第二章 真空镀膜技术的物理课件

第二章

真空镀膜技术的物理基础

Ch.2PhysicalFoundationofVacuumCoatingTechnology第二章真空镀膜技术的物理本章简要介绍真空镀膜所涉及的一些通用的物理概念，为以后各章的原理分析、结构设计、参数确定提供基本的理论依据。镀膜过程中，原材料的粒子（原子、离子、分子或分子团）从气相到基体表面上淀积成固态薄膜，经历了一系列相变过程，PVD还经历了由固相变为气相的过程。相变过程：固相—气相—吸附相（态）—固相PVD镀膜工艺包括离散（蒸发、溅射）过程、输运（迁移）过程、沉积（淀积）过程三部分。CVD镀膜工艺包括输运（迁移）过程、沉积（淀积）过程和穿插于二过程之间的反应过程三部分。

第二章真空镀膜技术的物理2.1离散过程的物理基础

Physicalfoundationofscatteringprocess第二章真空镀膜技术的物理PVD工艺中的离散过程，是将固体原材料转化为可以迁移的气相成分的步骤，常用方法有蒸发和溅射两种方法。对此二过程的分析：

质量守恒及质量迁移；

能量守恒及能量迁移

第二章真空镀膜技术的物理蒸发过程分析

原料固相——液相——气相少数直接升华，固相——气相如铬原料参与相变的量：首先全部液化，然后部分汽化——感应坩埚或者：只有一部分参与液化和汽化，其它只是受热升温——电子枪，激光所需要的热量：固相升温热、熔化热、液相升温热、汽化潜热热损失量：坩埚热损失

第二章真空镀膜技术的物理溅射过程分析

原料固相——气相，原料参与相变的量：只有被溅射原料参与溅射过程，其它原料只是受热升温，所需能量：材料被溅射所需能量，仅占%损失能量：

产生入射离子所消耗的能量；

离子入射动能量转化为靶的热量损失

第二章真空镀膜技术的物理2.2输运过程的气体分子运动论基础

Moleculargasdynamicsfortransferprocess第二章真空镀膜技术的物理对于膜材粒子（蒸汽或溅射颗粒）的空间输运过程，常借用平衡态理想气体分子运动论的方法和结论，来描述镀膜过程中的残余气体、工作气体、甚至金属蒸汽的性质。Perfect(ideal)gasesatequilibriousstates第二章真空镀膜技术的物理1)气体分子的速度分布—麦氏分布

Maxwelldistributionofmolecularvelocities速率分布

第二章真空镀膜技术的物理2)分子间的空间平均碰撞次数—平均碰撞率

Themeannumberofmolecularcollisions—collisionrateS-1

20℃，1atm，air

=4.63×109s-1

第二章真空镀膜技术的物理3)离子、电子在气体分子中的平均碰撞次数

Themeannumberofioncollisionsingas

=2.58×103m/s

s-1

第二章真空镀膜技术的物理Themeannumberofelectroncollisionsingass-1

air=5.93×105m/s第二章真空镀膜技术的物理4)气体分子、离子、电子的平均自由程

Meanfreepathofgas

mMeanfreepathofmistralgas

第二章真空镀膜技术的物理Meanfreepathofionsingas

Meanfreepathofelectronsingas第二章真空镀膜技术的物理5)自由程分布率

Distributionoffreepath

用于计算工作压力

gasionsingaselectronsingas第二章真空镀膜技术的物理6)气体分子入射率

Impingementrate

—余弦定律Knudsonlaw

数量Numbers-1m-2

体积Volumem3s-1m2质量Masskgs-1m-2

方向Direction第二章真空镀膜技术的物理立体角Solidangle

本结论不仅用于沉积速率Depositionrate计算，也用于飞离表面的情况，蒸发速率Evaporationrate（甚至溅射速率Sputteringrate）的计算第二章真空镀膜技术的物理2.3气固间相互作用

Interactionofgasandvaporwithsurface第二章真空镀膜技术的物理

淀积成膜的机制mechanism：气体或蒸汽分子在固体表面的吸附Adsorption（或称粘附）吸附的分类classification：物理吸附

化学吸附

第二章真空镀膜技术的物理物理吸附

physisorptionsphysicaladsorption吸附力：范氏力forceofVanDevWaals分子间力，intermolecularforce包括静电力、诱导力、弥散力物理吸附的分子力曲线和分子位能曲线P6Fig2—1表面对单一分子的吸附力：电镜像力，分子力的综合。

