真空鍍膜技術的物理課件

1、真空鍍膜技術的物理Ch.2 Physical Foundation of Vacuum Coating Technology 真空鍍膜技術的物理l本章簡要介紹真空鍍膜所涉及的一些通用的物理概念，為以后各章的原理分析、結構設計、參數確定提供基本的理論依據。l鍍膜過程中，原材料的粒子（原子、離子、分子或分子團）從氣相到基體表面上淀積成固態(tài)薄膜，經歷了一系列相變過程，PVD還經歷了由固相變?yōu)闅庀嗟倪^程。l相變過程：固相氣相吸附相（態(tài)）固相l(xiāng)PVD鍍膜工藝包括離散（蒸發(fā)、濺射）過程、輸運離散（蒸發(fā)、濺射）過程、輸運（遷移）過程、沉積（淀積）過程（遷移）過程、沉積（淀積）過程三部分。lCVD鍍膜工藝包括

2、輸運（遷移）過程、沉積（淀積）輸運（遷移）過程、沉積（淀積）過程過程和穿插于二過程之間的反應過程反應過程三部分。 真空鍍膜技術的物理Physical foundation of scattering process 真空鍍膜技術的物理lPVD工藝中的離散過程，是將固體原材料轉化為可以遷移的氣相成分的步驟，常用方法有蒸發(fā)和濺射兩種方法。l對此二過程的分析： 質量守恒及質量遷移； 能量守恒及能量遷移 真空鍍膜技術的物理l原料固相液相氣相 少數直接升華，固相氣相 如鉻l原料參與相變的量：首先全部液化，然后部分汽化感應坩堝l或者：只有一部分參與液化和汽化，其它只是受熱升溫電子槍，激光l所需要的熱量：固

3、相升溫熱、熔化熱、液相升溫熱、汽化潛熱l熱損失量：坩堝熱損失 真空鍍膜技術的物理l原料固相氣相，l原料參與相變的量：只有被濺射原料參與濺射過程，其它原料只是受熱升溫，l所需能量：材料被濺射所需能量，僅占 %l損失能量： 產生入射離子所消耗的能量； 離子入射動能量轉化為靶的熱量損失 真空鍍膜技術的物理Molecular gas dynamics for transfer process 真空鍍膜技術的物理l對于膜材粒子（蒸汽或濺射顆粒）的空間輸運過程，常借用平衡態(tài)理想氣體分子運動論的方法和結論，來描述鍍膜過程中的殘余氣體、工作氣體、甚至金屬蒸汽的性質。lPerfect (ideal) gases

4、 at equilibrious states 真空鍍膜技術的物理lMaxwell distribution of molecular velocitiesl速率分布 zyxzyxdcdcdckTcccmkTmNdN2exp222232dcckTmckTmNdN22322exp24真空鍍膜技術的物理lThe mean number of molecular collisions collision rate cnz22S-1mkTc8 20，1atm，air =4.63109 s-1 z真空鍍膜技術的物理lThe mean number of ion collisions in gas l =

5、2.58103 m/s iiicnz2)(41s-1 meUci2icU真空鍍膜技術的物理lThe mean number of electron collisions in gasl s-1 l l air l =5.93105 m/s eecnz241eemeUc2ec真空鍍膜技術的物理lMean free path of gas l mlMean free path of mistral gas l pkTnzc22221Kiiiinmm12111)2(11真空鍍膜技術的物理lMean free path of ions in gas lMean free path of electro

6、ns in gas 24122pkTnzciii244422pkTnzceee真空鍍膜技術的物理lgaslions in gas lelectrons in gas )exp()(0 xNNxP)exp()(0iiixNNxP)exp()(0eeexNNxP真空鍍膜技術的物理l數量Number s-1m-2 l體積Volume m3s-1m2 l質量Mass kg s-1m-2 l方向Direction mkTpcn241mkTcnV241mMddpcos1真空鍍膜技術的物理l立體角Solid anglel l本結論不僅用于沉積速率Deposition rate計算，l也用于飛離表面的情況，蒸

7、發(fā)速率Evaporation rate（ 甚 至 濺 射 速 率Sputtering rate）的計算cos2rdsd真空鍍膜技術的物理Interaction of gas and vapor with surface 真空鍍膜技術的物理l 淀積成膜的機制mechanism ：氣體或蒸汽分子在固體表面的吸附 Adsorption （或稱粘附）l吸附的分類classification：物理吸附 化學吸附 真空鍍膜技術的物理l吸附力：范氏力force of Van Dev Waals 分子間力，intermolecular forcel包括靜電力、誘導力、彌散力l物理吸附的分子力曲線和分子位能曲線

