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1、2019/11/13,1,第4章 真空镀膜,2019/11/13,2,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,3,真空镀膜方法-概述,物理气相沉积（PVD） 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition， PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将 材料源固体或液体表面气化成气态原子、分 子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离 子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能 的薄膜的技术。,2019/11/13,4,特点： 物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强，可方便地控制多个工艺参数，容易获得单晶、多晶、非晶、多层
2、、纳米层结构的功能薄膜。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,5,化学气相沉积（CVD） 镀膜材料由气体或气体混合物（气相）组成 通过在气相和基片表面发生化学反应在基片 表面形成薄膜。,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,6,PVD与CVD技术对比,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,7,PVD技术相关的真空物理基础,概述,真空：低于一个标准大气压的气体状态。 1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli
3、) 首创著名的大气压实验，获得真空。 自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇 宙空间。 人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,8,1标准大气压=760mmHg=760Torr 1标准大气压=1.013105Pa 1Torr=133.3Pa 1mbar=100Pa,常用单位:,帕（Pa）、托（Torr）、毫巴（mbar）、 毫米汞柱（mmHg）、标准大气（atm）,换算关系:,真空镀膜方法-概述,真空区域的划分,2019/11/13,9,粗真空 1.011051.33103Pa 低真空 1.331031.3310-1Pa 高真空 1.3310-11
4、.3310-6Pa 超高真空 1.3310-61.3310-10Pa 极高真空 1.310-10Pa,真空区域的划分,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,10,气体分子运动的基本规律,（1）理想气体分子运动的基本规律 1）理想气体模型 同类其他所有分子性质相同，有同样大小和相对分子质量，分子的大小与躯体间的距离相比可以忽略。 每个分子永远作不停息的运动。 把分子看成是弹性钢球。弹性钢球的意义是：分子在碰撞时不发生变形，碰撞接触时间为零。分子间没有相互间引力和斥力，他们所有的能量都是动能；弹性碰撞的意义是：碰撞时遵守能量和动量守恒定律，全部分子的平均速度不因碰撞而发生变化。,真空镀膜方法-
5、概述,2019/11/13,11,2）理想气体的一些特性。气体的宏观特性由P、V、T三个参量来描述，理想气体状态方程： 式中 P-气体压强（Pa） V-气体体积（m3） T-热力学温度（K） M-气体质量（kg） -气体的摩尔质量（kg/mol） R-摩尔气体常数，与气体质量无关R=8.31J/（molK）,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,12,每个分子的动能由其温度决定。 相互不发生化学反应的各种混合气体的总压强等于各种气 体分压强的总和。 分子运动速率。大部分服从麦克斯韦速率分布曲线,3）理想气体压强的基本公式,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,13,1）分子的碰撞几率。
6、由于无规则运动分子之间发生碰撞，分子从一处移到另一处时，其所走的路线必然是迂回的折线。某一份子单位时间内与其他分子的碰撞次数是无规律的，大量分子碰撞次数的平均值叫平均碰撞次数，用 表示，与气体的压强P成正比 2）分子运动的平均自由程 。分子任意两次碰撞之间通过的路程，叫自由程。大量分子多次碰撞自由程的平均值叫分子运动的平均自由程，用 表示，与气体压强呈反比，与气体分子密度n呈反比。即,4）气体分子的平均自由程,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,14,气体分子与表面的作用,包括： 气体分子与蒸发出的原子，与器壁或基板（工件）表面的碰撞 气体分子和表面的作用 气体分子与蒸发出的原子从器壁或
7、基板（工件）表面的反射或被吸收。 （1）碰撞于表面的分子数 碰撞于单位面积上的分子数-蒸汽原子通量 （2）分子从表面反射 碰撞于固体表面的分子，有部分分子飞离固体表面。其飞离表面的方向与飞来的方向无关。,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,15,（3）气体分子在固体表面上的吸附 1）物理吸附：若固体表面的原子键饱和，表面已变得不活泼，则固体表面对气体分子产生物理吸附，吸附力主要是范德瓦尔力，包括静电力，诱导力和色散力。 2）化学吸附：固体表面原子键未饱和时，可形成化学吸附,物理吸附分子作用力分布曲线,物理吸附与化学吸附位能分布曲线,真空镀膜方法-概述,2019/11/13,16,离 子,
