第五章 氣相沉積技術(shù)

1、 第五章第五章 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)1. 氣相沉積技術(shù)的分類氣相沉積技術(shù)的分類 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是利是利用氣用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程，過程，在各種材料或制品表面沉積在各種材料或制品表面沉積單層單層或或多層多層薄膜，薄膜，從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。從而使材料或制品獲得所需的各種優(yōu)異性能。 氣相沉積技術(shù)一般可分為兩大類：氣相沉積技術(shù)一般可分為兩大類：物理氣相沉物理氣相沉積（積（PVD)和和化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVD）。 薄膜生長模式：薄膜生長模式：1）島狀生長；）島狀生長；2）層狀生長；）層狀生長；3）層狀加島狀生長）層狀加島狀生長1.物理

2、氣相沉積物理氣相沉積(PVD): 在真空條件下，利用各種在真空條件下，利用各種物理方法物理方法，將鍍料氣，將鍍料氣化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面上的方法。主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、基體表面上的方法。主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜等。離子鍍膜等。 PVD法已廣泛用于機(jī)械、航空、電子、輕工和法已廣泛用于機(jī)械、航空、電子、輕工和光學(xué)等工業(yè)部門中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、光學(xué)等工業(yè)部門中制備耐磨、耐蝕、耐熱、導(dǎo)電、磁性、光學(xué)、裝飾、潤滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。磁性、光學(xué)、裝飾、潤滑、壓電和超導(dǎo)等各種鍍層。隨著隨著PVD設(shè)備的不

3、斷完善、大型化和連續(xù)化，它的設(shè)備的不斷完善、大型化和連續(xù)化，它的應(yīng)用范圍和可鍍工件尺寸不斷擴(kuò)大，已成為國內(nèi)外應(yīng)用范圍和可鍍工件尺寸不斷擴(kuò)大，已成為國內(nèi)外近近20年來爭相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。年來爭相發(fā)展和采用的先進(jìn)技術(shù)之一。2.化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD) : 把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學(xué)化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。 主要包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積主要包括常壓化學(xué)氣相沉積、低

4、壓化學(xué)氣相沉積和兼有和兼有CVD和和PVD兩者特點的等離子化學(xué)氣相沉積等。兩者特點的等離子化學(xué)氣相沉積等。此外，還有有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積以及激光（電子束）此外，還有有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積以及激光（電子束）化學(xué)氣相沉積?；瘜W(xué)氣相沉積。 2.化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD) : 目前，目前，CVD法在電子、宇航、光學(xué)、能源等工業(yè)法在電子、宇航、光學(xué)、能源等工業(yè)中廣泛用于制備化合物單晶，同質(zhì)和異質(zhì)外延單晶層，中廣泛用于制備化合物單晶，同質(zhì)和異質(zhì)外延單晶層，制備耐磨、耐熱、耐蝕和抗輻射的多晶保護(hù)層。此外，制備耐磨、耐熱、耐蝕和抗輻射的多晶保護(hù)層。此外，CVD是大規(guī)模集成電路制作的核心工藝，已廣泛用于是

5、大規(guī)模集成電路制作的核心工藝，已廣泛用于制備半導(dǎo)體外延層、制備半導(dǎo)體外延層、PN結(jié)、擴(kuò)散源、介質(zhì)隔離、擴(kuò)結(jié)、擴(kuò)散源、介質(zhì)隔離、擴(kuò)散掩蔽膜等。散掩蔽膜等。真真空技術(shù)基礎(chǔ)空技術(shù)基礎(chǔ) 真空真空:“低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓里的氣體狀態(tài)低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓里的氣體狀態(tài)”。 相對于大氣狀態(tài)，在真空狀態(tài)下氣體的新特點：相對于大氣狀態(tài)，在真空狀態(tài)下氣體的新特點： 1：氣體分子數(shù)目的減少，即氣體單位體積中所：氣體分子數(shù)目的減少，即氣體單位體積中所具有的分子數(shù)目的減少；具有的分子數(shù)目的減少； 2：伴隨著氣體分子數(shù)目的減少，分子之間、分：伴隨著氣體分子數(shù)目的減少，分子之間、分子與器壁之間相互碰撞的次數(shù)逐漸減少；子與器壁之間

6、相互碰撞的次數(shù)逐漸減少； 3：氣體分子熱運動自由路程的增大。：氣體分子熱運動自由路程的增大。 一、真空度和真空區(qū)域的劃分一、真空度和真空區(qū)域的劃分 真空高低的程度是用真空度這個物理量來真空高低的程度是用真空度這個物理量來衡量的。所謂衡量的。所謂真空度真空度，即是指低壓空間中氣態(tài)，即是指低壓空間中氣態(tài)物質(zhì)的稀薄程度。氣體的壓力越低，其稀薄程物質(zhì)的稀薄程度。氣體的壓力越低，其稀薄程度越大，真空度越高。度越大，真空度越高。一、真空度和真空區(qū)域的劃分一、真空度和真空區(qū)域的劃分 壓強(qiáng)的單位主要采用壓強(qiáng)的單位主要采用Pa和和Torr，還，還有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、bar、kgf/cm2。幾種常見單位之

7、間的換算關(guān)系如下：幾種常見單位之間的換算關(guān)系如下：1 Torr = 133.3 Pa1 Pa = 7.510-3 Torr1 Torr = 1 mmHg 柱柱1 Torr = 1/760 大氣壓大氣壓一、真空度和真空區(qū)域的劃分一、真空度和真空區(qū)域的劃分 通常將真空區(qū)域劃分為：低真空、中通常將真空區(qū)域劃分為：低真空、中真空、高真空和超高真空。真空、高真空和超高真空。各真空區(qū)域所對應(yīng)的真空值分別為：各真空區(qū)域所對應(yīng)的真空值分別為： 低低 真真 空：空：105 102 Pa 中中 真真 空：空：102 10-1 Pa高高 真真 空：空：10-110-5 Pa超高真空：超高真空： 10-5 Pa二、真

8、空的特點和應(yīng)用二、真空的特點和應(yīng)用 1.1.表面保護(hù)作用表面保護(hù)作用 在真空下，金屬的氧化反應(yīng)很少進(jìn)行或完全不在真空下，金屬的氧化反應(yīng)很少進(jìn)行或完全不能進(jìn)行。因此，能夠防止鋼件表面的氧化和脫碳，能進(jìn)行。因此，能夠防止鋼件表面的氧化和脫碳，具有表面保護(hù)作用。具有表面保護(hù)作用。2.2.表面凈化作用表面凈化作用 在真空狀態(tài)下，氧化物的分解所產(chǎn)生氣體的壓在真空狀態(tài)下，氧化物的分解所產(chǎn)生氣體的壓力（稱為分解壓力）大于真空爐內(nèi)氧的壓力，反應(yīng)力（稱為分解壓力）大于真空爐內(nèi)氧的壓力，反應(yīng)只能向氧化物分解的方向進(jìn)行，因此當(dāng)鋼件表面有只能向氧化物分解的方向進(jìn)行，因此當(dāng)鋼件表面有氧化物時，就可使其中的氧排除掉，使表

