2.2　物理氣相沉積

物理氣相沉積是基于物理手段制備薄膜材料的方法，包括真空蒸發(fā)鍍、離子鍍、磁控濺射鍍等。蒸發(fā)是常見的物理現(xiàn)象，利用真空蒸發(fā)是最基本、最常用的鍍膜技術(shù)；而后兩種屬于等離子體氣相沉積范圍，膜層的沉積是在低氣壓等離子體氣體放電條件下進(jìn)行的，膜層粒子在電場中獲得了較高的能量，使膜層的組織、結(jié)構(gòu)和附著力都比真空蒸發(fā)鍍有很大的改進(jìn)。伴隨著高科技的發(fā)展，各種離子鍍、磁控濺射鍍新技術(shù)相繼問世，不斷拓寬了氣相沉積技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2.1　真空蒸發(fā)鍍

真空蒸發(fā)鍍（簡稱蒸鍍）是物理氣相沉積中應(yīng)用最廣泛的一種干式鍍膜技術(shù)。盡管后來發(fā)展的離子鍍和磁控濺射鍍在許多方面要比蒸鍍優(yōu)越，但真空蒸鍍膜技術(shù)的許多優(yōu)點，促使該技術(shù)在光學(xué)、半導(dǎo)體器件、塑料金屬化等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，迄今仍是非常重要的鍍膜技術(shù)，因此對真空蒸發(fā)鍍的了解將為新鍍膜技術(shù)的研究和開發(fā)，提供很好的理論基礎(chǔ)。其基本原理是將鍍膜材料置于真空室內(nèi)的蒸發(fā)源中，在高真空條件下，通過蒸發(fā)源加熱使其蒸發(fā)，膜材料蒸氣原子和分子從蒸發(fā)源表面逸出后，直接到達(dá)鍍膜的基片表面，由于基片溫度較低，便凝結(jié)其上而成膜。其經(jīng)歷的基本過程為：①鍍膜材料被加熱蒸發(fā)而氣化；②氣化的原子或分子從蒸發(fā)源向基片表面運輸；③蒸發(fā)的原子或分子在基片表面被吸附、成核、生長，繼而形成連續(xù)薄膜。

2.2.1.1　基本原理

（1）真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)特點

真空蒸發(fā)鍍工藝過程包括鍍材物質(zhì)蒸發(fā)、蒸氣原子傳輸和蒸氣原子在基片表面形核、成長，即包括蒸發(fā)、輸送與沉積過程。具有以下特點。

①真空蒸發(fā)鍍膜的沉積真空度高，一般為10^-3～10^-5Pa，氣體分子自由程大約為0.1～10 m數(shù)量級。遠(yuǎn)大于蒸發(fā)源到工件的距離——蒸發(fā)距離。膜層粒子幾乎不與氣體分子、其他金屬蒸氣原子發(fā)生碰撞，徑直到達(dá)工件。

②膜層粒子到達(dá)基片的能量是蒸發(fā)時所攜帶的熱能。真空蒸發(fā)鍍由于工件不加偏壓，金屬原子只是靠蒸發(fā)時的汽化熱，大約為0.1～0.2eV。因此膜層粒子的能量低，膜層和基體的結(jié)合力小，很難形成化合物涂層。

③真空蒸發(fā)鍍膜層是在高真空下形成的，蒸氣中的膜層粒子基本上是原子態(tài)，在工件表面形成細(xì)小的核心，生長成細(xì)密的組織。

④真空蒸發(fā)鍍膜的膜層是在高真空度下獲得的，一般只在工件面向蒸發(fā)源的一面可以沉積上膜層，工件的側(cè)面、背面幾乎沉積不上膜層，故繞鍍性差。

（2）真空蒸發(fā)鍍膜層組織的形成

真空蒸發(fā)鍍膜層的形成過程包括蒸發(fā)、輸送與沉積過程。因此，真空蒸發(fā)鍍膜的重要形成條件是：必須有較高的真空度和將金屬加熱蒸發(fā)的加熱源。

①高真空度

a.蒸發(fā)金屬需要高真空度。

在一定溫度下，在一密閉空間中當(dāng)單位時間內(nèi)蒸發(fā)的量等于凝結(jié)的量時，達(dá)到動態(tài)平衡，此時的氣壓稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。飽和蒸氣壓與溫度的近似關(guān)系為：

　　（2-15）

式中，A、B為常數(shù)；T為熱力學(xué)常數(shù)。

金屬的蒸發(fā)或升華過程是在真空條件下進(jìn)行的，不同真空度時金屬的蒸發(fā)溫度不同。隨真空度的升高，金屬的蒸發(fā)溫度降低。表2-1詳細(xì)地列出了部分金屬的熔點及蒸氣壓為不同值時的蒸發(fā)溫度。一般蒸發(fā)鍍的真空度為10^-3～10^-5Pa。

b.輸送需要高真空度。

P·λ≈665cm·Pa，隨真空度的降低，氣體分子間碰撞次數(shù)增加。由此計算出了當(dāng)蒸發(fā)距離為175mm時，蒸發(fā)原子從蒸發(fā)源到工件的路程中，碰撞一次以上的分子比例和碰撞十次以上的分子數(shù)比例，計算結(jié)果列入表2-2中。

由表2-2可知，在1.33×10^-2Pa高真空度下， 氣體分子自由程已經(jīng)大于蒸發(fā)距離。膜層原子從蒸發(fā)源逸出后幾乎不會發(fā)生任何碰撞，就可以到達(dá)工件，從蒸發(fā)源得到的能量幾乎不損失，在工件表面可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪w移、擴(kuò)散、形成細(xì)小的核心，后續(xù)的膜層原子在細(xì)小的核心上生長成細(xì)密的膜層組織。

在高真空度下，從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的金屬原子徑直沉積到工件上，中間不發(fā)生碰撞，亦不再返回蒸發(fā)源。若真空度低，氣體分子自由程短，蒸氣原子將會發(fā)生多次碰撞，產(chǎn)生氣體散射效應(yīng)，一部分蒸氣原子有可能返回蒸發(fā)源影響實際的沉積速率，從而影響鍍層的質(zhì)量。

c.“沉積”需要高真空。

蒸氣原子和殘余氣體分子間的碰撞將給出自身能量的1/2。碰撞次數(shù)越多，能量損失越多。低能的膜層原子到達(dá)工件后無力進(jìn)行遷移、擴(kuò)散，形成粗大的核心，得到粗糙的鍍層。在高真空下蒸氣原子能量損失少，到達(dá)基板形成細(xì)小的晶核，繼續(xù)捕獲蒸氣原子生長成細(xì)密的鍍層，因此薄膜生長需要高真空度。

②被鍍材料的加熱蒸發(fā)　在一定的飽和蒸氣壓下，必須提供金屬原子足夠的能量，使被鍍金屬克服周圍固體或液體原子的吸引力，蒸發(fā)、氣化進(jìn)入到氣相中。不同材料所需的蒸發(fā)熱不同。表2-3列出了幾種常見金屬在1Pa時的蒸發(fā)熱。

（3）真空蒸發(fā)鍍膜層生長規(guī)律

在真空鍍膜過程中，膜層的形成與其他鍍膜技術(shù)不同，有其獨特之處。

①形核　真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中，膜層粒子以原子的形態(tài)從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來后，在高真空中飛向工件，在工件表面通過形核長大的過程形成薄膜。真空蒸發(fā)鍍膜時，膜層原子從蒸發(fā)源逸出時的能量小于1eV， 當(dāng)沉積粒子間的凝聚力大于沉積原子和工件之間的結(jié)合力時，形成島狀晶核。單個沉積原子在工件表面滯留的時間里做無規(guī)則的運動、擴(kuò)散、遷移或與其他原子相碰撞形成原子團(tuán)。原子團(tuán)中原子的數(shù)量達(dá)到某一臨界值時，就形成了穩(wěn)定的晶核，稱均質(zhì)形核。

一般工件表面都不是絕對平滑的，包含有許多缺陷和臺階，造成工件不同部位對入射原子吸附力的差異。因為一般缺陷的吸附能大于正常表面，成為活性中心，有利于優(yōu)先形核，稱異質(zhì)形核。當(dāng)凝聚力與結(jié)合力相當(dāng)，或沉積原子與工件的結(jié)合力大于沉積原子間的凝聚力時，形成層狀結(jié)構(gòu)，多數(shù)情況是形成島狀結(jié)構(gòu)。