8、 P6 Fig 21l表面對單一分子的吸附力：電鏡像力，分子力的綜合。 真空鍍膜技術的物理l吸附力：價鍵力force of valence bond 原子間力 interatomic forcel包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵、氫鍵l 化學吸附的位能曲線 P9 Fig 24真空鍍膜技術的物理l吸附幾率,粘附系數lsticking coefficient （sticking probability）= adsorption rate /impingement ratel 吸附時間sojourn time :l吸附熱heat of adsorption ：吸附過程所放出的熱量l物理吸附熱 energy

9、 of physical adsorption 與液化熱的量級相近l化學吸附熱 heat of chemical adsorption 與反應熱的量級相近l激活能activation energyl表面覆蓋度coverage 吸附中心 吸附位 真空鍍膜技術的物理l荷能粒子charged energy particlesl背散射back scatteringl俘獲entrapmentl貫穿penetrationl再釋release l(表面)濺射sputteringl濺射閾threshold energy of sputtering l濺射產額sputtering yield l氣體濺射gas

10、sputteringl損傷damage 真空鍍膜技術的物理l電子誘導脫附electron induced desorption EIDl電子發(fā)射electron emissionl熱電子發(fā)射thermionic emissionl光電子發(fā)射photo-electric emissionl場致發(fā)射field emissionl二次電子發(fā)射secondary electron emission 電子、離子l俄歇電子發(fā)射Auger electron emission 真空鍍膜技術的物理Film growth process and its affecting factors 真空鍍膜技術的物理l島狀

11、生長模式 V-M（volmer-weber）模式主要l層狀生長模式 F-M（Frank-Vander Merwe）模式l混合生長模式 S-K（Stranski-Krastanov）模式 真空鍍膜技術的物理l1)點線網膜 P11 Fig 2-5 2-6lgrowth process of thin film nuclear line net film l點凝結成晶核 大小2nm 間距 30nm 隨機分布； 長大l線l晶核連接 入射原子、分子在基體表面自由移動的結果l晶核合并 較大晶核吃掉較小晶核、合并后晶核的形狀和方位變化，開始再結晶l網連成網絡l膜增厚成膜l膜的形態(tài)單晶膜、多晶膜、外延膜、非晶

12、膜 真空鍍膜技術的物理l(1) 基體表面的狀態(tài) 有無晶格結構缺陷、原子階梯（吸附空位）l表面平整程度 形成第一層膜后，表面越光滑，新晶核越少l有無表面污染 雜質成為吸附中心l(2) 基片的溫度 溫度升高，沉積的粒子自由移動快，成核少而大，不易連成網真空鍍膜技術的物理l(3) 入射粒子的狀態(tài) l具有的動能動能高些，可以轉變?yōu)樵诒砻娴倪w移能，提高遷移率，晶核少而大；但動能過高，轟擊基片，使表面產生缺陷，利于晶核生成，晶核變多l(xiāng)入射的方向傾斜于表面，利于粒子在表面的遷移，不利于成連續(xù)膜 l(4)成膜方法 蒸發(fā)初始晶核少而大，密度低；l濺射初始晶核多而小，密度高 真空鍍膜技術的物理Structure

13、of film 真空鍍膜技術的物理1）組織結構l（1）無定形（非晶）結構無序結構，玻璃態(tài)結構。近程有序，遠程無序，無晶體特征l類無定形結構由極小2 n的晶粒無序排列而成。l（2）多晶結構微晶薄膜，由許多微晶（10100 nm）排列l(wèi)超微粒薄膜，由許多微晶（10 nm排列l(wèi)排列方式：無序多晶薄膜無序排列l(wèi) 晶粒擇優(yōu)取向 錐形（準柱形）結構；柱形結構；纖維結構 l（3）單晶結構外延薄膜。以特定的單晶晶面作為基體表面，生長出具有基體晶體結構的單晶薄膜-稱為外延薄膜 真空鍍膜技術的物理2）晶體結構晶體薄膜中微晶的晶型和晶格常數l近似認為：微晶的晶體結構與塊狀材料相同，只是晶粒的取向和大小與塊狀材料不同