9、面得到凈氧化物時，就可使其中的氧排除掉，使表面得到凈化；化；二、真空的特點和應(yīng)用二、真空的特點和應(yīng)用2.2.表面凈化作用表面凈化作用 真空熱處理時，鋼件表面油污中的碳、氧、氫真空熱處理時，鋼件表面油污中的碳、氧、氫的化合物易分解為氫、水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w，隨的化合物易分解為氫、水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w，隨后被抽走；后被抽走； 在真空下長時間加熱時，零件在前幾道工序在真空下長時間加熱時，零件在前幾道工序（熔煉、鑄造、熱處理等）中所吸收的氫、氧等氣（熔煉、鑄造、熱處理等）中所吸收的氫、氧等氣體會慢慢地釋放出來，從而降低鋼件的脆性。體會慢慢地釋放出來，從而降低鋼件的脆性。二、真空的特點和應(yīng)用二、真空的特

10、點和應(yīng)用 3.3.減少氣體分子之間的碰撞次數(shù)。減少氣體分子之間的碰撞次數(shù)。4.4.真空的絕熱性好。真空的絕熱性好。5.5.可降低物質(zhì)的沸點或氣化點?？山档臀镔|(zhì)的沸點或氣化點。四、真空的獲得四、真空的獲得 通過通過真空泵真空泵實現(xiàn)實現(xiàn)。 真空泵從高真空泵從高/超真空到粗超真空到粗/低真空，其產(chǎn)品低真空，其產(chǎn)品大致可分大致可分14大類：大類： 高高/超真空超真空低溫泵、分子泵、濺射離子泵、低溫泵、分子泵、濺射離子泵、鈦升華泵、擴(kuò)散泵。鈦升華泵、擴(kuò)散泵。 中真空中真空干泵、雙級旋片泵、羅茨泵、油增壓干泵、雙級旋片泵、羅茨泵、油增壓泵、水蒸氣噴射泵。泵、水蒸氣噴射泵。 粗粗/低真空低真空單級旋片泵、滑

11、閥泵、液環(huán)泵、單級旋片泵、滑閥泵、液環(huán)泵、往復(fù)式真空泵。往復(fù)式真空泵。 5.1.1 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 真空蒸鍍定義：真空蒸鍍定義：真空蒸發(fā)是制備薄膜的一種常真空蒸發(fā)是制備薄膜的一種常用工藝，在工業(yè)上應(yīng)用較多。具體過程是：通常在用工藝，在工業(yè)上應(yīng)用較多。具體過程是：通常在真空度為真空度為10-4-10-5Torr的真空室內(nèi)進(jìn)行，采用電的真空室內(nèi)進(jìn)行，采用電阻式加熱、阻式加熱、 電子束加熱、電弧加熱及激光加熱等加電子束加熱、電弧加熱及激光加熱等加熱方法，使金屬或者合金等材料蒸發(fā)和升華，由固熱方法，使金屬或者合金等材料蒸發(fā)和升華，由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（原子、分子或原子團(tuán)）；蒸發(fā)的氣態(tài)態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（原

12、子、分子或原子團(tuán)）；蒸發(fā)的氣態(tài)粒子通過基本上沒有碰撞的直線方式從蒸發(fā)源傳輸粒子通過基本上沒有碰撞的直線方式從蒸發(fā)源傳輸?shù)交?，并在基片上沉積成膜。導(dǎo)電材料、介質(zhì)到基片上，并在基片上沉積成膜。導(dǎo)電材料、介質(zhì)材料、磁性材料和半導(dǎo)體材料等，都可以通過真空材料、磁性材料和半導(dǎo)體材料等，都可以通過真空蒸發(fā)工藝制備。蒸發(fā)工藝制備。二、真空蒸鍍方式和設(shè)備二、真空蒸鍍方式和設(shè)備（一）蒸發(fā)方式及蒸發(fā)源（一）蒸發(fā)方式及蒸發(fā)源 真空蒸鍍可采用的不同的加熱方法，主要有：電真空蒸鍍可采用的不同的加熱方法，主要有：電阻加熱法、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱法、激光加熱阻加熱法、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱法、激光加熱法。法。 蒸

13、發(fā)源蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源，也稱加熱器。為蒸發(fā)源，也稱加熱器。1.電阻加熱法電阻加熱法 用絲狀或片狀的高熔點金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)用絲狀或片狀的高熔點金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，將膜料放入其中，接通電源，電阻加熱膜料使之源，將膜料放入其中，接通電源，電阻加熱膜料使之蒸發(fā)。蒸發(fā)。 對蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點，低蒸氣壓，對蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點，低蒸氣壓，在蒸發(fā)溫度下不會與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有在蒸發(fā)溫度下不會與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等

14、性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭、石墨、氮化硼等高熔點材料。按照蒸發(fā)鎢、鉬、鉭、石墨、氮化硼等高熔點材料。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成多股線螺旋形、材料的不同，可制成多股線螺旋形、U形、圓錐筐形、形、圓錐筐形、薄板形、舟形等。薄板形、舟形等。 電電阻阻加加熱熱蒸蒸發(fā)發(fā)源源2.電子束加熱電子束加熱 用電子槍發(fā)射出的高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物用電子槍發(fā)射出的高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。包括：發(fā)射電子的熱陰極、電質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。包括：發(fā)射電子的熱陰極、電子加速極、陽極（鍍膜材料）。子加速極、陽極（鍍膜材料）。 由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了蒸發(fā)物由于是直接在蒸發(fā)物質(zhì)中加熱，避免了蒸發(fā)物質(zhì)與容

15、器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故可制備高純質(zhì)與容器的反應(yīng)和蒸發(fā)源材料的蒸發(fā)，故可制備高純度的膜層。一般用于電子元件和半導(dǎo)體用的鋁和鋁合度的膜層。一般用于電子元件和半導(dǎo)體用的鋁和鋁合金，此外，用電子束加熱也可以使高熔點金屬（如金，此外，用電子束加熱也可以使高熔點金屬（如W，Mo，Ta等）熔化、蒸發(fā)。等）熔化、蒸發(fā)。2.電子束加熱電子束加熱2.電子束加熱電子束加熱2.電子束加熱電子束加熱3.高頻感應(yīng)加熱法高頻感應(yīng)加熱法 在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸在高頻感應(yīng)線圈中放入氧化鋁和石墨坩堝，蒸鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加鍍的材料置于坩鍋中，通過高頻交流電使材料感應(yīng)加熱而蒸發(fā)。