②薄膜的生長　當(dāng)晶核形成后，繼續(xù)捕獲入射原子而長大。各島狀原子團(tuán)，一邊長大，一邊相互結(jié)合成為更大的半球，逐漸形成遍布于基板表面的半球形島狀膜。

當(dāng)沉積原子能量較高時，可以在基片表面充分?jǐn)U散，且后續(xù)來的原子團(tuán)又比較細(xì)小時，可以形成平滑的連續(xù)膜。如果原子在表面的擴(kuò)散能力弱，沉積的原子團(tuán)尺寸又大，則以半島晶核的形態(tài)存在。島狀的頂部，對凹下部分產(chǎn)生很強(qiáng)的遮蔽作用，即產(chǎn)生陰影效應(yīng)。凸出表面的部分更有利于捕獲沉積原子而優(yōu)先生長，使表面的凹凸程度越發(fā)增強(qiáng)，形成足夠大的錐狀晶或柱狀晶。錐狀晶間形成穿透空隙，表面粗糙。真空度越高，組織越細(xì)密，真空度降低，膜層組織逐漸變得粗糙。如果真空度低于10³Pa，便得不到膜層，沉積出的是許多由原子團(tuán)組成的金屬微粒，是膠體的集合體。顆粒的大小為10～100nm，屬于多孔狀物質(zhì)。

（4）影響膜層生長的因素

①氣壓的影響　在低真空度條件下，蒸氣原子之間的碰撞頻繁，能量降低，在相互碰撞時，可能受到范德華力的束縛，在空間集結(jié)形成原子團(tuán)，這些低能的原子團(tuán)到達(dá)基板后很難進(jìn)行擴(kuò)散、遷移，便形成了粗大的島狀晶核，凸起部分對凹陷部分產(chǎn)生陰影效應(yīng)，最后長成錐狀或柱狀晶。真空度越低，柱狀晶越粗大，膜層的表面粗糙度越大。真空蒸發(fā)鍍膜時，如果真空度低，工件表面將吸附一層殘余氣體，使到達(dá)工件的蒸氣原子不能直接與基材原子結(jié)合，膜-基結(jié)合力低，膜層組織疏松。

由以上分析可知，真空蒸發(fā)鍍技術(shù)必須在較高真空度下進(jìn)行。一般真空蒸發(fā)鍍是在10^-5～10^-3Pa真空度下進(jìn)行的，氣體分子自由程λ為“m”級以上，遠(yuǎn)大于工件到蒸發(fā)源的距離。從蒸發(fā)源逸出的蒸氣原子徑直抵達(dá)工件，獲得理想的膜層組織，這是一種無污染的表面改性技術(shù)。

②溫度的影響

蒸氣原子沉積到冷態(tài)的工件上，依靠本身攜帶的能量很難得到長程擴(kuò)散和遷移。只能形成粗大的島狀晶核，生長為粗柱狀、錐狀晶。隨工件溫度升高，沉積原子的擴(kuò)散、遷移能力提高，晶核細(xì)化，生長成細(xì)柱狀晶。當(dāng)工件溫度超過被鍍材料的再結(jié)晶溫度時，膜層組織發(fā)生再結(jié)晶。獲得再結(jié)晶性等軸晶。B.A.Movchan 和A.V.Demchishin研究了工件溫度對真空蒸發(fā)鍍膜層組織的影響規(guī)律，提出了M-D模型，如圖2-5所示。

M-D模型表明：設(shè)T_m為被鍍材料的熔點，當(dāng)工件溫度升至T₁時，錐狀晶消失，T₁=0.3T_m。當(dāng)工件溫度升至T₂時，柱狀晶消失，得到再結(jié)晶組織，T₂=0.5T_m。在鍍不同材料時可控制工件溫度，獲得所需組織。圖2-6所示為在硅片上利用電子束物理氣相沉積技術(shù)得到的Y₂O₃薄膜顯微組織。

根據(jù)加熱方式的不同，可將真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)分為電阻蒸發(fā)鍍、電子束蒸發(fā)鍍、激光束蒸發(fā)鍍、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)鍍等幾種 （見表2-4）。電阻蒸發(fā)鍍是真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中最簡單的一種方法，且人們對它的研究比較深入，故有必要對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.1.2　電阻蒸發(fā)鍍

（1）電阻蒸發(fā)源

蒸發(fā)源是用來加熱膜材料使之氣化蒸發(fā)的裝置。目前所用的蒸發(fā)源有電阻加熱、電子束加熱、感應(yīng)加熱、電弧加熱和激光加熱等多種，其中電阻加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，是用于蒸發(fā)低熔點鍍膜材料的主要蒸發(fā)源，如蒸發(fā)金（Au）、銀（Ag）、硫化鋅（ZnS）、氟化鎂（MgF₂）、三氧化二鉻（Cr₂O₃）等鍍膜材料時選用電阻蒸發(fā)源。電阻蒸發(fā)源是采用高熔點金屬或陶瓷材料做成的適當(dāng)形狀的蒸發(fā)器，利用蒸發(fā)器的高電阻，通過電流直接或間接加熱原材料。

電阻蒸發(fā)源一般采用W、Mo、Ta制作，必須滿足以下幾個條件。

①熔點高，因為多數(shù)鍍膜材料的蒸發(fā)溫度為1000～2000℃，所以制作蒸發(fā)源材料的熔點必須遠(yuǎn)高于此溫度。

②電阻溫度系數(shù)大，很容易升到熱電子發(fā)射溫度。電阻蒸發(fā)源提供熱源，使低熔點鍍膜材料熔化、蒸發(fā)或升華成為蒸氣原子。

③飽和蒸氣壓低，為了減少蒸發(fā)源的材料作為雜質(zhì)進(jìn)入蒸鍍膜層中，要求其飽和蒸氣壓足夠低，以保證在蒸發(fā)時具有最小的自蒸發(fā)量，否則會影響真空度和污染膜層。

④化學(xué)穩(wěn)定性好，在高溫下蒸發(fā)源不與鍍膜材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

⑤在選擇蒸發(fā)源時，還必須考慮鍍膜材料與蒸發(fā)源材料之間的浸潤性問題。在浸潤的情況下，熔化的鍍膜材料在蒸發(fā)源表面會鋪展開，可認(rèn)為是面蒸發(fā)源；在不浸潤的情況下，熔化的鍍膜材料會團(tuán)聚成球形，一般認(rèn)為是點蒸發(fā)源。蒸發(fā)源和鍍膜材料之間的浸潤性好，則蒸發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定，否則，鍍膜的均勻性較差。表2-5所列為W、Mo、Ta常用主要物理參數(shù)。

根據(jù)鍍膜材料形狀的不同，可選用不同形狀和結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)源。若被鍍材料為絲狀，可選用絲狀結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)源，將絲狀的鍍膜材料加工成直徑為0.5～1.0mm的絲，再將其安裝在鎢絲、鉬絲、鉭絲上。

蒸發(fā)源也可繞制成螺旋狀，如螺旋狀的蒸發(fā)源常用于蒸發(fā)鋁，因為鋁和鎢能互相潤濕。

錐形籃狀蒸發(fā)源一般用于蒸發(fā)塊狀或絲狀的升華材料（Cr）和不易與蒸發(fā)源相潤濕的材料（Ag、Cu）。

舟狀蒸發(fā)源具有較大的散熱面積，它消耗的功率要比絲狀蒸發(fā)源大。如果被鍍材料不能加工為絲狀，可將粉狀或塊狀被鍍材料放在舟狀蒸發(fā)源內(nèi)，如鎢舟、鉬舟、鉭舟、石墨舟或?qū)щ姷牡鹱龅闹凵稀?/p>

在沉積合金膜時，由于合金內(nèi)所含金屬元素的蒸氣壓不同，不同金屬在同一真空度時的蒸發(fā)溫度是不同的，當(dāng)?shù)腿埸c的金屬蒸發(fā)時，高熔點的金屬還沒有達(dá)到蒸發(fā)溫度或者蒸發(fā)很慢，因此膜層中先沉積的成分與后沉積的成分不同，即產(chǎn)生分餾現(xiàn)象。在鍍合金膜時必須克服分餾現(xiàn)象。一般采用閃鍍或用多個蒸發(fā)源同時蒸發(fā)的方式進(jìn)行。閃鍍也叫瞬時蒸發(fā)法，也就是把蒸發(fā)材料做成細(xì)粒，把細(xì)粒一點一點地撒落到蒸發(fā)源上，并盡可能地使每個細(xì)粒在瞬間就蒸發(fā)掉。采用多個蒸發(fā)源同時蒸發(fā)，可以在工件表面形成合金膜。