第二章真空镀膜技术的物理化学吸附

chemisorptionschemicaladsorption吸附力：价键力forceofvalencebond原子间力interatomicforce包括离子键、共价键、金属键、氢键化学吸附的位能曲线P9Fig2—4第二章真空镀膜技术的物理吸附参量：

吸附几率,粘附系数stickingcoefficient（stickingprobability）=adsorptionrate/impingementrate

吸附时间sojourntime:吸附热heatofadsorption：吸附过程所放出的热量物理吸附热energyofphysicaladsorption与液化热的量级相近化学吸附热heatofchemicaladsorption与反应热的量级相近激活能activationenergy表面覆盖度coverage吸附中心

吸附位

第二章真空镀膜技术的物理一些术语

terms

—关于荷能粒子与表面的相互作用

荷能粒子chargedenergyparticles背散射backscattering俘获entrapment贯穿penetration再释release(表面)溅射sputtering溅射阈thresholdenergyofsputtering溅射产额sputteringyield气体溅射gassputtering损伤damage第二章真空镀膜技术的物理电子诱导脱附electroninduceddesorptionEID电子发射electronemission热电子发射thermionicemission光电子发射photo-electricemission场致发射fieldemission二次电子发射secondaryelectronemission电子、离子俄歇电子发射Augerelectronemission

第二章真空镀膜技术的物理2.4薄膜生长过程及其影响因素

Filmgrowthprocessanditsaffectingfactors第二章真空镀膜技术的物理薄膜的生长模式（Filmgrowingmodels）

岛状生长模式V-M（volmer-weber） 模式——主要层状生长模式F-M（Frank-VanderMerwe）模式混合生长模式

S-K（Stranski-Krastanov）模式

第二章真空镀膜技术的物理薄膜的岛状生长过程

1)点—线—网—膜P11Fig2-52-6growthprocessofthinfilmnuclear—line—net—film点—凝结成晶核大小2nm间距30nm随机分布；长大线—晶核连接入射原子、分子在基体表面自由移动的结果晶核合并较大晶核吃掉较小晶核、合并后晶核的形状和方位变化，开始再结晶网—连成网络膜—增厚成膜膜的形态—单晶膜、多晶膜、外延膜、非晶膜

第二章真空镀膜技术的物理影响薄膜生长的因素

factorsaffectingthefilmgrowth

(1)

基体表面的状态有无晶格结构缺陷、原子阶梯（吸附空位）表面平整程度形成第一层膜后，表面越光滑，新晶核越少有无表面污染杂质成为吸附中心(2)

基片的温度温度升高，沉积的粒子自由移动快，成核少而大，不易连成网第二章真空镀膜技术的物理(3)

入射粒子的状态具有的动能—动能高些，可以转变为在表面的迁移能，提高迁移率，晶核少而大；但动能过高，轰击基片，使表面产生缺陷，利于晶核生成，晶核变多入射的方向—倾斜于表面，利于粒子在表面的迁移，不利于成连续膜

(4)成膜方法蒸发初始晶核少而大，密度低；溅射初始晶核多而小，密度高

影响薄膜生长的因素(续)

factorsaffectingthefilmgrowth

第二章真空镀膜技术的物理2.5薄膜的结构

Structureoffilm第二章真空镀膜技术的物理薄膜的结构包括：

组织结构晶体结构表面结构1）组织结构（1）无定形（非晶）结构—无序结构，玻璃态结构。近程有序，远程无序，无晶体特征类无定形结构——由极小〔＜2nｍ＝的晶粒无序排列而成。（2）多晶结构——微晶薄膜，由许多微晶（10~100nm）排列超微粒薄膜，由许多微晶（＜10nm＝排列排列方式：无序多晶薄膜——无序排列晶粒择优取向——锥形（准柱形）结构；柱形结构；纤维结构（3）单晶结构——外延薄膜。以特定的单晶晶面作为基体表面，生长出具有基体晶体结构的单晶薄膜-称为外延薄膜