8、碰撞电子的能量13.6 eV,离子受电磁场影响 离子状态不稳定，易捕获电子再结合为原子,溅射原理-溅射物理过程,2019/11/13,17,溅射原理-受激辐射,碰撞电子的能量 13.6 eV,2019/11/13,18,溅射原理-受激辐射,每种原子有其特有的辐射颜色,例,氮气（N2）,氩气（Ar）,2019/11/13,19,溅射原理-气体电离,气体的电离：当具有一定能量的电子与气体分子碰撞过程中，将可能使得气体分子的外层电子丢失形成离子； 气体放电：气体在电场的作用下发生电离的过程； Townsend放电：在电极两端施加一定的直流高压而导致气体电离,气体的电离,2019/11/13,20,T
9、ownsend放电：气体击穿的初期，放电电压比较高，且随输入功率的增加变化很小；放电电流随输入功率的增加而增加，； 正常辉光放电：当放电达到一定值以后，足够多的电子和离子使得放电可以自持，气体放电转化为正常辉光放电，此时的气体电导率比较大，极板间电压下降； 反常辉光放电：当电离度达到比较高以后，电流随功率增加变缓，但电压迅速增加； 弧光放电：进一步增加功率导致电弧出现，从而放电转化为弧光放电，气体电导率再次增加，极板间电压再次下降；,气体的电离,溅射原理-气体电离,2019/11/13,21,溅射原理-等离子体,等离子体,等离子体也被称为物质的第四状态， 是由部分电子被剥夺后的原子组成的离子化
10、气体。 等离子体是一种很好的导电体， 利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动 和加速等离子体。,2019/11/13,22,溅射原理-等离子体,等离子体的获得： 1、利用粒子热运动的方法。（由于燃烧或冲击使气体达到很高的温度，分子和原子剧烈碰撞而离解为离子和电子） 2、利用电磁波能量的方法和利用X射线、射线照射使气体电离。 3、利用接触电离法。（两种功函数（把原子中一个电子放到无限远处时所需要的最小电位差）不同金属在高热表面接触时发生离化现象） 4、利用高能粒子法。（核聚变所用的方法） 5、利用将电子与离子混合的方法。（火箭推进器中采用的方法） 6、电子碰撞的方法。（气相沉积多采用的方法）,20
11、19/11/13,23,溅射原理-等离子体,1）按气体电离程度分类： 完全电离状态气体，几乎所有的中性粒子都呈离子态、电 子态。是强导体，带电粒子密度1010-1015个/cm3 部分电离状态气体，只有部分中性粒子电离。 弱电离状态气体，只有极少量中性粒子电离。,等离子体的分类：,2019/11/13,24,溅射原理-等离子体,2）按温度分类 物质处于不同的温度范围时说具有的能量不同。物质的能量用电子伏特（eV）表示，它和温度的关系由下式表示： 1eV= 1.160485104K,2019/11/13,25,溅射原理-等离子体,等离子体 能量传递图,2019/11/13,26,等离子体的粒子种
12、类： 中性粒子：原子、分子：基态、约0.025eV；激发态：平动、振动、转动; 正电粒子：原子离子、分子离子; 约0.04eV； 负电粒子：电子，1-10 eV, 平均能量约2eV；尘埃； 等离子体参数： 电离率：fi=ne/(ne+n0)；辉光放电：10-4-10-2 等离子体温度：电子的平均能量； 电子和离子的电流及迁移率：j=nvq/4, =|q|/mv 电子和离子的扩散系数 D；双极扩散系数：,等离子体的性质:,溅射原理-等离子体,2019/11/13,27,溅射原理-辉光放电,在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的
13、残余正离子在当场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。,电流强度小、温度不高、管内有特殊的亮区和暗区,特征：,2019/11/13,28,气体自持放电的伏安特性曲线,电流和电压成正比 离子能量较高，轰击基 体表面能释放电子和原子,溅射,溅射原理-辉光放电,2019/11/13,29,溅射原理-辉光放电,（1）辉光放电的特点,1）辉光放电时发光，光的颜色因气体而异 2）辉光放电气压一般是10-1102Pa 3）辉光放电电流密度mA/cm2，电压为3005000V 4）过程主要靠阴极上发射电子的（正离子轰击）过程来维持 5）阴极位降区时维持辉光放电不
14、可缺少的部分，放电主要在这个区域进行。,2019/11/13,30,溅射原理-辉光放电,阴极位降的大小与电压、气体成分、阴极材料有关 1）其他放电条件不变，只改变气压时（P变），阴极位 降Uc不变，但阴极位降区的宽度dc随之改变。 2） dc与P成反比，保持P dc 乘积不变， Uc不会改变 当极间距离d固定时，减小气压P，阴极位降区dc增大。 当d=dc时，阴阳极间除阴极位降区外，其他各区都不存在，放电仍能进行。 若气压进一步减小，dc d 时，放电立即熄灭。,（2）阴极位降区,2019/11/13,31,溅射原理-辉光放电,正常辉光放电与异常辉光放电特性对比,2019/11/13,32,辉
15、光放电现象的物理特性,Aston暗区：低能电子和高能离子； 阴极辉光区：离子的退激发发光，阴极发射的二次电子与正离子发生复合所产生； 阴极暗区：电子和离子的加速区，形成的电压降近似等于靶电压； 负辉光区：二次电子与中性粒子相互作用，产生电离和激发，电位梯度接近于零； 法拉第暗区：电子损失了能量，激发和复合的几率很小，形成暗区； 正柱区：等离子体区，电子密度与正离子密度相等，场强比阴极小几个数量级，所以带电粒子主要是无规则运动； 正辉光区：电子被阳极吸收，离子被排斥，形成负的空间电荷，形成阳极电位电子在阳极区被加速，在阳极前产生激发和电离； 阳极暗区：,溅射原理-辉光放电,2019/11/13,
16、33,溅射原理-辉光放电,辉光放电过程中电子的碰撞,等离子体中高速运动的电子与其他的粒子的碰撞时维持气体放电的主要微观机制。碰撞分为两大类：弹性碰撞与非弹性碰撞。,弹性碰撞： 参加碰撞粒子的总动能和总动量保持不变，并且不存在粒子内能的变化，即没有粒子的激发、电离、或复合过程发生两个例子发生弹性碰撞过程中，运动的能量为E1的粒子1把部分能量转移给静止着的粒子2，碰撞后粒子2 的能量E2满足如下关系：,M 粒子的质量 碰撞前粒子1的运动方向与碰撞后粒子2运动方向间的夹角,2019/11/13,34,对于辉光放电等离子体中的碰撞电离的过程来讲，这相当于高速运动中的电子与低速运动中的原子、分子或离子的碰撞。只是M1M2，因而每次的碰撞中发生的能量转移是极小的。只有在经过很多次的碰撞之后，重粒子能量才会显著增加。只是造成辉光放电等离子体中重粒子能量远小于电子能量的