16、熱而蒸發(fā)。 此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈此法主要用于鋁的大量蒸發(fā)，得到的膜層純凈而且不受帶電粒子的損害。而且不受帶電粒子的損害。 4.激光加熱法激光加熱法 采用激光照射在膜料表面，使其加熱蒸發(fā)。采用激光照射在膜料表面，使其加熱蒸發(fā)。 由于不同材料吸收激光的波段范圍不同，因而由于不同材料吸收激光的波段范圍不同，因而需要選用相應(yīng)的激光器。例如用二氧化碳連續(xù)激光加需要選用相應(yīng)的激光器。例如用二氧化碳連續(xù)激光加熱熱SiO、ZnS、MgF2、TiO2、Al2O3、Si3N4等膜料；等膜料；用紅寶石脈沖激光加熱用紅寶石脈沖激光加熱Ge、GaAs等膜料。等膜料。 由于激光功率很高，所以可蒸發(fā)任何

17、能吸收激由于激光功率很高，所以可蒸發(fā)任何能吸收激光光能的高熔點材料，蒸發(fā)速率極高，制得的膜成分光光能的高熔點材料，蒸發(fā)速率極高，制得的膜成分幾乎與膜料成分一樣。幾乎與膜料成分一樣。激激光光陶陶瓷瓷蒸蒸鍍鍍示示意意圖圖 四、合金蒸鍍四、合金蒸鍍 根據(jù)蒸發(fā)鍍的原理可知：通過采用單金屬鍍料根據(jù)蒸發(fā)鍍的原理可知：通過采用單金屬鍍料或合金鍍料我們就可在基體上得到單金屬膜層或得或合金鍍料我們就可在基體上得到單金屬膜層或得到合金膜層。但由于在同一溫度下，不同的金屬具到合金膜層。但由于在同一溫度下，不同的金屬具有不同的飽和蒸氣壓，其蒸發(fā)速度也不一樣，蒸發(fā)有不同的飽和蒸氣壓，其蒸發(fā)速度也不一樣，蒸發(fā)速度快的金屬

18、將比蒸發(fā)速度慢的金屬先蒸發(fā)完，這速度快的金屬將比蒸發(fā)速度慢的金屬先蒸發(fā)完，這樣所得的膜層成分就會與合金鍍料的成分有明顯的樣所得的膜層成分就會與合金鍍料的成分有明顯的不同。不同。四、合金蒸鍍四、合金蒸鍍 為解決這個問題，可采用以下方法：為解決這個問題，可采用以下方法： 多源同時蒸鍍法：多源同時蒸鍍法：采用多蒸發(fā)源，使各種金采用多蒸發(fā)源，使各種金屬分別蒸發(fā)，氣相混合，同時沉積。利用該法還可屬分別蒸發(fā)，氣相混合，同時沉積。利用該法還可以得到用冶煉方法所得不到的合金材料薄膜。以得到用冶煉方法所得不到的合金材料薄膜。 瞬源同時蒸鍍法（閃蒸法）瞬源同時蒸鍍法（閃蒸法）：采用單蒸發(fā)源，：采用單蒸發(fā)源，使加熱

19、器間斷的供給少量熱量，產(chǎn)生瞬間蒸發(fā)。使加熱器間斷的供給少量熱量，產(chǎn)生瞬間蒸發(fā)。真空蒸鍍設(shè)備：真空蒸鍍設(shè)備：用于進(jìn)行真空蒸鍍的裝置，一般由四部分組成用于進(jìn)行真空蒸鍍的裝置，一般由四部分組成: （1）真空室：用于放置鍍件，進(jìn)行鍍膜的場所；）真空室：用于放置鍍件，進(jìn)行鍍膜的場所；（2）真空（排氣）系統(tǒng)：一般由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、）真空（排氣）系統(tǒng)：一般由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、管道、閥門等組成；管道、閥門等組成；（3）蒸發(fā)系統(tǒng)：包括蒸發(fā)源，加熱蒸發(fā)源的電氣設(shè)）蒸發(fā)系統(tǒng)：包括蒸發(fā)源，加熱蒸發(fā)源的電氣設(shè)備；備；（4）電氣設(shè)備：用于測量真空系統(tǒng)，膜厚測量系統(tǒng)，）電氣設(shè)備：用于測量真空系統(tǒng)，膜厚測量系統(tǒng)，控制臺等。控制

20、臺等。真空真空蒸鍍工藝：蒸鍍工藝：（1）基片表面的清潔）基片表面的清潔（2）鍍膜前的準(zhǔn)備：）鍍膜前的準(zhǔn)備：1）抽真空）抽真空10-3-10-2Pa；2）加熱基片；加熱基片；3）鍍料預(yù)熱。）鍍料預(yù)熱。（3）蒸鍍：工藝參數(shù)包括：基片溫度、鍍料蒸）蒸鍍：工藝參數(shù)包括：基片溫度、鍍料蒸發(fā)溫度；沉積氣壓。發(fā)溫度；沉積氣壓。（4）取件：抽真空降溫）取件：抽真空降溫30分鐘至分鐘至100.影響因素：影響因素：（1）真空度：）真空度： 10-4-10-2Pa（2）基體表面狀態(tài)：清潔度、溫度、晶體結(jié)構(gòu)。）基體表面狀態(tài)：清潔度、溫度、晶體結(jié)構(gòu)。（3）蒸發(fā)溫度：溫度越高，蒸汽壓越大，成膜）蒸發(fā)溫度：溫度越高，蒸汽壓

21、越大，成膜速率越快。速率越快。（4）蒸發(fā)和凝結(jié)速率：蒸發(fā)速率）蒸發(fā)和凝結(jié)速率：蒸發(fā)速率=凝聚速率。蒸凝聚速率。蒸發(fā)速率與蒸發(fā)溫度呈指數(shù)上升關(guān)系。發(fā)速率與蒸發(fā)溫度呈指數(shù)上升關(guān)系。蒸鍍用途蒸鍍用途 蒸鍍只用于鍍制對結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功蒸鍍只用于鍍制對結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜，例如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭的增透膜能膜，例如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭的增透膜等。等。 蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成分這點蒸鍍用于鍍制合金膜時，在保證合金成分這點上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時，蒸鍍上，要比濺射困難得多，但在鍍制純金屬時，蒸鍍可以表現(xiàn)出鍍膜速度快的優(yōu)勢?？梢员憩F(xiàn)出鍍膜速度快的優(yōu)勢。蒸鍍

22、用途蒸鍍用途蒸鍍純金屬膜中，蒸鍍純金屬膜中，90是鋁膜。鋁膜有廣泛的用是鋁膜。鋁膜有廣泛的用途。目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用蒸鍍，以鋁代途。目前在制鏡工業(yè)中已經(jīng)廣泛采用蒸鍍，以鋁代銀，節(jié)約貴重金屬。集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，銀，節(jié)約貴重金屬。集成電路是鍍鋁進(jìn)行金屬化，然后再刻蝕出導(dǎo)線。在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用然后再刻蝕出導(dǎo)線。在聚酯薄膜上鍍鋁具有多種用途：制造小體積的電容器；制做防止紫外線照射的途：制造小體積的電容器；制做防止紫外線照射的食品軟包裝袋；經(jīng)陽極氧化和著色后即得色彩鮮艷食品軟包裝袋；經(jīng)陽極氧化和著色后即得色彩鮮艷的裝飾膜。雙面蒸鍍鋁的薄鋼板可代替鍍錫的馬口的裝飾膜。雙面蒸鍍鋁的薄