電阻蒸發(fā)源一般采用低電壓、高電流。一般為電壓4～8V， 電流100～300A。大電流通過電阻蒸發(fā)源時，產(chǎn)生的焦耳熱使蒸發(fā)源升溫，進(jìn)而加熱鍍膜材料。由于這種蒸發(fā)源具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價低廉等優(yōu)點，因此使用很普遍。

（2）電阻蒸發(fā)源鍍膜機(jī)簡介

電阻蒸發(fā)源真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。

真空蒸發(fā)鍍的設(shè)備主要由鍍膜室、電阻蒸發(fā)源、基片架、金屬蒸氣流線、電極密封組件和真空系統(tǒng)等組成，還包括匹配的蒸發(fā)電源、加熱電源、轟擊電源、進(jìn)氣系統(tǒng)等。

鍍膜室上方安裝工件（基片）架。工件（基片）安裝在工件（基片）架的卡具上，鍍膜室下方設(shè)有電阻蒸發(fā)源。用高真空機(jī)組抽真空，真空度為6×10^-3Pa左右。

電阻蒸發(fā)源采用電阻溫度系數(shù)大的高熔點金屬鎢、鉬、鉭等制作。將欲蒸發(fā)的材料安裝在蒸發(fā)源上。蒸發(fā)時，在電極上通以低電壓、大電流的交流電，使難熔金屬蒸發(fā)源升溫，將欲蒸鍍的材料加熱至熔化、蒸發(fā)溫度。大量的蒸氣原子離開熔池表面進(jìn)入氣相，按直線方式飛到基片表面凝固成金屬薄膜。因此，真空蒸發(fā)鍍過程是由鍍膜材料的蒸發(fā)、蒸氣原子傳輸和蒸氣原子在基片表面形核、長大的過程組成的，即包括“蒸發(fā)—運輸—沉積”過程。

（3）電阻蒸發(fā)鍍工藝過程

①安裝工件和蒸鍍材料　將被蒸發(fā)金屬安放在電阻蒸發(fā)源上，工件安裝在工件架后，關(guān)上鍍膜室。

②抽真空　開啟機(jī)械泵，對鍍膜室抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到6Pa后，打開擴(kuò)散泵閥，將真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加熱　開啟烘烤加熱電源，對工件加熱，達(dá)到預(yù)定溫度。若基材為玻璃、陶瓷等工件，一般需要烘烤到400 ℃以上。

④轟擊凈化工件　向鍍膜室充入氬氣，真空度保持在2～3Pa。接通轟擊電源，此時轟擊電極產(chǎn)生輝光放電。產(chǎn)生氬離子和高能氬原子。氬離子在轟擊電極所加負(fù)偏壓的吸引下，加速到達(dá)轟擊電極，維持輝光放電過程。高能氬原子在鍍膜室內(nèi)做無規(guī)律運動，由于它具有很高的能量，因此，對工件也能進(jìn)行碰撞，將自身的能量傳遞給工件，對工件起到清洗作用，所以，即便是非金屬，如玻璃、陶瓷等也能進(jìn)行清洗，提高工件表面與膜層的結(jié)合力。有些蒸發(fā)鍍膜機(jī)中設(shè)置了轟擊電極。一般轟擊電壓為1000～3000V。轟擊10min后，關(guān)閉氬氣，將鍍膜室真空度抽至6×10^-3Pa。

⑤鍍膜　開啟電阻蒸發(fā)電源，使蒸發(fā)源迅速升溫，直到被蒸發(fā)金屬預(yù)熔，然后迅速加大蒸發(fā)功率，使金屬很快蒸發(fā)出去。由于真空度較高，氣體分子的自由程遠(yuǎn)大于蒸發(fā)源到工件的距離，因此，膜層原子從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來以后，不會再與其他氣體分子或金屬蒸氣原子產(chǎn)生碰撞，而是徑直地射向工件，故可得到致密的膜層組織。

⑥取出工件　向鍍膜室沖入大氣，取出工件。

2.2.1.3　電子束蒸發(fā)鍍

由于電阻蒸發(fā)源的工作溫度低，不能蒸鍍難熔金屬、陶瓷材料，所以需要使用高能電子束作為加熱的電子束蒸發(fā)源。電子束是由電子槍來產(chǎn)生的，這種槍在鍍制多層膜且膜層較薄的工業(yè)中應(yīng)用得很好，其原理是電子槍中陰極發(fā)射的電子在電場的加速作用下獲得動能，轟擊處于陰極的原材料，使原材料加熱氣化，從而實現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。

采用電子槍作蒸發(fā)源。它的優(yōu)點是： ①電子槍蒸發(fā)源是高能量密度的加熱源，功率密度可達(dá)10⁴～10⁹W/cm²，用于蒸發(fā)熔點較高的金屬或化合物，如鈦、鉻、氧化鋯、氧化鎢、釔鋇銅氧等；②原材料被置于水冷坩堝內(nèi)，可以避免容器材料的蒸發(fā)，有利于提高鍍膜的純度；③電子束直接加熱原材料的表面，熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失小，因而熱效率高；④電子束蒸發(fā)粒子動能大，有利于獲得致密、結(jié)合力好的膜層。電子束加熱蒸發(fā)的缺點是：①電子束加熱源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價格較昂貴；②若蒸發(fā)源附近的蒸氣密度高，電子束流和蒸氣粒子之間會發(fā)生相互作用，電子的能量將散失和發(fā)生軌道偏移；同時引起蒸氣和殘余氣體的激發(fā)和電離，會影響膜層質(zhì)量。

（1）e型電子槍工作原理

電子槍由發(fā)射熱電子的陰極、加速電子運動的陽極、使電子匯集成束的匯集極以及使電子束偏轉(zhuǎn)的電磁線圈組成。陰極一般由鎢絲制造，連接低電壓大電流加熱電源，可以把鎢絲加熱到發(fā)射電子的白熾狀態(tài)，同時陰極還并聯(lián)高壓加速電源的負(fù)極，一般電壓為6～30kV，電子束流在高壓電場作用下加速運動形成電子束，束流0.1～1A。根據(jù)電子束軌跡的不同，電子槍分為直式槍、環(huán)形槍、e型槍等幾種。鍍膜機(jī)中有水冷坩堝，接電子槍電源陽極。電子束轟擊到坩堝內(nèi)的待蒸發(fā)金屬錠上，將動能轉(zhuǎn)化為熱能，再將被鍍金屬蒸發(fā)。

目前，常用e型電子槍，其槍頭往往是用鎢絲制作成發(fā)射熱電子的陰極，沒有加速陽極。e型電子槍的結(jié)構(gòu)中，還設(shè)置有與加速電場垂直的磁場線圈。被加速的電子束，受正交磁場所產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，運動方向得以改變，一般呈現(xiàn)出螺旋線性，形狀如同英文字母e。當(dāng)電子流從槍頭出來后，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)到達(dá)坩堝。電子束的偏轉(zhuǎn)角度為270°，也有偏轉(zhuǎn)240°的e型槍。

e型槍的優(yōu)點是電子槍附近的正離子在正交電磁場作用下，產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)方向與電子方向相反，電子向遠(yuǎn)離坩堝的方向運動，可以避免正離子對膜層的污染。因此，在氣相沉積的設(shè)備中，廣泛采用e型槍作為蒸發(fā)源。

電子槍一般在高真空條件下才能正常發(fā)射電子流，如果真空度太低，氣體分子密度大。電子流在運行的過程中會將周圍的氣體電離，使電流突然增大。一般電子槍的電路系統(tǒng)都有電流過保護(hù)，電流突增時，電子槍的高壓電源被切斷，不能正常發(fā)射電子束。電子槍不能在真空度低于3×10^-1Pa時使用。一般電子槍在真空度高于10^-2Pa時才能正常工作。