第二章真空镀膜技术的物理2）晶体结构——晶体薄膜中微晶的晶型和晶格常数近似认为：微晶的晶体结构与块状材料相同，只是晶粒的取向和大小与块状材料不同。实际偏差很大3）表面结构——主要影响因素：基片温度，表面粗糙度，气体压力，膜晶体结构理论上讲：薄膜应具有尽可能小的表面积（理想平面）以降低自身能量。实际上：薄膜的实际表面积＞＞几何面积，厚膜可能大于100倍。因为有许多孔洞，内表面积很大第二章真空镀膜技术的物理产生孔洞的原因：某些优先生长的峰状微晶产生阴影效应，使某些局部无法受到气相原子的入射；残余气压过高时，入射原子在气相中先凝结成微粒，再在基片上松散堆积，多孔性；基片温度低，无表面迁移和重新排列

第二章真空镀膜技术的物理2.6薄膜的力学性质及其影响因素

Filmpropertiesandtheiraffectingfactors第二章真空镀膜技术的物理薄膜性质包括：力学、电学、磁学、光学、化学、热学等方面。本节主要讲薄膜的力学性质：薄膜的力学性质与薄膜的结构密切相关，最主要的力学性质是附着强度，内应力，弹性、强度、硬度和耐磨性等。附着性能（附着强度）取决于薄膜生长的初始阶段，而其它力学性质主要依从于薄膜的生长阶段和结构类型。

第二章真空镀膜技术的物理1）薄膜应力

薄膜单位面积截面所承受的来自基片约束的作用力（1）应力的大小：拉应力—薄膜沿膜-基界面收缩，基体对膜层产生拉应力，取正值压应力—薄膜沿膜-基界面扩展，基体对膜层产生压应力，取负值薄膜应力会影响薄膜的机械、电、磁、光等性质，还会产生膜基界面的剪切力薄膜内应力沿膜厚分布是不均匀的，膜脱落后常卷曲。

第二章真空镀膜技术的物理（2）应力的起因与分类：

包括热应力和本征应力两部分

热应力：膜材与基体材料的热胀系数不同而产生的应力（外应力）降低热应力的方法：要求选材热胀系数接近；沉积时基片温度不要太高、分布均匀，本征应力：膜层生长及其结构变化而产生的应力（内应力），其中包括淀积内应力和附加内应力：

淀积内应力薄膜形成与生长过程中产生的应力薄膜与基片晶格失配（常数不同）；晶核合并、薄膜中的微孔、缺陷、薄膜的相变、自发退火等过程引起的体积变化（体积变大压应力，体积变小拉应力）第二章真空镀膜技术的物理附加内应力：由于暴露大气后产生氧化、氮化而吸收气体，体积变大内应力会在膜基界面间产生剪应力，影响附着强度（3）应力测量：悬臂法光学测位移第二章真空镀膜技术的物理2）附着强度（附着力）

（1）定义在膜-基界面处，使薄膜与基片分离所需要的垂直于界面的张力或平行于界面的剪切力。薄膜的附着性能——薄膜本身脆而易碎，为使之耐用，可靠，必须牢固地依附于基片上，附着性能就是薄膜与基片相互结合的性能。主要取决于二者界面的情况。第二章真空镀膜技术的物理（2）附着类型：①简单附着：有清楚的突变界面附着能在数值上等于分开单位附着面所需要的功