14、。l實際偏差很大l3）表面結構主要影響因素：基片溫度，表面粗糙度，氣體壓力，膜晶體結構l理論上講：薄膜應具有盡可能小的表面積（理想平面）以降低自身能量。l實際上：薄膜的實際表面積幾何面積，厚膜可能大于100倍。l因為有許多孔洞，內表面積很大真空鍍膜技術的物理l產生孔洞的原因：l某些優(yōu)先生長的峰狀微晶產生陰影效應，使某些局部無法受到氣相原子的入射；l殘余氣壓過高時，入射原子在氣相中先凝結成微粒，再在基片上松散堆積，多孔性；l基片溫度低，無表面遷移和重新排列 真空鍍膜技術的物理Film properties and their affecting factors 真空鍍膜技術的物理l薄膜性質包括：

15、力學、電學、磁學、光學、化學、熱學等方面。l本節(jié)主要講薄膜的力學性質：薄膜的力學性質與薄膜的結構密切相關，最主要的力學性質是附著強度，內應力，彈性、強度、硬度和耐磨性等。l附著性能（附著強度）取決于薄膜生長的初始階段，而其它力學性質主要依從于薄膜的生長階段和結構類型。 真空鍍膜技術的物理l 薄膜單位面積截面所承受的來自基片約束的作用力l（1）應力的大小：）應力的大?。簂拉應力薄膜沿膜-基界面收縮，基體對膜層產生拉應力，取正值l壓應力薄膜沿膜-基界面擴展，基體對膜層產生壓應力，取負值l薄膜應力會影響薄膜的機械、電、磁、光等性質，還會產生膜基界面的剪切力l薄膜內應力沿膜厚分布是不均勻的，膜脫落后常

16、卷曲。 真空鍍膜技術的物理l熱應力熱應力：膜材與基體材料的熱脹系數不同而產生的應力（外應力）l降低熱應力的方法：要求選材熱脹系數接近；沉積時基片溫度不要太高、分布均勻，l本征應力本征應力：膜層生長及其結構變化而產生的應力（內應力），l其中包括淀積內應力淀積內應力和附加內應力附加內應力：l 淀積內應力淀積內應力 薄膜形成與生長過程中產生的應力l 薄膜與基片晶格失配（常數不同）；晶核合并、薄膜中的微孔、缺陷、薄膜的相變、自發(fā)退火等過程引起的體積變化（體積變大壓應力，體積變小拉應力）真空鍍膜技術的物理l附加內應力附加內應力：由于暴露大氣后產生氧化、氮化而吸收氣體，體積變大l內應力會在膜基界面間產生剪

17、應力，影響附著強度l（3）應力測量：懸臂法 光學測位移真空鍍膜技術的物理l（1）定義）定義l在膜-基界面處，使薄膜與基片分離所需要的垂直于界面的張力或平行于界面的剪切力。l薄膜的附著性能薄膜本身脆而易碎，為使之耐用，可靠，必須牢固地依附于基片上，附著性能就是薄膜與基片相互結合的性能。主要取決于二者界面的情況。真空鍍膜技術的物理l（2）附著類型：）附著類型：l簡單附著：有清楚的突變界面l附著能在數值上等于分開單位附著面所需要的功 l 附著能 薄膜表面能； 基片表面能 l如果是單純的物理附著，附著力主要是范德華力。對簡單附著影響最大的是表面污染。 fssfEEEwfsEfEsE真空鍍膜技術的物理l

18、擴散附著：由于兩種材料相互擴散，溶解而形成漸變界面l實現擴散附著的方法：基片加熱法，離子注入法，離子轟擊法等。l如果是單純物理附著，提高附著性能的原因可以解釋為實際結合（接觸）面積的增大。l中間層附著：在薄膜和基片間形成化合物中間層l中間層可以是一種或多種化合物，可以是膜、基及氣體成分的化合物l形成中間層的方法：反應蒸發(fā)，反應濺射，蒸發(fā)或濺射過渡層，基片表面摻雜真空鍍膜技術的物理l宏觀效應附著： 機械鎖合l基片上有分布適當的微孔、裂縫，成膜時有膜材原子進入形成互嵌l（3）附著力范德華力、化學鍵力、靜電力、機械鎖合力真空鍍膜技術的物理l（4）影響因素：l基片表面狀態(tài)清潔程度，是否有污染層l材料自