（2）水冷坩堝

電子槍蒸發(fā)源的組件中，除了電子槍之外，坩堝也是很重要的組成部分。電子槍中的坩堝均采用水冷坩堝，被鍍金屬放置在坩堝內(nèi)。每一次鍍膜以前，必須保證放入的金屬錠量，以及金屬錠與坩堝壁接觸的狀態(tài)一致，使金屬錠與水冷坩堝密切接觸，才能保證坩堝和金屬錠之間傳遞的熱量一定。在每次金屬錠的質(zhì)量一定時，確保每次實際加熱的功率恒穩(wěn)和金屬的蒸發(fā)量恒定，保證工藝的重復(fù)性。尤其對于反應(yīng)沉積，這樣才能保證反應(yīng)生成的化合物成分符合化學(xué)計量比。如果買不到合適的金屬錠，每次在加入新料時，必須用電子槍將加入的膜層材料充分“熔透”，使其與坩堝內(nèi)壁密切接觸。

在沉積多層膜時，在電子槍鍍膜機(jī)中，設(shè)置可以旋轉(zhuǎn)的多坩堝，即坩堝轉(zhuǎn)軸的上方安放3～4個被蒸發(fā)材料的小鍋，每個小鍋的中心為電子束的斑點位置，每次坩堝軸旋轉(zhuǎn)時，便有一種膜層材料被蒸發(fā)，然后根據(jù)預(yù)先的設(shè)定，使各種坩堝內(nèi)的材料逐個被蒸發(fā)，可以得到所需的多層膜。

（3）電子束軌跡

如果不加偏轉(zhuǎn)磁場，電子束流會在電場作用下直線運動。若增設(shè)了偏轉(zhuǎn)磁場，則會使電子束流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，射向坩堝。偏轉(zhuǎn)半徑r_m由式（2-16）決定。

　　（2-16）

式中，e/m為電子的核質(zhì)比；v為電子的速度，由加速電壓U決定。

　　（2-17）

電子束的偏轉(zhuǎn)半徑與加速電壓的平方根成正比，與磁場強(qiáng)度H成反比。由于電子的質(zhì)量比離子的質(zhì)量小得多，因此帶有相同數(shù)量電荷的電子的偏轉(zhuǎn)半徑比離子偏轉(zhuǎn)半徑小得多，而且偏轉(zhuǎn)的方向與離子的方向相反。

（4）電子槍蒸發(fā)鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖2-8所示。

電子束真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)由鍍膜室、真空系統(tǒng)、電子槍、水冷坩堝、基片架、金屬蒸氣流線和金屬錠等組成，還包括匹配有蒸發(fā)電源、加熱電源、轟擊電源、進(jìn)氣系統(tǒng)等。

鍍膜室上方安裝在基片架的卡具上，鍍膜室下方設(shè)有電子束蒸發(fā)源。用高真空機(jī)組抽真空，真空度為6×10^-3Pa左右。圖2-9是分別以ZrO₂-8%Y₂O塊體材料（a）和單斜晶ZrO₂粉末（b）為原材料，采用電子束蒸發(fā)鍍工藝，在電壓為6kV下得到的兩種鍍膜。

2.2.1.4　激光束蒸發(fā)鍍

激光束蒸發(fā)鍍是利用高能激光束與材料表面的作用來沉積薄膜的一種新的薄膜制備技術(shù)。激光光源可采用大功率準(zhǔn)分子激光器。高能量的激光束透過窗口進(jìn)入真空室內(nèi)，經(jīng)棱鏡或凹面鏡聚焦，聚焦后的激光束功率密度很高，通常激光束的功率密度達(dá)到10⁶W/cm²以上，以無接觸方式使膜層材料加熱氣化，然后沉積在基片上形成膜層。根據(jù)激光工作方式的不同，可以進(jìn)行脈沖輸出或連續(xù)輸出。前者具有使膜層材料瞬間蒸發(fā)的特點，后者具有使膜層材料緩慢蒸發(fā)的特點。圖2-10為激光束蒸發(fā)源蒸發(fā)鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

絕大多數(shù)非金屬材料對200～400nm的紫外線具有很強(qiáng)的吸收作用，波長越短，吸收系數(shù)越大，穿透深度越淺。在脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)中采用的激光主要是固態(tài)的Nd³⁺∶YAG（1064nm）激光和氣體準(zhǔn)分子激光。

靶表面吸收的激光束能量會引起靶原子的激發(fā)、靶表面的燒蝕蒸發(fā)。蒸發(fā)物在靶前形成一個由荷能的中性原子、分子、離子、電子、原子團(tuán)、微尺度的微粒和熔化的液滴混合組成的羽狀聚積體，這種羽狀聚積體具有高度取向，當(dāng)聚積體到達(dá)基片時，便在基片上凝聚而形成薄膜。通常在真空室中通入O₂、N₂等氣體，以增強(qiáng)表面反應(yīng)或保持薄膜的化學(xué)計量比。沉積單一薄膜時，通常只需采用一個均勻的多組元靶。但是，對于層狀結(jié)構(gòu)薄膜，必須采用激光束蒸發(fā)多個源，這可以采用單激光器和分束器，使兩束或多束激光同時發(fā)出，或者將單激光束依次聚焦到旋轉(zhuǎn)樣品架上的不同組元靶上。

激光蒸發(fā)的主要優(yōu)點如下。

①能實現(xiàn)不同組元的同時蒸發(fā)沉積，不會產(chǎn)生分餾現(xiàn)象，能蒸發(fā)任何高熔點材料，包括金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等各種無機(jī)材料。

②激光束加熱蒸發(fā)是采用非接觸式加熱，激光束光斑很小，使膜材局部加熱而氣化，因此防止了坩堝材料與膜材在高溫下的相互作用及其雜質(zhì)的混入，避免了坩堝污染，保證了薄膜的純度，易于制備高純膜層。同時還可以避免電子束蒸發(fā)時，膜層表面帶電現(xiàn)象等。

③激光束的能量高，使膜層粒子獲得更高的能量，在工件不佳的情況下，還能得到結(jié)晶良好的膜層。

其缺點是激光加熱膜材在蒸發(fā)過程中有顆粒噴濺現(xiàn)象，設(shè)備成本較高，大面積沉積尚有困難。

2.2.1.5　高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)鍍

高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)鍍利用感應(yīng)加熱原理，將裝有被鍍金屬膜層材料的坩堝放在感應(yīng)線圈的中央，在線圈中通以高頻電流，可以使金屬膜層材料產(chǎn)生感應(yīng)電流將其加熱，直至氣化蒸發(fā)。圖2-11為高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)示意圖。感應(yīng)圈中通以高頻率電流，頻率最小為8kHz。

高頻感應(yīng)蒸發(fā)源的特點：①蒸發(fā)速率快，在卷繞蒸發(fā)鍍膜中，當(dāng)沉積鋁膜厚度為40nm時，卷繞速度可達(dá)270 m/min， 比電阻加熱式蒸發(fā)源高10倍左右；②蒸發(fā)源溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生液滴飛濺現(xiàn)象，可避免液滴沉積在薄膜上產(chǎn)生針孔缺陷，提高膜層質(zhì)量；③溫度控制比較容易。 缺點是需要較復(fù)雜和昂貴的高頻電源。

2.2.2　離子鍍

離子鍍膜技術(shù)是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)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。當(dāng)鍍膜室抽至10^-4Pa的高真空后，往鍍膜室內(nèi)通入惰性氣體（如氫氣），使鍍膜室內(nèi)真空度達(dá)到0.1～1Pa，然后在蒸發(fā)基片和蒸發(fā)源間施加一直流電壓，使工作氣體電離，從而在基片和蒸發(fā)源之間建立一個低壓氣體導(dǎo)電的等離子體區(qū)。離子鍍膜成核、結(jié)晶、遷徙所需要的能量不是靠加熱襯底的方式獲得，而是由離子轟擊的方式來獲得。離子鍍膜技術(shù)是將各種氣體放電引入氣相沉積領(lǐng)域，整個沉積過程都是在等離子體中進(jìn)行的，大大提高了膜層粒子的能量，可以獲得性能更優(yōu)異的膜層，擴(kuò)大了薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域。

離子鍍的類型較多，按膜材料的氣化方式分為：電阻加熱、電子束加熱、等離子體束加熱、高頻或中頻感應(yīng)加熱等。按氣化分子或原子的離化和激發(fā)方式分為：輝光放電型、電子束型、熱電子束型、等離子束型等。按蒸發(fā)源與激發(fā)的組合方式分為：直流放電式離子鍍、反應(yīng)蒸發(fā)離子鍍、高頻電離式離子鍍、電弧放電式離子鍍、熱陰極電弧強(qiáng)電流離子鍍等幾種。在離子鍍技術(shù)中，最簡單的為直流二極型離子鍍，它是其他類型離子鍍的基礎(chǔ)。