——附着能

——薄膜表面能；

——基片表面能

如果是单纯的物理附着，附着力主要是范德华力。对简单附着影响最大的是表面污染。

第二章真空镀膜技术的物理②扩散附着：由于两种材料相互扩散，溶解而形成渐变界面实现扩散附着的方法：基片加热法，离子注入法，离子轰击法等。如果是单纯物理附着，提高附着性能的原因可以解释为实际结合（接触）面积的增大。③中间层附着：在薄膜和基片间形成化合物中间层中间层可以是一种或多种化合物，可以是膜、基及气体成分的化合物形成中间层的方法：反应蒸发，反应溅射，蒸发或溅射过渡层，基片表面掺杂第二章真空镀膜技术的物理④宏观效应附着：机械锁合基片上有分布适当的微孔、裂缝，成膜时有膜材原子进入形成互嵌（3）附着力——范德华力、化学键力、静电力、机械锁合力第二章真空镀膜技术的物理（4）影响因素：基片表面状态——清洁程度，是否有污染层材料自身的性质——表面能量小的材料易于附着在表面能大的材料上，反之则很困难（如塑料镀金属）基片温度——提高温度利于扩散，加速化学反应，但温度过高会使晶粒粗大，增加热应力沉积方法——蒸发〈溅射〈离子〉沉积速率——大，形成氧化物中间层少，膜结构疏松，附着力差第二章真空镀膜技术的物理（5）提高附着强度的方法基片的镀前处理：去掉粉尘、油渍、氧化膜、吸附气体；成膜时基片加热：利于膜结构缺陷的减少，再结晶加强，内应力小；但温度过高热应力大；控制沉积速率：沉积过快不利再结晶等膜的正常生长过程的进行基片与膜之间打底膜、过渡膜、梯度膜；例如：镀银铝电接头，银在铝中的溶解度为1%，铝上直接镀银，附着强度很差，铜在铝中的溶解度为5.6%，铝在铜中的溶解度为9.4%，银在铜中的溶解度为8%，在铝上镀铜做底膜，再镀银。镀后热处理，在膜基界面处，形成扩散合金层

第二章真空镀膜技术的物理（6）附着强度的测定方法：拉剥法，粘结胶带在薄膜上；拉倒法，粘结金属立柱在薄膜上；划痕法，测定划痕时摩擦力和摩擦系数，突变时为膜破；薄膜的电学性质：薄膜电导、方块电阻、电阻温度系数由负变正薄膜的光学性质：书中给出增透膜的光学原理第二章真空镀膜技术的物理2.7气体放电中的粒子碰撞

Particlecollisionphenomenaingasdischarge第二章真空镀膜技术的物理分类

Classification

条件

Condition附着碰撞

Attachmentcollisione+AA—

慢电子激发碰撞

Excitationcollisione+AA*+e激发电位

EvoltageUe电离碰撞

Ionizationcollisione+AA++2e电离电位

IvoltageUi复合碰撞

Recombinationcollisione+A+

A

A—+A+2A空间复合Recombinationinspace表面复合Recombinationonsurface第二章真空镀膜技术的物理2.8冷阴极气体放电（直流二极放电）

Gasdischargewithcoolcathode第二章真空镀膜技术的物理结构与伏安特性

Construction&Current-Voltagecharacteristics（外特性）

分段

非自持放电nonself-maintaineddischargeOC自持放电self-maintaineddischargeC以后自持放电不需要外界提供载流子（电子）汤生放电TownsenddischargeOABCD着火点sparkingpoint(breakdown)D点过渡段transitionrangeDE正常辉光放电normalglowdischargeEF异常辉光放电

abnormalglowdischargeFG弧光放电arcdischargeGH第二章真空镀膜技术的物理各种放电的外在特征和内部机制

characteristics&mechanismofdischarges

解释为什么会有伏安特性曲线，从阴极发射电子的机制解释正常辉光、异常辉光、弧光放电的放电特征(1)汤生放电TownsenddischargeOABCD暗放电dark外来受激电子被利用、达到饱和、产生自激载流子（空间繁流、电极发射）(2)着火点sparkingpoint(breakdown)D点光亮放电bright电极场致发射电子过渡段transitionrangeDE不需要高电压维持电流，所以电流增加电压反下降第二章真空镀膜技术的物理(3)正常辉光放电normalglowdischargeEF阴极场致发射电子，靠增加发射面积提高电流，所以，电流增加，电压不变。直至辉光布满整个阴极。(4)异常辉光放电abnormalglowdischargeFG阴极场致发射电子，靠增加单位面积发射强度提高电流，所以，电流增加，需要电压增加。辉光一直布满整个阴极。(5)弧光放电arcdischarge

阴极发射大量电子，受正离子撞击严重，发热。转为热电子发射，能力大大加强，有所以，电流越大，电压越低，称为负特性。

各种放电的外在特征和内部机制（续）characteristics&mechanismofdischarges

第二章真空镀膜技术的物理3)辉光放电的极间参数分布

考察放电区间的内特性：亮度、电位、电场、温度的分布见P21Fig2—10(1)阴极区cathodeglow(dark)space共称阴极位降区cathodepotentialfallspace包括:阿斯登暗区Astondarkspace、阴极辉区cathodeglowspace、阴极暗区cathodedarkspace是放电的关键