23、鋼板可代替鍍錫的馬口鐵制造罐頭盒。鐵制造罐頭盒。5.1.2 濺射鍍膜濺射鍍膜 1 濺射現(xiàn)象濺射現(xiàn)象 用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相的過程面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相的過程稱為稱為濺射濺射。 濺射鍍膜濺射鍍膜:在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過程。在工件表面沉積的過程。 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理 1 濺射現(xiàn)象

24、濺射現(xiàn)象 用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表用幾十電子伏或更高動能的荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相的過程面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相的過程稱為稱為濺射濺射。 濺射鍍膜濺射鍍膜:在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表在真空室中，利用荷能粒子轟擊材料表面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后面，使其原子獲得足夠的能量而濺出進(jìn)入氣相，然后在工件表面沉積的過程。在工件表面沉積的過程。 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理 1 濺射現(xiàn)象濺射現(xiàn)象 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理入射粒子非彈性碰撞效應(yīng)非彈性碰撞效應(yīng)反沖注入 注入濺射粒子：M0、M+、M-、Mn

25、光子基材M通道注入二次電子X-射線反射粒子I0、I+、I-、In彈性碰撞效應(yīng)彈性碰撞效應(yīng) 1 濺射現(xiàn)象濺射現(xiàn)象 在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為在濺射鍍膜中，被轟擊的材料稱為靶靶。 由于離子易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能由于離子易于在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn)，所以荷能粒子一般為離子，稱為粒子一般為離子，稱為離子濺射離子濺射。用離子束轟擊靶而。用離子束轟擊靶而發(fā)生的濺射，則稱為發(fā)生的濺射，則稱為離子束濺射離子束濺射。 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理濺射產(chǎn)額濺射產(chǎn)額 一個入射離子濺射出的原子或分子個數(shù)稱為一個入射離子濺射出的原子或分子個數(shù)稱為濺濺射產(chǎn)額射產(chǎn)額或或濺射率濺射率，單位為原子個數(shù)離子。，單

26、位為原子個數(shù)離子。顯然，濺顯然，濺射率越大，生成膜的速度就越大。射率越大，生成膜的速度就越大。 一、一、濺射鍍膜原理濺射鍍膜原理每入射一個粒子濺射出來的原子數(shù)Y影響濺射影響濺射產(chǎn)額產(chǎn)額的因素主要有：的因素主要有：入射離子：包括入射離子的能量、入射角、入入射離子：包括入射離子的能量、入射角、入射離子種類等；射離子種類等；與靶有關(guān)：包括靶原子的原子序數(shù)、靶表面原與靶有關(guān)：包括靶原子的原子序數(shù)、靶表面原子的結(jié)合狀態(tài)、結(jié)晶取向以及靶材是純金屬、合金子的結(jié)合狀態(tài)、結(jié)晶取向以及靶材是純金屬、合金或化合物等；或化合物等；與溫度有關(guān)：一般認(rèn)為濺射率在和升華能密切與溫度有關(guān)：一般認(rèn)為濺射率在和升華能密切相關(guān)的某

27、一溫度內(nèi)，濺射率幾乎不隨溫度變化而變相關(guān)的某一溫度內(nèi)，濺射率幾乎不隨溫度變化而變化，當(dāng)溫度超過這一范圍時，濺射率有迅速增加的化，當(dāng)溫度超過這一范圍時，濺射率有迅速增加的趨向。趨向。 最大值最大值閾值入射離子的能量入射離子的能量入射離子能量對入射離子能量對濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響 入射離子能量對入射離子能量對濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響只有當(dāng)入射離子能量超只有當(dāng)入射離子能量超過一定的過一定的濺射閥值濺射閥值以后、以后、才會出現(xiàn)被濺射物表面才會出現(xiàn)被濺射物表面濺射。濺射。對大多數(shù)金屬，對大多數(shù)金屬，濺射閥值范圍在濺射閥值范圍在20-40ev。隨著入射離子能量的增隨著入射離子能量的增加、濺射產(chǎn)額

28、先是提高加、濺射產(chǎn)額先是提高而后下降并發(fā)生注入而后下降并發(fā)生注入 是入射方向與樣是入射方向與樣品法向的夾角。品法向的夾角。 當(dāng)當(dāng) = = 6060o o- 70- 70o o時，時，濺射產(chǎn)額最大，濺射產(chǎn)額最大，但對不同的材料，但對不同的材料，增大情況不同。增大情況不同。 離子入射度對離子入射度對濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響 入射離子原子系數(shù)對入射離子原子系數(shù)對濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響 圖為圖為Ar+在在400eV時對一些元素的濺射產(chǎn)額時對一些元素的濺射產(chǎn)額靶原子系數(shù)對靶原子系數(shù)對濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響 濺射產(chǎn)額與元素的升華熱倒數(shù)的對比濺射產(chǎn)額與元素的升華熱倒數(shù)的對比 升華能對升華能對

29、濺射濺射產(chǎn)額的影響產(chǎn)額的影響 在在100-1000 eV100-1000 eV下，用下，用HgHg+ +垂直入射垂直入射MoMo和和FeFe的濺的濺射粒子的角分布射粒子的角分布 濺射粒子能量分布曲線濺射粒子能量分布曲線 濺射原子的動能一般為濺射原子的動能一般為1 110ev10ev，高于熱蒸發(fā)原子（約，高于熱蒸發(fā)原子（約0.10.11ev1ev動能）。動能）。2 輝光放電輝光放電 輝光放電是濺射的基輝光放電是濺射的基礎(chǔ)，礎(chǔ)，輝輝光放電屬于低氣壓光放電屬于低氣壓放電放電（1010-2-2Pa-10Pa)Pa-10Pa)，其構(gòu)造是在其構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個平行的封閉的容器內(nèi)放置兩個平行的電極

30、板電極板，兩極間加高壓，將氣，兩極間加高壓，將氣體擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象。體擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象。濺射鍍?yōu)R射鍍膜主要是利用輝光放電將氣體膜主要是利用輝光放電將氣體電離產(chǎn)生正離子撞擊靶材表面，電離產(chǎn)生正離子撞擊靶材表面，靶材的原子被濺射出而堆積在靶材的原子被濺射出而堆積在基底表面形成薄膜?；妆砻嫘纬杀∧?。2 輝光放電輝光放電氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性八個區(qū)域：八個區(qū)域：1）阿斯頓暗區(qū)）阿斯頓暗區(qū)2）陰極輝光區(qū)）陰極輝光區(qū)3）陰極暗區(qū)）陰極暗區(qū)4）負(fù)輝區(qū)）負(fù)輝區(qū)5）法拉第暗區(qū)）法拉第暗區(qū)6）正柱區(qū)）正柱區(qū)7）陽極輝光區(qū)）陽極輝光區(qū)8）陽極暗區(qū)）陽極暗區(qū)1）、）、2）、）、3）合起來為陰極位降區(qū)，）合