2.2.2.1　直流二極型離子鍍工藝

直流二極型離子鍍裝置如圖2-12所示，采用電阻加熱式蒸發(fā)源，將被蒸發(fā)金屬安裝在W、Ta、Mo等難熔金屬絲上或舟內(nèi)。真空室與真空系統(tǒng)連接，配有進(jìn)氣系統(tǒng)，一般是在2×10^-8×10^-1Pa范圍內(nèi)進(jìn)行。工件轉(zhuǎn)架接偏壓電源的負(fù)極，鍍膜室接偏壓電源的正極，構(gòu)成離子鍍的陰陽兩個電極的對應(yīng)關(guān)系。

工件加偏壓和低真空鍍膜是離子鍍與蒸發(fā)鍍的根本區(qū)別。

①安裝工件和被蒸鍍材料。將被蒸發(fā)金屬安放在電阻蒸發(fā)源上，工件（基片）安裝在工件卡具上，關(guān)上鍍膜室。

②抽真空。開啟機(jī)械泵，對鍍膜室抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到6Pa后，打開擴(kuò)散泵閥，將真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加熱。開啟烘烤加熱電源，對工件加熱到預(yù)定溫度。

④轟擊凈化工件。 向鍍膜室充入氬氣，真空度保持在1～3Pa之間。接通工件與偏壓電源，此時，工件產(chǎn)生輝光放點，獲得氬離子和高能氬原子。氬離子在工件所加高偏壓的吸引下，加速到達(dá)工件，對工件進(jìn)行陰極濺射，將表面吸附的殘余氣體和污染層濺射下來，產(chǎn)生氬離子的轟擊凈化作用。一般轟擊電壓為1000～3000V，轟擊時間為10min。

⑤鍍膜。保持工件所加1000～3000V的負(fù)偏壓和1～3Pa的真空度，此時工件仍處于輝光狀態(tài)。開啟電阻蒸發(fā)源，使蒸發(fā)源緩慢升溫，直到被蒸發(fā)金屬預(yù)熔，然后迅速加大蒸發(fā)功率，使金屬蒸發(fā)。在離子鍍中，金屬的蒸發(fā)是在輝光放電等離子體環(huán)境中進(jìn)行的。由于真空度低，從蒸發(fā)源蒸發(fā)出來的金屬蒸氣原子，在向工件飛行的過程中，與輝光放電等離子體中的高能電子產(chǎn)生非彈性碰撞。金屬原子被電離和激發(fā)，得到金屬離子和高能中性金屬原子。金屬離子在工件所加高偏壓的吸引下，以10～1000eV的能量到達(dá)工件。此時離子鍍金屬膜層粒子的能量比真空蒸發(fā)鍍時大得多。因此，離子鍍膜層的質(zhì)量高，具有很多真空鍍膜層所不具備的優(yōu)點。

⑥取出工件。達(dá)到預(yù)定的膜層厚度以后，關(guān)閉電阻蒸發(fā)源、偏壓電源氣路。待工件溫度低于100℃以后取出。

在直流二極型離子鍍中，放電空間的電荷密度較低，陰極電流密度僅為0.25～0.4mA/cm²，故離化率較低，一般為千分之幾，最高也只有2%。離子鍍膜的成膜過程包括蒸發(fā)—輝光放電使金屬離化—在電場下輸運—攜帶能量沉積，即是蒸發(fā)—離化—電場下輸送—高能量沉積的過程。

2.2.2.2　離子轟擊對薄膜形成過程的影響

（1）進(jìn)一步凈化工件表面

提高膜層原子與基材的結(jié)合力。高能量的金屬離子加速到達(dá)表面也對工件產(chǎn)生陰極濺射作用，有效地清除工件表面吸附的殘余氣體、污染層，使成膜過程中，膜層始終保持清潔狀態(tài)和活性，提高膜層原子與基材的結(jié)合力。這種將基材原子濺射下來的過程稱“反濺射”過程。

（2）改善膜層的形核

生長過程，可以獲得具有優(yōu)異性能的膜層組織。到達(dá)工件的膜層粒子有金屬離子和大量的金屬高能中性原子、氣體離子、氣體的高能中性原子，連續(xù)轟擊表面，對已沉積膜層產(chǎn)生“夯實”作用。并將表面結(jié)合不牢的膜層粒子轟擊下來，提高膜層的致密度。高能的膜層粒子到達(dá)工件表面后，有較高的遷移、擴(kuò)散的能力，可以形成細(xì)小的核心。后續(xù)的膜層粒子的到達(dá)可以進(jìn)一步“擊碎晶核”，并形成細(xì)密的膜層組織。通過控制工件所加的負(fù)偏壓，可以完全消除錐狀晶、柱狀晶，獲得細(xì)密的等軸晶。

（3）控制膜層的晶體結(jié)構(gòu)

高能量的金屬離子加速到達(dá)工件后，可以影響膜層原子的晶體結(jié)構(gòu)，影響原子在晶格中的排列規(guī)律。

（4）形成“偽擴(kuò)散層”

離子鍍時，初始到達(dá)工件的高能離子還會將基材原子濺射下來，這種將基材原子濺射下來的過程稱為“反濺射”過程。

在離子鍍膜中，沉積速率必須大于反濺射速率才能獲得所需膜層。所以離子鍍初始期采用高偏壓。用金屬離子轟擊刻蝕工件表面，使表面凈化并形成共混層，然后逐漸降低偏壓，減弱反濺射效果，獲得純的膜層。離子鍍技術(shù)制備膜-基界面的“偽擴(kuò)散層”，是提高膜-基結(jié)合力的重要措施。

（5）提高基材溫度

高能量的金屬離子加速到達(dá)工件后，將能量傳遞給工件（基片），使工件升溫。膜層粒子到達(dá)有一定溫度的工件表面，遷移速率、擴(kuò)散速率大大提高。有利于獲得等軸晶組織。

（6）降低形成化合物的溫度

高能量的金屬離子和眾多的高能中性原子，使膜層粒子整體的能量提高。有利于和通入的反應(yīng)氣體進(jìn)行化合反應(yīng)，有可能在低溫下生成化合物膜層。

2.2.2.3　離子鍍膜層的形成

（1）形成條件

離子鍍的成膜過程包括蒸發(fā)—離化—電場下輸送—高能量沉積。為保證離子鍍膜過程在輝光放電條件下進(jìn)行，離子鍍膜層形成的條件是在真空條件下和電場條件下進(jìn)行的。即提供產(chǎn)生氣體放電、產(chǎn)生等離子體的條件。

①低真空度　產(chǎn)生輝光放電的條件是金屬原子和氣體分子必須與高能電子產(chǎn)生非彈性碰撞。只有在一定的低真空度時，氣體分子自由程縮短，才能使高能電子與金屬蒸氣原子產(chǎn)生非彈性碰撞，使金屬原子被電離成離子，激發(fā)成高能中性原子。

②工件施加負(fù)偏壓　工件施加負(fù)偏壓的作用如下：只有工件施加負(fù)偏壓，才能使真空室內(nèi)的殘存電子在高壓電場作用下，加速成為高能電子，產(chǎn)生非彈性碰撞。高能電子在與金屬蒸氣原子和氣體分子碰撞時，金屬原子和氣體分子的外層電子脫離原子核的約束范圍，使金屬原子、氣體分子被電離成為金屬離子及其他離子，也使金屬原子和氣體分子被激發(fā)成為受激態(tài)的高能中性原子。

（2）形成特點

①形核　在離子鍍金屬中，金屬的蒸發(fā)是在低真空度下進(jìn)行的，金屬蒸氣將會產(chǎn)生以下兩個方面的碰撞：與高能電子碰撞和與其他蒸氣原子碰撞。在與高能電子碰撞時，獲得能量被電離或激發(fā)，形成高能量的離子、高能中性原子。由于粒子在電場中進(jìn)一步加速獲得了足夠的能量，仍以較高的能量到達(dá)工件，在工件表面有較高的遷移能力和擴(kuò)散能力，形成細(xì)小的核心，甚至被后續(xù)的離子進(jìn)一步擊碎，形成更細(xì)小的晶核。

②薄膜的生長　在離子鍍中，膜層離子在負(fù)偏壓電場作用下，加速向工件運動，在輸送中的能量很高，與其他蒸氣原子碰撞時，不會發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象，仍以細(xì)小的粒子流高速到達(dá)工件，在細(xì)小的核心上長成細(xì)密的等軸晶。