19、身的性質表面能量小的材料易于附著在表面能大的材料上，反之則很困難（如塑料鍍金屬）l基片溫度提高溫度利于擴散，加速化學反應，但溫度過高會使晶粒粗大，增加熱應力l沉積方法蒸發(fā)濺射離子l沉積速率大，形成氧化物中間層少，膜結構疏松，附著力差真空鍍膜技術的物理l（5）提高附著強度的方法l基片的鍍前處理：去掉粉塵、油漬、氧化膜、吸附氣體； l成膜時基片加熱：利于膜結構缺陷的減少，再結晶加強，內應力?。坏珳囟冗^高熱應力大； l控制沉積速率：沉積過快不利再結晶等膜的正常生長過程的進行l(wèi)基片與膜之間打底膜、過渡膜、梯度膜； 例如：鍍銀鋁電接頭，銀在鋁中的溶解度為1%，鋁上直接鍍銀，附著強度很差，銅在鋁中的溶解度

20、為5.6%，鋁在銅中的溶解度為9.4%，銀在銅中的溶解度為8%，在鋁上鍍銅做底膜，再鍍銀。l鍍后熱處理，在膜基界面處，形成擴散合金層 真空鍍膜技術的物理l（6）附著強度的測定方法：l拉剝法，粘結膠帶在薄膜上；l拉倒法，粘結金屬立柱在薄膜上；l劃痕法，測定劃痕時摩擦力和摩擦系數，突變時為膜破；l薄膜的電學性質：薄膜電導、方塊電阻、電阻溫度系數由負變正l薄膜的光學性質：書中給出增透膜的光學原理真空鍍膜技術的物理Particle collision phenomena in gas discharge 真空鍍膜技術的物理分類 Classification 條件 Condition 附著碰撞 Atta

21、chment collision e + A A 慢電子激發(fā)碰撞 Excitation collision e + A A* + e 激發(fā)電位 E voltage Ue 電離碰撞 Ionization collision e + A A+ + 2e 電離電位 I voltage Ui 復合碰撞 Recombination collision e + A+ A A + A+ 2A 空間復合Recombination in space 表面復合Recombination on surface 真空鍍膜技術的物理Gas discharge with cool cathode 真空鍍膜技術的物理l非自

22、持放電lnon self-maintained discharge OC l自持放電lself-maintained discharge C以后l 自持放電不需要外界提供載流子（電子）l湯生放電lTownsend discharge OABCDl著火點lsparking point (breakdown) D點l過渡段transition range DEl正常輝光放電 lnormal glow discharge EFl異常輝光放電l abnormal glow discharge FGl弧光放電 arc discharge GH 真空鍍膜技術的物理l解釋為什么會有伏安特性曲線，從陰極發(fā)射電

23、子的機制解釋正常輝光、異常輝光、弧光放電的放電特征l(1)湯生放電湯生放電Townsend discharge OABCD 暗放電 dark l外來受激電子被利用、達到飽和、產生自激載流子（空間繁流、電極發(fā)射）l(2)著火點著火點sparking point (break down) D點 光亮放電 bright 電極場致發(fā)射電子l過渡段transition range DE 不需要高電壓維持電流，所以電流增加電壓反下降真空鍍膜技術的物理l(3) 正常輝光放電正常輝光放電 normal glow discharge EF 陰極場致發(fā)射電子，靠增加發(fā)射面積提高電流，所以，電流增加，電壓不變。直至

24、輝光布滿整個陰極。l(4) 異常輝光放電異常輝光放電 abnormal glow discharge FG 陰極場致發(fā)射電子，靠增加單位面積發(fā)射強度提高電流，所以，電流增加，需要電壓增加。輝光一直布滿整個陰極。l(5) 弧光放電弧光放電arc discharge 陰極發(fā)射大量電子，受正離子撞擊嚴重，發(fā)熱。轉為熱電子發(fā)射，能力大大加強，有所以，電流越大，電壓越低，稱為負特性。 真空鍍膜技術的物理l考察放電區(qū)間的內特性：亮度、電位、電場、溫度的分布 見P21 Fig 210l(1)陰極區(qū)cathode glow (dark) space l共稱陰極位降區(qū)cathode potential fall