31、起來為陰極位降區(qū)， 是維持放是維持放電必不可少的區(qū)域。電必不可少的區(qū)域。八個區(qū)域：八個區(qū)域：1）阿斯頓暗區(qū)：由于電子從陰極逸出時的速度很）阿斯頓暗區(qū)：由于電子從陰極逸出時的速度很小，小，不不足以使氣體激發(fā)，所以不發(fā)光。足以使氣體激發(fā)，所以不發(fā)光。2）陰極輝光區(qū)：電子獲得了足夠的能量而使氣體原）陰極輝光區(qū)：電子獲得了足夠的能量而使氣體原 于受激發(fā)光。于受激發(fā)光。3）陰極暗區(qū)：）陰極暗區(qū)：4）負(fù)輝區(qū)：已加速的電子與氣體原子、正離子發(fā)生）負(fù)輝區(qū)：已加速的電子與氣體原子、正離子發(fā)生 碰撞、電離、復(fù)合的區(qū)域。碰撞、電離、復(fù)合的區(qū)域。 八個區(qū)域：八個區(qū)域：5）法拉第暗區(qū)：）法拉第暗區(qū)： 這是由負(fù)輝區(qū)擴(kuò)展而

32、來的過渡區(qū)。這是由負(fù)輝區(qū)擴(kuò)展而來的過渡區(qū)。 在負(fù)輝區(qū)中損失了能量的電子，難以引起原子激在負(fù)輝區(qū)中損失了能量的電子，難以引起原子激 發(fā)，故不發(fā)光。發(fā)，故不發(fā)光。6）正柱區(qū)：電子和離子的濃度很大，而在任一點附）正柱區(qū)：電子和離子的濃度很大，而在任一點附 近兩者濃度均相等，宏觀上呈現(xiàn)為電中性，所以近兩者濃度均相等，宏觀上呈現(xiàn)為電中性，所以 又稱為等離子區(qū)該區(qū)導(dǎo)電能力很強(qiáng)，象導(dǎo)體一又稱為等離子區(qū)該區(qū)導(dǎo)電能力很強(qiáng)，象導(dǎo)體一 樣在放電中起著傳導(dǎo)電流的作用。在輝光樣在放電中起著傳導(dǎo)電流的作用。在輝光放電放電 中，正中，正拄區(qū)是可長可短、可有可無的區(qū)域。拄區(qū)是可長可短、可有可無的區(qū)域。7）陽極暗區(qū)）陽極暗區(qū)8

33、）陽極輝光區(qū)）陽極輝光區(qū)陰極位降區(qū)，陰極位降區(qū)， 是維持放電必不可少的區(qū)域。是維持放電必不可少的區(qū)域。極間極間電壓主要降落在該區(qū)。若其他條件不變，只改變電壓主要降落在該區(qū)。若其他條件不變，只改變兩極間距離，陰極位降區(qū)寬度不會改變，而其他兩極間距離，陰極位降區(qū)寬度不會改變，而其他各區(qū)則相應(yīng)縮短。陰極與陽極間距離至少應(yīng)比陰各區(qū)則相應(yīng)縮短。陰極與陽極間距離至少應(yīng)比陰極位降區(qū)寬。極位降區(qū)寬。 二、濺射鍍膜的特點和方式二、濺射鍍膜的特點和方式( (一一) ) 濺射鍍膜的特點濺射鍍膜的特點（與真空蒸鍍相比）（與真空蒸鍍相比）1)1)濺射出的原子能量高濺射出的原子能量高, ,形成的薄膜結(jié)合好；形成的薄膜結(jié)合

34、好；2)2)可用于任何材料的鍍膜；可用于任何材料的鍍膜；3)3)膜層厚度均勻；膜層厚度均勻；4)4)除磁控濺射外，沉積速率低除磁控濺射外，沉積速率低. . （二）濺射鍍膜的方式（二）濺射鍍膜的方式 具體的濺射工藝很多，如具體的濺射工藝很多，如二極二極(直流直流)濺射、射頻濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射、對向靶濺射、離子束濺對向靶濺射、離子束濺射、吸氣濺射等等。下面簡單介紹幾種。射、吸氣濺射等等。下面簡單介紹幾種。1.二極濺射二極濺射在真空室內(nèi)在真空室內(nèi)（10-3-10-4Pa）充）充以以1-10Pa的惰性的惰性氣體氣體(例如氬氣例如氬氣)，被濺射的材料作為被濺射的

35、材料作為陰極，將基片作為陰極，將基片作為陽極并接地。陰陽陽極并接地。陰陽極電壓為幾千伏。極電壓為幾千伏。1.二極濺射二極濺射 最簡單的直流二極濺射裝置如圖所示。最簡單的直流二極濺射裝置如圖所示。 在真空在真空室內(nèi)（室內(nèi)（10-3-10-4Pa）充以）充以1-10Pa的惰性氣體的惰性氣體(例如氬例如氬氣氣)，被濺射的材料作為陰極，將基片作為陽極并接地。，被濺射的材料作為陰極，將基片作為陽極并接地。整個系統(tǒng)在陰陽極之間加上幾千伏的直流電后產(chǎn)生輝整個系統(tǒng)在陰陽極之間加上幾千伏的直流電后產(chǎn)生輝光放電，由放電形成的正離子在電場作用下朝著陰極光放電，由放電形成的正離子在電場作用下朝著陰極靶方向加速，并轟擊

36、陰極。在離子的轟擊下，材料從靶方向加速，并轟擊陰極。在離子的轟擊下，材料從陰極上打出來陰極上打出來(主要是以中性原子的形式，部分是以離主要是以中性原子的形式，部分是以離子的形式子的形式)，被濺射出來的粒子冷凝在放置于陽極的基，被濺射出來的粒子冷凝在放置于陽極的基片上就形成薄膜。片上就形成薄膜。 1.二極濺射二極濺射 直流二極濺射法可以鍍金屬、合金以及一些低導(dǎo)直流二極濺射法可以鍍金屬、合金以及一些低導(dǎo)電性的材料，但是不能直接鍍電性的材料，但是不能直接鍍絕緣材料絕緣材料。另外，直流。另外，直流二極濺射法方法簡單，但是有不少缺點。直流二極濺二極濺射法方法簡單，但是有不少缺點。直流二極濺射的工作氣壓較

37、高射的工作氣壓較高(1Pa左右左右)，因而在真空室中殘留的，因而在真空室中殘留的氣氛氣氛(O2，H2O，N2，CO2等等等等)對于膜層的質(zhì)量影響對于膜層的質(zhì)量影響就較大。二極直流濺射法的濺射速率也較低。就較大。二極直流濺射法的濺射速率也較低。 濺射鍍膜的速率取決于濺射電壓和電流，并與靶濺射鍍膜的速率取決于濺射電壓和電流，并與靶與基片間距離以及真空室的氣體壓強(qiáng)有關(guān)。與基片間距離以及真空室的氣體壓強(qiáng)有關(guān)。2.三極濺射三極濺射 三級濺射是在二極濺射的基礎(chǔ)上增加一個能加三級濺射是在二極濺射的基礎(chǔ)上增加一個能加熱到熱到2500的的鎢絲做成的熱電子發(fā)射極來產(chǎn)生熱電子。鎢絲做成的熱電子發(fā)射極來產(chǎn)生熱電子。這