（3）影響膜層生長的因素

①真空度的影響　離子鍍是在低真空下進(jìn)行的，隨著真空度的降低，容易形成粗大的膜層組織。

②負(fù)偏壓的影響　隨著真空度的降低，越來越容易形成粗大的膜層組織，真空下膜層組織本身較細(xì)。因此，低真空度時，消除這些粗大柱狀晶所需要的偏壓較高，以便使金屬離子有足夠高的能量改善膜層的形核、長大規(guī)律。真空度偏高時，可以適當(dāng)降低負(fù)偏壓來消除粗大的柱狀晶。

③溫度的影響　高的工件溫度可以使到達(dá)的膜層粒子容易進(jìn)行遷移和擴(kuò)散，有利于獲得細(xì)密的等軸晶組織。M-D模型中形成錐狀晶和柱狀晶的溫度界限將向低溫方向移動。離子鍍中，高能離子對工件的轟擊，使其溫度升高，有利于細(xì)化膜層組織。

④蒸發(fā)距離的影響　隨著蒸發(fā)源到工件距離的增大，膜層粒子在向工件遷移的過程中，產(chǎn)生非彈性碰撞的概率加大，有利于提高金屬的離化率和散射率。即膜層粒子有更多的機(jī)會被碰撞而改變方向，提供膜層的繞鍍能力。圖2-13為在不同的負(fù)偏壓和氬氣壓力下制備出的金屬鎂薄膜的上表面（T.S）和橫截面（C.S）的顯微組織。

2.2.2.4　離子鍍技術(shù)的特點

（1）離子鍍與蒸發(fā)鍍和濺射鍍相比

離子鍍膜是介于蒸發(fā)和濺射之間的一種成膜技術(shù)，與蒸發(fā)和濺射相比有以下特點。

①膜層附著性好。在離子鍍膜過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對基片表面轟擊，對基片表面吸附的氣體和污物有清洗作用，使基片表面凈化，而且這種清洗作用一直伴隨著成膜過程的進(jìn)行，這是離子鍍膜具有良好附著力的原因之一；另外，離子鍍膜過程中由于被電離的蒸發(fā)粒子以較高的能量入射到襯底，在成膜初期可在襯底和膜材之間形成偽擴(kuò)散層，能有效地改善膜層的附著性能。

②膜層密度高。在離子鍍過程中，被電離的部分膜材粒子帶有較高的能量到達(dá)基片，可在基片上擴(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)基片時也能被離子轟擊碎化，形成細(xì)小的核心，生長成較為致密的膜層。此外，高能氫離子對改善膜層結(jié)構(gòu)也起一定的作用。

③由于輝光放電形成的低溫等離子體中的高能粒子的作用，可在較低的溫度下獲得只有在高溫下靠熱激發(fā)才能形成的化合物。此外，離子鍍較一般的蒸發(fā)沉積速率快，成膜速率也快。

（2）離子鍍與真空蒸鍍相比

離子鍍的成膜過程包括蒸發(fā)—離化—電場下輸送—高能量沉積。與真空蒸鍍鍍膜相比，膜層質(zhì)量具有以下特點。

①離子鍍膜的膜層與基材間的結(jié)合力大， 高能量的離子不僅能打入基材，而且在與基材表面原子撞擊時，放出大量的熱，使膜層與基材間形成顯微合金層，提高結(jié)合強(qiáng)度。

②繞鍍性好。

③結(jié)構(gòu)可控。基體材料與鍍膜材料可以廣泛搭配，基體材料可以為金屬、陶瓷、塑料等，鍍膜材料也可以是金屬或各種陶瓷材料。

④界面形成：一方面，如果材料是互相溶解的，則轟擊到清洗過的表面上時，可加速擴(kuò)散或化合物型界面的形成；如果材料是互不相溶的，則由于荷能粒子的轟擊可加速偽擴(kuò)散型界面的形成。另一方面，離子轟擊同高表面溫度共同作用可能引起所有沉積材料擴(kuò)散進(jìn)入表面，從而形成合金或化合物涂層。

⑤離子束增強(qiáng)沉積可在真空度小于10^-2Pa的條件下制備薄膜，氣體污染小。

⑥沉積薄膜溫度低。荷能離子已提供了足夠的能量，無需外加能量，通常工藝溫度低于150℃，故可避免高溫處理材料及精密部件尺寸的影響。適合于電子功能薄膜、冷加工精密模具，低溫回火鋼（軸承鋼）、低熔點材料的表面處理。

⑦離子束增強(qiáng)沉積是一種在室溫下控制的非平衡過程。可在室溫下得到高溫相、亞穩(wěn)相、非晶態(tài)合金相等新功能薄膜。

⑧一般不需要控制氣體流量等一些非電參數(shù)，可方便控制膜層的生長，調(diào)整膜的組成、結(jié)構(gòu)和工藝重復(fù)性，便于實時研究薄膜的生長規(guī)律。

離子鍍膜技術(shù)也存在一些不足之處。如果工件施加高的負(fù)偏壓，膜層粒子所攜帶的能量過高，則對基材組織、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的損傷。

2.2.3　磁控濺射鍍

荷能粒子轟擊固體表面，使固體原子逸出的現(xiàn)象稱為濺射，逸出的粒子稱為濺射粒子。用于轟擊的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因為離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，因此大多數(shù)采用離子作為轟擊粒子，又稱為入射粒子。濺射粒子沉積在基片表面上就形成了薄膜，叫濺射沉積。

磁控濺射鍍（magnetron sputtering）屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電，氬離子對陰極靶材產(chǎn)生陰極濺射作用，氬離子將靶材原子濺射下來后，沉積到工件上形成所需的鍍膜層。

2.2.3.1　陰極濺射技術(shù)分類

常用的陰極濺射技術(shù)是磁控濺射鍍。磁控濺射是在二極濺射、三極濺射、射頻濺射的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。表2-6列出了各種陰極濺射技術(shù)的沉積速率。磁控濺射的沉積速率遠(yuǎn)高于其他幾種陰極濺射方法，因此發(fā)展較快。

按磁控濺射靶材形狀分為：平面磁控濺射靶、錐形靶和柱狀磁控濺射靶。平面磁控濺射靶中，又分為矩形平面靶、圓形平面靶、對靶和電弧-磁控兩用的復(fù)合結(jié)構(gòu)的平面靶。按磁場結(jié)構(gòu)分為：平衡磁控濺射和非平衡磁控濺射。按采用的電源分為：直流磁控濺射、射頻濺射和中頻濺射。

（1）二極濺射

最早使用的陰極濺射技術(shù)是二極濺射。圖2-14所示為二極濺射原理圖。膜層材料為靶陰極，接靶電源負(fù)極，電壓1～5kV。工件接靶電源正極。靶與工件距離60mm左右。首先將真空度抽至10^-3Pa，然后充入氬氣，真空度保持在1～3Pa。接通電源后，靶材產(chǎn)生輝光放電，氬氣被電離。氬離子在靶電壓的作用下轟擊靶材，產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)。靶材原子脫離靶面后飛濺到工件上形成沉積層。電流密度較小，因此沉積速率慢，大約為1～40nm/min。為了提高沉積速率，開發(fā)出了多種增加碰撞概率、強(qiáng)化放電過程的濺射鍍膜技術(shù)。

（2）三極濺射

圖2-15所示為三極濺射原理圖。在二極濺射的基礎(chǔ)上，設(shè)置熱陰極。熱陰極接加熱電源和0～50V的負(fù)偏壓電源。熱電子在加速電場吸引下，穿過靶與工件間的等離子體區(qū)，增加了電子與氬氣離子的碰撞概率。電流密度提高到了1～3mA/cm²，氣體放電的氣壓可以降低至（1～5）×10^-1Pa，靶電壓1～2kV。沉積速率加快，沉積真空度提高，膜層組織細(xì)化。

（3）四極濺射

圖2-16所示為四極濺射原理圖，在二極濺射的基礎(chǔ)上，在鍍膜室外加聚焦線圈。聚焦線圈磁場強(qiáng)度10^-1T。氣體放電的氣壓為（1～5）×10^-1Pa，靶電壓1～2kV。聚焦線圈的作用是將電子匯聚在靶陰極和工件之間，電子做螺旋運動。增加電子到達(dá)收集極的路程，從而增加非彈性碰撞概率。電流密度達(dá)2～5mA/cm²。