25、 space包括:l阿斯登暗區(qū)Aston dark space、l陰極輝區(qū)cathode glow space、l陰極暗區(qū)cathode dark space是放電的關鍵 l隨后有負輝區(qū)negative glow space l和法拉第暗區(qū)Faraday dark space。l（2）正柱區(qū)positive column 等離子體plasma 無明顯電壓降 可長可短l（3）陽極區(qū)anode dark space 可有可無l各區(qū)的特征規(guī)律 通過移動電極觀察 真空鍍膜技術的物理l（2）正柱區(qū)positive column 等離子體plasma 無明顯電壓降 可長可短l（3）陽極區(qū)anode dar

26、k space 可有可無l各區(qū)的特征規(guī)律 通過移動電極觀察 真空鍍膜技術的物理l實際十分關心放電起輝條件。發(fā)現與極間距d和氣體壓力P有關，但不是獨立相關。 l帕邢定律 Paschens law：著火電壓與Pd的乘積有關 l 見P24 218式l帕邢曲線Paschens curve：見P24 Fig212 有極小值l原因解釋：左枝 Pd小，氣體分子少，電子碰撞次數少，需高電位提高電離幾率，l右枝Pd大，氣體分子多，電子能量積累少，需高電位提高電離幾率l實際應用：合理選擇靶基距、氣體壓力和放電電壓 )(PdfUs真空鍍膜技術的物理l只需很小面積的電子發(fā)射，有輝光，稱為陰極輝點、陰極斑點。 正柱區(qū)變

27、為弧柱區(qū)l低電壓、大電流、高溫度、強弧光l 鍍膜設備中與放電管中放電的不同：陽極面積大而分散，導致正柱區(qū)（等離子區(qū)）、弧柱區(qū)分散，變得很大很淡，看不清邊緣，只看見輝光放電的陰極輝區(qū)和弧光放電的陰極斑點（弧豆）。真空鍍膜技術的物理Gas discharge with hot cathode 真空鍍膜技術的物理l1） 結構 constructionl改善電子發(fā)射機制，用外加熱源加熱電極，l形成熱電子發(fā)射，使放電的其他維持條件更l容易滿足。但屬于非自持放電。l2) 伏安特性Current-voltage characteristics 見P28 Fig2-16l放電電流的大小與極間電壓關系不大（足夠

28、電離電位就行），但與氣體壓力有明顯關系。l3) 著火電壓 Sparking voltage 見P29 Fig2-17l是指極間開始產生明顯電離，產生等離子體。不同于冷陰極放電的著火電壓 真空鍍膜技術的物理Magnetron glow discharge 真空鍍膜技術的物理l（1） 電磁場的結構 construction of electromagnetic fieldl平面正交電磁場 徑向電場軸向磁場 真空鍍膜技術的物理l（2） 在真空中的運動 Movement in vacuuml軌跡：擺線（旋輪線）。 當磁場路徑彎曲時，軌跡隨之偏轉。l（3） 在氣體中的運動 Movement in gas

29、esl有碰撞. 軌跡：一方面做擺線運動 一方面向陽極靠近。l（4） 磁控的結果 Result of magnetron l路徑、碰撞次數、電離幾率都大大增加真空鍍膜技術的物理l（1） 維持放電的氣體壓力更低lower pressure，有利于輸運過程 l（2） 放電的著火電壓更低lower sparking voltage，l不符合帕邢定律見P30 Fig2-19l（3） 伏安特性Current-voltage characteristics I-U curvel與異常輝光放電相似（電流與電壓對應有關、可調）。但放電電壓顯著下降，l10-2V即可，更安全。見P31 Fig2-20l（4） 放電

30、集中于磁場較強之處 Discharge at strong magnetic field area l電場、磁場與氣壓的合理匹配，是關鍵 真空鍍膜技術的物理High-frequency glow discharge 真空鍍膜技術的物理l1）概念 Conception 結構與原理 Construction & Principle l在二電極間加上頻率在MHz以上的高頻交變電源而引發(fā)的氣體放電。l工業(yè)常用頻率13.56MHz ，因為處于發(fā)射頻率范圍，又稱射頻輝光放電。Radio-frequency.l小常識：“短波 918 MHz 中波0.5351.6 MHz 調頻立體聲 87108 MHz 。l2）機制 Mechanism l放電時，主要是電子在電極間做微幅高頻振蕩運動，被不斷地加速減速，與氣體分子碰撞將其電離，形成輝光放電，產生等離子體。正離子質量大，運動很小，可視為靜止。真空鍍膜技術的物理l3）特征和形式 Characterist