38、些電子在工作電場中被加速，產(chǎn)生電離作用。在三這些電子在工作電場中被加速，產(chǎn)生電離作用。在三極濺射中，靶電流可以在電壓和氣壓都不變的條件下，極濺射中，靶電流可以在電壓和氣壓都不變的條件下，獨立地調(diào)整。獨立地調(diào)整。三極濺射可以在較低的靶電壓和氣壓下三極濺射可以在較低的靶電壓和氣壓下工作，數(shù)百伏的靶電壓和工作，數(shù)百伏的靶電壓和0. 01-0. 1Pa的氣壓下就能維的氣壓下就能維持輝光放電效應(yīng)。持輝光放電效應(yīng)。3.磁控濺射磁控濺射 磁控濺射特點是在陰極靶面上建立一個環(huán)狀磁控濺射特點是在陰極靶面上建立一個環(huán)狀磁靶（電場與磁場正交），濺射產(chǎn)生的二次電子在陰磁靶（電場與磁場正交），濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位

39、降區(qū)被加速后，不是直接飛向陽極，而是在正交極位降區(qū)被加速后，不是直接飛向陽極，而是在正交電磁場作用下來回振蕩，沿著環(huán)狀磁場作擺線運動。電磁場作用下來回振蕩，沿著環(huán)狀磁場作擺線運動。并不斷與氣體分子碰撞，把能量傳遞給氣體分子，使并不斷與氣體分子碰撞，把能量傳遞給氣體分子，使之電離，而電子則失去能量，變?yōu)榈湍茈娮?，最終漂之電離，而電子則失去能量，變?yōu)榈湍茈娮?，最終漂移到陰極附近的輔助陽極被吸收。移到陰極附近的輔助陽極被吸收。 由于二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循由于二次電子在靠近靶的封閉等離子體中作循環(huán)運動，路程足夠長，每個電子使氣體原子電離的機(jī)環(huán)運動，路程足夠長，每個電子使氣體原子電離的機(jī)會

40、增加，因此氣體離化率大大增加。因此，會增加，因此氣體離化率大大增加。因此，磁控濺射磁控濺射薄膜生長速率比其他濺射高。薄膜生長速率比其他濺射高。 3.磁控濺射磁控濺射 目前，磁控濺射是應(yīng)用最廣泛的一種濺射沉積方目前，磁控濺射是應(yīng)用最廣泛的一種濺射沉積方法，其主要原因是在磁場中電子的電離效率提高法，其主要原因是在磁場中電子的電離效率提高, ,這這種方法的沉積速率可以比其他濺射方法高出一個數(shù)量種方法的沉積速率可以比其他濺射方法高出一個數(shù)量級。級。 此外，由于磁場有效地提高了電子與氣體分子此外，由于磁場有效地提高了電子與氣體分子的碰撞幾率、因而工作氣壓可以顯著降低，即可由的碰撞幾率、因而工作氣壓可以顯

41、著降低，即可由1Pa1Pa降低至降低至1010-1-1 Pa Pa。這一方面降低了薄膜污染的傾向，這一方面降低了薄膜污染的傾向，另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量，因而另一方面也將提高入射到襯底表面原子的能量，因而將可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。將可以在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。3.磁控濺射設(shè)備磁控濺射設(shè)備 4.射頻濺射射頻濺射 為了鍍絕緣材料需要采用射頻濺射法。射頻為了鍍絕緣材料需要采用射頻濺射法。射頻電源是采用高頻振蕩器產(chǎn)生的。常用的射頻電源電源是采用高頻振蕩器產(chǎn)生的。常用的射頻電源頻率為頻率為13. 56MHz。由于有射頻電場存在，電子。由于有射頻電場存在，電子能在陰陽極間來回振

42、蕩，電子和氣體粒子的碰撞能在陰陽極間來回振蕩，電子和氣體粒子的碰撞幾率大大增加。因此，在射頻濺射中，并不需要幾率大大增加。因此，在射頻濺射中，并不需要從陰極發(fā)射大量的電子來維持放電過程。因此，從陰極發(fā)射大量的電子來維持放電過程。因此，工件可以不接電。工件可以不接電。射頻濺射放電能在較高的真空射頻濺射放電能在較高的真空度度(即較低的氣壓即較低的氣壓)下進(jìn)行。下進(jìn)行。例如，二極直流濺射例如，二極直流濺射常在常在1Pa左右的氣壓下進(jìn)行，而射頻濺射卻可在左右的氣壓下進(jìn)行，而射頻濺射卻可在0.1Pa的氣壓下進(jìn)行。的氣壓下進(jìn)行。4.射頻濺射射頻濺射 4.射頻濺射射頻濺射 利用射頻濺射可以濺射絕緣材料，這是

43、由利用射頻濺射可以濺射絕緣材料，這是由于在電子的質(zhì)量小，放電時電子的遷移率高于離于在電子的質(zhì)量小，放電時電子的遷移率高于離子，當(dāng)靶電極通過電容耦合加上射頻電壓時，到子，當(dāng)靶電極通過電容耦合加上射頻電壓時，到達(dá)靶上的電子數(shù)目遠(yuǎn)大于離子數(shù)，于是電子就積達(dá)靶上的電子數(shù)目遠(yuǎn)大于離子數(shù)，于是電子就積存在由絕緣體制成的靶面上，等于自動地加上了存在由絕緣體制成的靶面上，等于自動地加上了負(fù)偏壓。正離子在靶面上負(fù)電位的強(qiáng)烈吸引下，負(fù)偏壓。正離子在靶面上負(fù)電位的強(qiáng)烈吸引下，運動到靶面對靶產(chǎn)生濺射作用。這樣在基底上就運動到靶面對靶產(chǎn)生濺射作用。這樣在基底上就形成了絕緣體的薄膜。形成了絕緣體的薄膜。5.偏壓濺射偏壓濺

44、射 偏壓濺射的原理是在基片上加上負(fù)偏壓偏壓濺射的原理是在基片上加上負(fù)偏壓(約約 -100V)，使來自放電空間的離子連續(xù)地清洗基片，獲，使來自放電空間的離子連續(xù)地清洗基片，獲得純潔的膜。得純潔的膜。6.非對稱交流濺射非對稱交流濺射 非對稱的交流濺射法采用非對稱的交變電壓，電非對稱的交流濺射法采用非對稱的交變電壓，電阻阻R的作用是產(chǎn)生不對稱的交流電，以振幅大的半周濺的作用是產(chǎn)生不對稱的交流電，以振幅大的半周濺射靶材，并使薄膜沉積在基底上；以振幅小的半周通過射靶材，并使薄膜沉積在基底上；以振幅小的半周通過離子轟擊基底，除去吸附氣體而得到高純膜。離子轟擊基底，除去吸附氣體而得到高純膜。7.反應(yīng)濺射反應(yīng)