（4）射頻濺射

以上幾種陰極濺射技術(shù)均采用直流濺射電源，只適用于導(dǎo)電膜。如果用于沉積絕緣膜，靶材表面會產(chǎn)生“中毒”現(xiàn)象。因為在沉積絕緣膜的時候，靶面上也會形成一層絕緣膜。使得氬離子堆積在靶面上，不能直接進(jìn)入靶陰極產(chǎn)生陰極濺射。氬離子的堆積還會引起“擊穿”造成“打弧”現(xiàn)象，使得濺射鍍膜過程無法進(jìn)行，所以采用射頻濺射技術(shù)。

射頻濺射裝置是把直流二極的電源換成射頻電源。射頻電源由頻率振蕩器構(gòu)成，通過匹配器連接在靶上。一般靶材選用SiO₂、Al₂O₃等絕緣材料。靶材接陰極，工件接陽極，與機(jī)殼連接，并接地。工業(yè)用安全頻率為13.56MHz。氣體放電的氣壓為3×10^-1～2.5×10^-2Pa，靶電壓1～2kV。放電電流密度較強(qiáng)。電極形狀有平板形和螺旋線形。

射頻濺射利用高頻電磁輻射來維護(hù)低氣壓的輝光放電。以平板陰極沉積SiO₂、Al₂O₃絕緣膜為例來分析射頻濺射原理，在采用高頻率電源放電后，兩極間的電位進(jìn)行高頻率的變化。當(dāng)靶材處于高頻電壓的負(fù)半周時，正離子對靶面進(jìn)行轟擊引起濺射，與此同時，靶材表面會有正電荷的積累。當(dāng)靶材處于高頻電壓的正半周時，由于電子對靶的轟擊，中和了積累在介質(zhì)靶表面上的正電荷，這就為下一周期的濺射創(chuàng)造了條件。在一個周期內(nèi)正離子和電子可以交替地轟擊靶面，從而實現(xiàn)濺射介質(zhì)材料的目的。由于在一個周期內(nèi)對靶材既有濺射又有中和，故能使濺射持續(xù)進(jìn)行，這就是高頻濺射法能夠濺射介質(zhì)材料的原因。

2.2.3.2　磁控濺射鍍的工作原理

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。通常在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法就叫磁控濺射。

電子在電場E的作用下，在飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar⁺和新的電子；新電子飛向基片，Ar⁺在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場的作用，產(chǎn)生E×B所指的方向漂移，簡稱E×B漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar⁺來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐步遠(yuǎn)離靶面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫度較低。

綜上所述，磁控濺射的基本原理，就是用磁場來束縛電子和延長電子的存在時間，提高電子對工作氣體的電離概率，有效利用電子的能量，產(chǎn)生更高密度的正離子，進(jìn)而提高正離子轟擊靶材的濺射率。同時，受正交電磁場束縛的電子，只能在能量耗盡時才能沉積在基片上，因此，磁控濺射具有“低溫”、“高速”兩大特點。圖2-17所示為磁控濺射法沉積的Ti薄膜。

2.2.3.3　磁控濺射源的主要類型

第一類是柱狀磁控濺射源，它是最早發(fā)展起來的，如圖2-18中（a）和（c）所示，其結(jié)構(gòu)比較簡單，適合濺射沉積大面積薄膜，在工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛。第二類是平面磁控濺射源，如圖2-18（b）所示。圓形的可以制成小靶，適合于貴重的靶材；矩形的適合支撐大靶。平面磁控濺射源的結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)，應(yīng)用最廣。第三類是濺射槍（S槍），如圖2-18（d）所示，S槍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般配合行星式夾具使用。它不僅具有磁控濺射的低溫、高速率的特點，而且由于其獨特的靶結(jié)構(gòu)與冷卻方式，還具有靶材利用率高、膜厚度分布均勻、靶功率密度大和易于更換靶材等優(yōu)點。

通常平面磁控濺射源的工作參數(shù)為：濺射電壓300～800V，電流密度4～50mA/cm²，氬氣壓力0.13～1.3Pa，功率密度1～36W/cm²，基片與靶的距離為4～10 cm。磁控濺射不僅可得到很高的濺射速率，而且在濺射金屬時還可避免二次電子轟擊而使基片保持冷態(tài)，這對使用單晶和塑料基片具有重要意義。磁控濺射電源可為直流也可為射頻，故能制備各種材料。但是，磁控濺射存在兩個問題：第一， 難以濺射磁性材料靶，因為磁通被磁性靶材短路；第二，靶材的濺射刻蝕不均勻，利用率較低。

2.2.3.4　平衡磁控濺射和非平衡磁控濺射

平面磁控濺射靶為平衡磁控濺射靶，是在陰極靶材背后放置芯部與外環(huán)磁場強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈，在靶材表面形成與電場方向垂直的磁場。沉積室充入一定量的工作氣體，通常為Ar，在高壓作用下Ar 原子電離成為Ar⁺和電子，產(chǎn)生輝光放電，Ar⁺ 經(jīng)電場加速轟擊靶材，濺射出靶材原子、離子和二次電子等。其特點是靶材背面安裝的磁鋼，無論芯部磁鋼還是周圍外圈磁鋼全部為強(qiáng)磁鋼，產(chǎn)生的磁場將電子緊緊地約束在靶表面附近，磁場只影響靠近靶面的電子，影響不到遠(yuǎn)離靶面的電子，這種結(jié)構(gòu)的平面磁控濺射靶稱為“平衡磁控濺射靶”。但平衡磁控濺射也有不足之處，例如：由于磁場作用，輝光放電產(chǎn)生的電子和濺射出的二次電子被平行磁場緊緊地約束在靶面附近，等離子體區(qū)被強(qiáng)烈地束縛在靶面大約60mm 的區(qū)域，隨著離開靶面距離的增大，等離子濃度迅速降低，這時只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm的范圍內(nèi)，以增強(qiáng)離子轟擊的效果。這樣短的有效鍍膜區(qū)限制了待鍍工件的幾何尺寸，不適于較大的工件或裝爐量，制約了磁控濺射技術(shù)的應(yīng)用。且在平衡磁控濺射時，飛出的靶材粒子能量較低，膜基結(jié)合強(qiáng)度較差，低能量的沉積原子在基體表面遷移率低，易生成多孔粗糙的柱狀結(jié)構(gòu)薄膜。提高被鍍工件的溫度固然可以改善膜層的結(jié)構(gòu)和性能，但是在很多情況下，工件材料本身不能承受所需的高溫。

如果能在陽極附近增加等離子體密度來激活反應(yīng)氣體產(chǎn)生更多的轟擊陰極靶的粒子，就可提高濺射率。為了實現(xiàn)這個想法，可以通過增強(qiáng)靶端的磁場，使來自陰極的二次電子進(jìn)入到等離子體去參與電離，這就是所謂的非平衡磁控濺射，圖2-19給出了三種不同磁場結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

非平衡磁場濺射靶的心部與外圈的磁性材料不同，芯部為工業(yè)純鐵，周圍外圈采用釹鐵硼。非平衡磁控濺射靶所產(chǎn)生的磁場，不單在靶面附近的磁力線保持自身的封閉性，實現(xiàn)高濺射速率，另一部分磁力線指向離靶面更遠(yuǎn)的地方，即磁場向空間擴(kuò)展。遠(yuǎn)離靶面的磁場對遠(yuǎn)離靶面區(qū)域的電子也產(chǎn)生約束力，提高了空間的非彈性碰撞概率，增強(qiáng)了放電空間的等離子體密度，提高了金屬離化率，使反應(yīng)沉積區(qū)域擴(kuò)展到150mm。因此非平衡磁控濺射技術(shù)是當(dāng)前磁控濺射技術(shù)的新進(jìn)展。

非平衡磁控濺射的出現(xiàn)部分克服了平衡磁控濺射的缺點，將陰極靶面的等離子體引到濺射靶前200～300mm 的范圍內(nèi)，使基體沉浸在等離子體中。這樣，一方面，濺射出來的原子和粒子沉積在基體表面形成薄膜；另一方面，等離子體以一定的能量轟擊基體，起到離子束輔助沉積的作用，大大改善了膜層的質(zhì)量。

為便于對磁控濺射鍍?nèi)胬斫猓园惭b平面磁控濺射靶，沉積氮化鈦的鍍膜機(jī)為例進(jìn)行介紹。

在平面磁控濺射離子鍍膜機(jī)中，真空室壁上安裝矩形平面靶，鈦靶的長度與工件轉(zhuǎn)架相等。磁控濺射靶接濺射電源的負(fù)極，真空室接正極。工件接偏壓電源的負(fù)極，真空室接正極。安裝對工件進(jìn)行烘烤的裝置及工件氣體的進(jìn)氣系統(tǒng)。