随后有负辉区negativeglowspace和法拉第暗区Faradaydarkspace。（2）正柱区positivecolumn等离子体plasma无明显电压降可长可短（3）阳极区anodedarkspace可有可无各区的特征规律

通过移动电极观察

第二章真空镀膜技术的物理（2）正柱区positivecolumn等离子体plasma无明显电压降可长可短（3）阳极区anodedarkspace可有可无各区的特征规律

通过移动电极观察

第二章真空镀膜技术的物理着火点与着火电压

（击穿电压）

breakdownvoltage（sparkingpotential）

实际十分关心放电起辉条件。发现与极间距d和气体压力P有关，但不是独立相关。帕邢定律

Paschen’slaw：着火电压与Pd的乘积有关

见P242—18式帕邢曲线Paschen’scurve：见P24Fig2—12有极小值原因解释：左枝

Pd小，气体分子少，电子碰撞次数少，需高电位提高电离几率，右枝Pd大，气体分子多，电子能量积累少，需高电位提高电离几率实际应用：合理选择靶基距、气体压力和放电电压

第二章真空镀膜技术的物理5）弧光放电

Arcdischarge

只需很小面积的电子发射，有辉光，称为阴极辉点、阴极斑点。正柱区变为弧柱区低电压、大电流、高温度、强弧光镀膜设备中与放电管中放电的不同：阳极面积大而分散，导致正柱区（等离子区）、弧柱区分散，变得很大很淡，看不清边缘，只看见辉光放电的阴极辉区和弧光放电的阴极斑点（弧豆）。第二章真空镀膜技术的物理2.9热阴极气体放电（直流二极放电）

Gasdischargewithhotcathode第二章真空镀膜技术的物理1）结构construction改善电子发射机制，用外加热源加热电极，形成热电子发射，使放电的其他维持条件更容易满足。但属于非自持放电。2)伏安特性Current-voltagecharacteristics见P28Fig2-16放电电流的大小与极间电压关系不大（足够电离电位就行），但与气体压力有明显关系。3)着火电压Sparkingvoltage见P29Fig2-17是指极间开始产生明显电离，产生等离子体。不同于冷阴极放电的着火电压

第二章真空镀膜技术的物理2.10磁控辉光放电

Magnetronglowdischarge第二章真空镀膜技术的物理1)电子在正交电磁场中的运动

Electronmovementinperpendicularelectromagneticfield（1）

电磁场的结构constructionofelectromagneticfield平面正交电磁场

径向电场轴向磁场

第二章真空镀膜技术的物理（2）

在真空中的运动Movementinvacuum轨迹：摆线（旋轮线）。当磁场路径弯曲时，轨迹随之偏转。（3）

在气体中的运动Movementingases有碰撞.轨迹：一方面做摆线运动一方面向阳极靠近。（4）

磁控的结果Resultofmagnetron路径、碰撞次数、电离几率都大大增加第二章真空镀膜技术的物理磁控放电的特点

Characteristicsofmagnetrondischarge（1）

维持放电的气体压力更低lowerpressure，有利于输运过程（2）

放电的着火电压更低lowersparkingvoltage，不符合帕邢定律见P30Fig2-19（3）

伏安特性Current-voltagecharacteristicsI-Ucurve与异常辉光放电相似（电流与电压对应有关、可调）。但放电电压显著下降，10-2V即可，更安全。见P31Fig2-20（4）

放电集中于磁场较强之处Dischargeatstrongmagneticfieldarea电场、磁场与气压的合理匹配，是关键

第二章真空镀膜技术的物理2.11高频辉光放电

High-frequencyglowdischarge第二章真空镀膜技术的物理1）概念Conception结构与原理Construction&Principle在二电极间加上频率在MHz以上的高频交变电源而引发的气体放电。工业常用频率13.56MHz，因为处于发射频率范围，又称射频辉光放电。Radio-frequency.小常识：“短波9~18MHz中波0.535~1.6MHz调频立体声87~108MHz。2）机制Mechanism放电时，主要是电子