45、濺射 在陰極濺射中，真空槽中需要充入氣體作為媒在陰極濺射中，真空槽中需要充入氣體作為媒介，使輝光放電得以啟動和維持。最常用的氣體是氬介，使輝光放電得以啟動和維持。最常用的氣體是氬氣。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣氣。如果在通入的氣體中摻入易與靶材發(fā)生反應(yīng)的氣體（如體（如O2，N2等），因而能沉積制得靶材的化合物等），因而能沉積制得靶材的化合物膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。膜（如靶材氧化物，氮化物等化合物薄膜）。如采用如采用Ti靶進(jìn)行濺射時靶進(jìn)行濺射時,在工作氣體中加入一定量反應(yīng)氣在工作氣體中加入一定量反應(yīng)氣N2、CH4和和O2就可分別得到就可分別得到TiN、TiC、TiO

46、2化合物薄膜，化合物薄膜，而且控制反應(yīng)氣分壓可以控制化合物的成分、晶體結(jié)而且控制反應(yīng)氣分壓可以控制化合物的成分、晶體結(jié)構(gòu)和生長方式。構(gòu)和生長方式。5.1.3 離子鍍離子鍍一、離子鍍的概念一、離子鍍的概念 離子鍍是結(jié)合離子鍍是結(jié)合蒸發(fā)蒸發(fā)與與濺射濺射兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)兩種薄膜沉積技術(shù)而發(fā)展的一種物理氣相沉積方法。展的一種物理氣相沉積方法。 這種方法使用蒸發(fā)方法提供沉積用的物質(zhì)源，同這種方法使用蒸發(fā)方法提供沉積用的物質(zhì)源，同時在沉積前和沉積中采用高能量的離子束對薄膜進(jìn)行時在沉積前和沉積中采用高能量的離子束對薄膜進(jìn)行濺射處理。濺射處理。離子鍍（離子鍍（ionplating,IPionplating

47、,IP）是在真空蒸發(fā)鍍的基）是在真空蒸發(fā)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它將各種氣體放電方式引入礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它將各種氣體放電方式引入氣相沉積領(lǐng)域，使得整個氣相沉積過程都在等離子體氣相沉積領(lǐng)域，使得整個氣相沉積過程都在等離子體中進(jìn)行。中進(jìn)行。 二、幾種常用的離子鍍二、幾種常用的離子鍍1 氣體放電等離子體離子鍍氣體放電等離子體離子鍍（直流離子鍍）（直流離子鍍）設(shè)備與真空蒸鍍設(shè)備類似，設(shè)備與真空蒸鍍設(shè)備類似，在蒸發(fā)源與基材之間加直流在蒸發(fā)源與基材之間加直流電壓，基材為負(fù)極，蒸發(fā)源電壓，基材為負(fù)極，蒸發(fā)源為正極（接地）。充以氬氣，為正極（接地）。充以氬氣，調(diào)整電壓使蒸發(fā)源與基材之調(diào)整電壓使蒸發(fā)源

48、與基材之間產(chǎn)生輝光放電，氬氣離子間產(chǎn)生輝光放電，氬氣離子和鍍料離子加速飛向基材，和鍍料離子加速飛向基材，在離子轟擊的同時形成質(zhì)量在離子轟擊的同時形成質(zhì)量較高的膜。較高的膜。 2 射頻離子鍍射頻離子鍍?nèi)齾^(qū)：三區(qū)：1）蒸發(fā)區(qū)；）蒸發(fā)區(qū)；2）離化區(qū)（射頻線圈）離化區(qū)（射頻線圈為中心）；為中心）；3）離子加速區(qū)）離子加速區(qū)射頻頻率：射頻頻率：13.56MHz 真空度：真空度：10-1-10-3Pa 基體偏壓：基體偏壓：0-1500V3.空心陰極放電離子鍍空心陰極放電離子鍍 利用空心熱陰極放電利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子體。空心鉭管產(chǎn)生等離子體?？招你g管作為陰極（作為陰極（HCD槍），輔槍），輔助陽極距

49、陰極較近，二者助陽極距陰極較近，二者作為引燃弧光放電的兩極。作為引燃弧光放電的兩極。陽極是鍍料。弧光放電時，陽極是鍍料?；」夥烹姇r，電子轟擊陽極鍍料，電子轟擊陽極鍍料，使其使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時熔化而實現(xiàn)蒸鍍。蒸鍍時基片加上負(fù)偏壓即可從等基片加上負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引氬離子向基離子體中吸引氬離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子鍍。片轟擊，實現(xiàn)離子鍍。 4 多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍） 基本原理是：在真空室中利用基本原理是：在真空室中利用電弧靶電弧靶（弧光放（弧光放電的大能量）將鍍料（鈦等金屬或合金）熔化并蒸電的大能量）將鍍料（鈦等金屬或合金）熔化并蒸發(fā)離化生成等離子體，

50、通過電場進(jìn)行加速，最后沉發(fā)離化生成等離子體，通過電場進(jìn)行加速，最后沉積在工件表面。積在工件表面。 多弧離子鍍屬于冷場致弧光放電范疇，是一種多弧離子鍍屬于冷場致弧光放電范疇，是一種沒有固定熔池的固態(tài)蒸發(fā)源，多采用圓形陰極電弧沒有固定熔池的固態(tài)蒸發(fā)源，多采用圓形陰極電弧源作為蒸發(fā)源。源作為蒸發(fā)源。4 多弧離子鍍多弧離子鍍多個弧源的多個弧源的多弧離子鍍多弧離子鍍: :可制多層膜，可制多層膜，合金膜，化合金膜，化合物膜合物膜. .4 多弧離子鍍多弧離子鍍多弧離子鍍的特點：多弧離子鍍的特點： (1) 蒸發(fā)源多，蒸發(fā)源多，蒸發(fā)源可以任意方式放置，蒸發(fā)源可以任意方式放置，膜厚分膜厚分布均勻。布均勻。 (2)

51、電弧鍍膜具有離化率高，電弧鍍膜具有離化率高，高達(dá)高達(dá)60%60%80%80%； 可鍍多種膜層，膜層質(zhì)量好，鍍膜效率高可鍍多種膜層，膜層質(zhì)量好，鍍膜效率高。 (3) 等離子體密度高，表面可被離子轟擊潔凈，等離子體密度高，表面可被離子轟擊潔凈，而且可增大偏壓，所以結(jié)合力好。而且可增大偏壓，所以結(jié)合力好。 三、離子鍍的特點：三、離子鍍的特點： 離子鍍兼具蒸鍍的沉積速率高和濺射鍍膜的沉積離子鍍兼具蒸鍍的沉積速率高和濺射鍍膜的沉積粒子能量高（比濺射粒子能量高得多）的優(yōu)點，從粒子能量高（比濺射粒子能量高得多）的優(yōu)點，從而具有膜基結(jié)合力強(qiáng)、繞涂性好和可鍍材料廣的而具有膜基結(jié)合力強(qiáng)、繞涂性好和可鍍材料廣的特點

