的修復(fù)。（2）膜層附著性能好。濺射清洗作用因?yàn)樵陔x子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對(duì)基片表面產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，對(duì)基片表面吸附的氣體和污物進(jìn)行濺射清洗、使基片表面凈化，而且伴隨鍍膜過程這種凈化清洗隨時(shí)進(jìn)行，直至整個(gè)鍍膜過程完成，這是離子鍍獲得良好附著力的重要原因之一。形成偽擴(kuò)散層離子鍍過程中濺射與淀積兩種現(xiàn)象并存。在鍍膜初期，可在薄膜與基底的界面形成組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，Mattox稱之為“偽擴(kuò)散層”、能有

51、效改善膜層的附著性能。（3）膜層的密度高（通常與大塊材料密度相同）。離子鍍過程中，膜材離子和高能中性原子帶有較高的能量到達(dá)基片，可以在基片上擴(kuò)散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過程中即使形成了蒸氣團(tuán)，到達(dá)基片時(shí)也能被離于轟擊碎化，形成細(xì)小的核心，生長(zhǎng)為細(xì)密的等軸結(jié)晶。在此過程中，高能氬離子對(duì)改善膜層的結(jié)構(gòu)，并使之形成接近塊材的密度值，發(fā)揮了重要作用。也可以說，鍍層質(zhì)量高，主要是由于淀積膜層不斷受到正離子轟擊，從而引起冷凝物發(fā)生濺射，使膜層致密，針孔和氣孔大大減少的緣故。（4）成膜原子繞射性能好。 蒸發(fā)離子電離、繞電力線運(yùn)動(dòng)離子鍍過程中，部分膜材原子被離化成正離子后，它們將沿著電場(chǎng)的電力線方向運(yùn)動(dòng)

52、，凡是電力線分布之處，膜料離子都能到達(dá)。在離子鍍中由于工件為陰極，且?guī)ж?fù)高壓，因此工件的各個(gè)表面（包括孔、槽、面向蒸發(fā)源或背向蒸發(fā)源的表面）都處于電場(chǎng)之中。這樣，膜材的離于就能到達(dá)工件的所有表面。 蒸發(fā)粒子被散射另外，由于膜材在壓強(qiáng)較高情況下（1Pa）被電離，氣體分子的平均自由程比源基之間距離d小，所以蒸氣的離子或分子在它到達(dá)基片的路程中將與惰性氣體分子、電子及其他蒸氣原子之間發(fā)生多次碰撞，產(chǎn)生非定向的氣體散射效應(yīng)，使膜材粒子散射在整個(gè)工件的周圍。（5）膜料圍廣泛?？稍诮饘倩蚍墙饘俦砻嫔襄兘饘倩蚍墙饘貌牧?。如塑料、石英、陶瓷和橡膠等材料，以及各種金屬、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔點(diǎn)材料等

53、。（6）有利于化合物膜層的形成。在離子鍍技術(shù)中，在蒸發(fā)金屬的同時(shí)，向真空室通入某些反應(yīng)氣體，則可反應(yīng)生成化合物。由于輝光放電低溫等離子體中高能電子的作用，將電能變成了金屬粒子的反應(yīng)活化能，所以可在較低溫度下形成在高溫下靠熱激發(fā)才能形成的化臺(tái)物。（7）淀積速率高，成膜速度快，可鍍較厚的膜。通常，離子鍍淀積幾十納米至數(shù)微米厚膜層時(shí)，其速度較其他鍍膜方法快。試驗(yàn)表明；離子鍍每小時(shí)約為0.23mm，鍍不銹鋼每小時(shí)約為0.3mm。離子鍍與真空蒸發(fā)和濺射鍍膜的比較真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜離子鍍電阻加熱電子束DCRF電阻加熱電子束被鍍膜的物質(zhì)：低熔點(diǎn)金屬能能能能能能高熔點(diǎn)金屬不能能能能不能能高溫氧化物不能能能能不能

54、能粒子能量：氣相膜材原子0.1leV1l0eV0.1leV 離 子數(shù)百數(shù)千eV沉積速度(ummin)0.131750.010.50.12150鍍層外觀光澤光澤半光澤半光澤無光澤半光澤無光澤鍍層密度低溫時(shí)密度低高密度高密度鍍層針孔、氣孔低溫時(shí)較多少少膜與基片的界面層若不進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，界面清晰很清晰有擴(kuò)散層附著性不太好較好非常好膜的純度取決于蒸發(fā)材料的純度取決于靶材純度取決于蒸發(fā)材料的純度基片鍍膜情況僅面對(duì)蒸發(fā)源的基片表面被鍍膜面向靶材的基片表面被鍍膜在一定范圍內(nèi)所有表面完全被鍍膜鍍膜前基片的表面處理真空中加熱脫氣或輝光放電清洗表面濺射射清洗，刻蝕(反濺射)濺射清洗(在整鍍膜過程中進(jìn)行)常用壓強(qiáng)<Torr)10-510-61.5×10-12×10-22×10-15×10-1三、離子鍍的種類放電：直流二極、三極及多極、射頻、空心陰極等。蒸發(fā)源：電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光加熱等。射頻離子鍍（Radio Frequency Ion Plating），RF法；活性反應(yīng)離子鍍（Activated Reaction Evaporation），ARE法；空心陰極離子鍍（Hollow Cathode De