一臺磁控濺射離子鍍膜機(jī)由真空室、真空系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、真空度測量系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、工件轉(zhuǎn)架系統(tǒng)和磁控濺射靶組成。另外配有靶電源、工件偏壓電源。

磁控濺射靶有平面形、圓錐形、柱狀形。平面形中，又有圓形、方形。靶材背面有冷卻水。

進(jìn)行磁控濺射膜時，向真空室通入氬氣，將真空度控制在（3～8）×10^-1Pa。靶電壓400～600V， 開啟磁控濺射電源后氬氣電離，靶面產(chǎn)生輝光放電。生成的氬離子在磁控靶所加負(fù)電壓的吸引下，加速到達(dá)靶面，氬離子以很高的能量轟擊靶面，產(chǎn)生陰極濺射作用，將靶材原子濺射下來，沉積到工件上，形成膜層。磁控濺射鍍膜過程是 “濺射—傳輸—沉積”的過程。磁控濺射技術(shù)中膜層粒子的獲得不是靠熱蒸發(fā)機(jī)制，而是陰極濺射機(jī)制，與蒸發(fā)鍍的膜層粒子相比，磁控濺射膜層粒子的溫度低。

磁控濺射技術(shù)沉積氮化鈦的工藝過程如下。

①安裝工件。將工件安裝在卡具上，關(guān)好鍍膜室。

②抽真空。開啟機(jī)械泵，真空度達(dá)到6Pa后，開擴(kuò)散泵閥，真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加熱。開啟烘烤加熱電源，對工件加熱，達(dá)到預(yù)定溫度。

④轟擊凈化。向鍍膜室充入氬氣，真空度保持在1～3Pa，轟擊電壓1000～3000V，工件產(chǎn)生輝光放電，氬離子轟擊凈化工件。轟擊時間10～20min。

⑤沉積氮化鈦。

a.沉積鈦底層。將工件偏壓降至500V左右，通入氬氣，真空度調(diào)至（3～5）×10^-1Pa。開啟磁控濺射靶電源。靶面產(chǎn)生輝光放電，高密度的氬離子流從靶面濺射出鈦原子。首先沉積鈦底層。

b.沉積氮化鈦涂層需通入氮氣，真空度在（5～7）×10^-1Pa。由于平衡磁控濺射的金屬離化率只有5%～10%，金屬的活性比較低，獲得氮化鈦等化合物涂層的工藝范圍比較窄。與弧光放電相比，欲獲得優(yōu)質(zhì)氮化鈦涂層，必須嚴(yán)格控制鈦的濺射量和氬/氮比，否則沉積速率慢，色澤不好控制。

⑥取出工件。當(dāng)膜層厚度達(dá)到預(yù)定要求后，向鍍膜室充氣。打開鍍膜室，取出工件。

2.2.3.5　磁控濺射鍍膜的特點及注意事項

（1）優(yōu)點

①任何物質(zhì)都可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓的元素和化合物。不論是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、化合物和混合物等，只要是固體，不論是塊狀、粒狀的物質(zhì)都可以作為靶材。

②利用反應(yīng)濺射鍍膜法可以方便地獲得各種與靶材不同的化合物膜，如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物等。反應(yīng)濺射鍍膜過程中充入的反應(yīng)氣體可直接被電離成離子，而蒸發(fā)法是靠高溫來實現(xiàn)所希望的化學(xué)反應(yīng)，所以濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜更容易獲得化合物膜。

③薄膜與襯底之間的附著性好。由于濺射原子的能量比蒸發(fā)原子的能量高1～2個數(shù)量級，因此高能粒子淀積在襯底上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生較高的熱能，增強(qiáng)了濺射原子與襯底的附著力，而且一部分高能量的濺射原子將產(chǎn)生不同程度的注入現(xiàn)象，在襯底上形成一層濺射原子與襯底材料原子相互“混溶”的偽擴(kuò)散層。

④濺射鍍膜法獲得的薄膜的密度高、針孔少，而且薄膜的純度較高，因為在濺射過程中不存在真空蒸鍍時的坩堝污染現(xiàn)象。

⑤膜厚可控性和重復(fù)性好。由于濺射鍍膜時放電電流和靶電流可分別控制。通過控制濺射功率可有效控制濺射速率，所以濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現(xiàn)性好，能夠有效地鍍制預(yù)定厚度的薄膜。

⑥降低了基片溫度。磁控濺射的電壓較低，約為幾百伏，但靶電流密度可達(dá)每平方厘米幾十毫安，因此磁控濺射有效解決了陰極濺射中基片溫度升高和濺射速率慢的兩大難題。

（2）缺點

①靶材刻蝕不均勻。無論是平衡磁控濺射靶還是非平衡磁控濺射靶，磁場強(qiáng)度分布不均勻，使靶材利用率低，對于貴重靶材，是很不利的。因此合理設(shè)計磁場結(jié)構(gòu)，配加電磁場使靶面的磁場強(qiáng)度變化起來，實現(xiàn)放電區(qū)掃描，有利于靶材利用率的提高。

②金屬離化率低，提高金屬離化率的措施有：a.采用非平衡磁控濺射靶，提高工件附近的等離子體密度，從而提高金屬的離化率；b.增設(shè)熱陰極，增加空間的高能電子密度，為了提高柱狀磁控濺射靶的金屬離化率，在旋磁型柱狀磁控濺射鍍膜機(jī)中，附加了熱陰極；c.采用對靶的空心陰極效應(yīng)，提高對靶之間的等離子體密度；d.將中頻電源與非平衡磁控濺射靶聯(lián)合使用，是近期磁控濺射技術(shù)的新熱點，聯(lián)合使用可大大提高金屬的離化率。

③靶“中毒”現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在正離子堆積、陽極消失和磁滯效應(yīng)。采用中頻電源、采用A²K電源、孿生靶、閉環(huán)控制反應(yīng)氣體的通入量可在一定程度上解決“中毒”現(xiàn)象。

（3）濺射沉積過程及注意事項

建立正交電磁場。產(chǎn)生陰極濺射過程不需要建立正交電磁場，但濺射速率太慢。采用磁控濺射技術(shù)，必須在靶面適當(dāng)?shù)奈恢媒⒄浑姶艌觯钥刂齐娮拥倪\動軌跡。沉積化合物高電阻膜、絕緣膜時，已經(jīng)很少采用射頻濺射技術(shù)，現(xiàn)在流行的配置是非平衡磁控濺射靶、中頻電源加氣體離子源，采用工藝閉環(huán)控制等措施，可以解決靶中毒問題及陽極消失問題。但成本增加。由于磁控濺射沉積溫度低、膜層細(xì)密，適合沉積合金膜，適用于沉積各種高新技術(shù)中的功能膜。

濺射粒子在基片上沉積成膜的過程中應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個問題。

①沉積速率　沉積速率Q是指在單位時間內(nèi)濺射出來的物質(zhì)沉積到基片上的厚度，該速率與濺射速率S成正比，即有

Q=CIS　　（2-18）

式中，C為與濺射裝置有關(guān)的特征常數(shù)；I為離子流；S為濺射速率。

②沉積氣壓　為了提高薄膜的純度，必須減少殘余氣體進(jìn)入薄膜中的量。若真空室容積為V；殘余氣體分壓為p_c；氬氣分壓為p_Ar；氬氣流量為Q_Ar 則殘余氣體流量為：

Q_c=p_cV， Q_Ar=p_ArV　　（2-19）

則

p_c=p_ArQ_c/Q_Ar　　（2-20）

由此可見，采用提高本底真空度和增加濺射用的氬氣流量是兩項有效措施。一般來講，本底真空度應(yīng)為10^-5～10^-3Pa，氬氣的壓強(qiáng)約為幾帕較為合適。

③濺射沉積的工藝條件　影響濺射沉積的因素很多，如濺射電壓及基片電位對薄膜特性的影響最為主要。濺射電壓不僅影響沉積速率，而且還影響薄膜的結(jié)構(gòu)；如果對基片施加交變偏壓，使其按正負(fù)性分別接受電子或離子的轟擊，不僅可以凈化基片基面，增強(qiáng)薄膜附著力，還可以改變沉積薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。此外，基片溫度直接影響膜層的生長及特性。