52、。特點。三、離子鍍的特點：三、離子鍍的特點：（1）附著力強(qiáng)，薄膜結(jié)構(gòu)致密。在蒸發(fā)沉積之前）附著力強(qiáng)，薄膜結(jié)構(gòu)致密。在蒸發(fā)沉積之前以及沉積同時采用離子轟擊襯底和薄以及沉積同時采用離子轟擊襯底和薄膜的膜的方法，一方法，一方面可以在薄膜與襯底之間形成粗糙潔凈的表面，方面可以在薄膜與襯底之間形成粗糙潔凈的表面，提高薄膜的附著力；另一方面可抑制柱狀晶的生長，提高薄膜的附著力；另一方面可抑制柱狀晶的生長，從而形成均勻致密的薄膜結(jié)構(gòu)。從而形成均勻致密的薄膜結(jié)構(gòu)。（2）繞射性好，可提高薄膜對于復(fù)雜外形表面的）繞射性好，可提高薄膜對于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力。與純粹的蒸發(fā)沉積相比，在離子鍍的過覆蓋能力。與純粹的蒸

53、發(fā)沉積相比，在離子鍍的過程中，蒸發(fā)材料的原子被電離為正離子，可以在帶程中，蒸發(fā)材料的原子被電離為正離子，可以在帶負(fù)電的工件表面各個部位沉積（包括背面）。負(fù)電的工件表面各個部位沉積（包括背面）。（3）沉積速度快。和蒸發(fā)鍍膜一樣，沉積速度快。）沉積速度快。和蒸發(fā)鍍膜一樣，沉積速度快。四、物理氣相沉積的三種基本方法的比較四、物理氣相沉積的三種基本方法的比較 真空蒸鍍真空蒸鍍 濺射鍍?yōu)R射鍍 離子鍍離子鍍附著力：附著力： 弱弱 強(qiáng)強(qiáng) 強(qiáng)強(qiáng)繞射性：繞射性： 差差 好好 好好薄膜致密度：薄膜致密度： 小小 大大 大大沉積速度沉積速度 快快 慢慢（磁控濺射除外）（磁控濺射除外） 快快PVD技術(shù)的應(yīng)用：技術(shù)的應(yīng)

54、用： 可獲得金屬涂層和化合物涂層?？色@得金屬涂層和化合物涂層。 如在黃銅表面涂敷金膜，用于裝飾；如在黃銅表面涂敷金膜，用于裝飾； 在塑料帶上涂敷鐵鈷鎳膜，制作磁帶；在塑料帶上涂敷鐵鈷鎳膜，制作磁帶； 在高速鋼表面涂敷在高速鋼表面涂敷TiN、TiC薄膜薄膜, 提高刃具的耐提高刃具的耐磨性等。磨性等。多層膜（多層膜（TiN/CrN20層）層） 塑料基體上制備塑料基體上制備AIAI膜與著色膜與著色 磁控濺射鍍膜在工具鋼基體上制備磁控濺射鍍膜在工具鋼基體上制備TiNTiN膜膜 多弧離子鍍膜機(jī)多弧離子鍍膜機(jī)5.25.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 5.25.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積 一、化學(xué)氣相沉積原

55、理一、化學(xué)氣相沉積原理 利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體材料表面材料表面(通常為熱表面通常為熱表面)上發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，上發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，從而在基材表面上形成鍍膜的技術(shù)稱為從而在基材表面上形成鍍膜的技術(shù)稱為化學(xué)氣相化學(xué)氣相沉積沉積(CVD)。 CVD法制備薄膜的過程，可以分為下面幾個法制備薄膜的過程，可以分為下面幾個主要的階段：主要的階段：反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面；反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面； 反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附；反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附； 在基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 反應(yīng)生成的氣相副產(chǎn)物由基片表面脫離，被真反應(yīng)生成的氣相副產(chǎn)

56、物由基片表面脫離，被真空泵抽掉；空泵抽掉； 在基片表面留下的固體反應(yīng)產(chǎn)物在基片表面擴(kuò)在基片表面留下的固體反應(yīng)產(chǎn)物在基片表面擴(kuò)散、形核，形成薄膜。散、形核，形成薄膜。CVD設(shè)備示意圖設(shè)備示意圖CVD設(shè)備設(shè)備:1.送氣裝置送氣裝置;2.反應(yīng)室反應(yīng)室;3.加熱裝置加熱裝置;4.排氣裝置排氣裝置 CVD技術(shù)技術(shù)中中常采用的化學(xué)反應(yīng)有常采用的化學(xué)反應(yīng)有：（1）熱分解反應(yīng)：）熱分解反應(yīng)： 熱分解法是在真空或惰性氣氛下加熱基片至所需熱分解法是在真空或惰性氣氛下加熱基片至所需的溫度之后，導(dǎo)人反應(yīng)氣體使之發(fā)生熱分解反應(yīng)，最的溫度之后，導(dǎo)人反應(yīng)氣體使之發(fā)生熱分解反應(yīng)，最后在基片上沉積出固體的薄膜材料。采用熱解法可

57、以后在基片上沉積出固體的薄膜材料。采用熱解法可以制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣材料等各種材料。制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣材料等各種材料。 （1）熱分解反應(yīng)：）熱分解反應(yīng)： 熱分解法制備硅單晶的示意圖：基底為硅片，反應(yīng)氣熱分解法制備硅單晶的示意圖：基底為硅片，反應(yīng)氣體為硅烷體為硅烷SiH4。 在在800-1000C發(fā)生熱分解反應(yīng)發(fā)生熱分解反應(yīng) SiH4 - Si + 2H2 （2）還原反應(yīng)（氫還原、金屬還原，基材還原）還原反應(yīng)（氫還原、金屬還原，基材還原） 用氫氣來還原鹵化物產(chǎn)生各種金屬和半導(dǎo)體薄膜。用氫氣來還原鹵化物產(chǎn)生各種金屬和半導(dǎo)體薄膜。如用如用H2還原四氯化硅制備單晶硅的反應(yīng)：還原四氯化硅制備單晶硅的反應(yīng)： SiCl4 + 2H2 - Si + 4HCl （3）化學(xué)輸送（歧化反應(yīng)）：）化學(xué)輸送（歧化反應(yīng)）：2SiI2 - Si SiI4 （4）氧化反應(yīng)：）氧化反應(yīng)：SiH4 + O2 - SiO2 + 2H2 （5）水解反應(yīng)：）水解反應(yīng)： 2AlCl33H2O-Al2O3 6HCl（6）氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)：）氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)： 3SiH4 4NH3 - Si3N4 12H2 TiCl4+N2+ H2 TiN+HCl（7）碳化反應(yīng)：）碳化反應(yīng)：TiCl4 CH4 - TiC 4HCl （8）化學(xué)合成反應(yīng)）化學(xué)合成反應(yīng) 兩種或