薄膜物理课件

第一章真空技术基础主要内容稀薄气体基本性质真空的获得

真空的测量§1-1气体与真空空气作为一种气体，由气体分子组成（可以想象为弹性小球）。气体分子沿直线运动，直到与邻近分子或者器壁发生碰撞为止。1.气体、蒸汽?取决于压力增加时是否能够凝聚成为液体。例如：200oC时水为蒸汽，但是在500oC,水就是气体。当压力较低时，气体和蒸汽特性相同。P=F/A=nMvrms2/3NA

气压来源于气体分子对器壁的不断碰撞。气体分压2.气压PARTIALPRESSURESOFGASESCORRESPONDTOTHEIRRELATIVEVOLUMESGASSYMBOLPERCENTBYVOLUMEPARTIALPRESSURETORRPASCAL氮气氧气氩气二氧化碳氖气氦气氪气氢气氙气水N2O2ArCO2NeHeKrH2XeH2O78210.930.030.00180.00050.00010.000050.0000087Variable5931587.10.251.4x10-24.0x10-38.7x10-44.0x10-46.6x10-55to5079,00021,000940331.85.3x10-11.1x10-15.1x10-28.7x10-3665to6650空气是多种气体混合物T(OC)100250-40-78.5-196P(mbar)1013326.40.136.6x10-410-24(沸点)(冰点)(干冰)(液氮)水的饱和蒸汽压气体的饱和蒸汽压部分固体的饱和蒸汽压3.真空定义真空：低于{一个大气压U当地大气压｝的气体状态“相对真空”，“绝对真空”?

特点：压强(Pressure)低，分子稀薄， 分子的平均自由程长。电学特性输运特性真空的性质由压强、单位体积分子个数、气体密度等表示4.压力单位PressureunitPaBarAtmTorrPa10.000019.869×10-67.501×10-3

Bar1000001

9.869×10-17.501×102

Atm1013251.013251760

Torr133.320.0013331.316×10-31

用“真空度”及“压强”两个参量来衡量真空的程度

帕斯卡（Pascal）=1牛/米2，国际单位制托（Torr）=133.322Pa=1/760atm单位，描述真空的独特单位此外，mmHg、atm、bar等。

RelativePressureAbsolutePressure5.为什么需要真空?需要粒子在较长的距离做直线运动。5.为什么需要真空?2.提供一个洁净的表面（供薄膜沉积）。污染严重(经常是水)洁净表面空气气氛高真空6.真空的划分

粗真空

105－102Pa:目的是获得压差真空吸尘器，真空过滤器，CVD

低真空

102－10-1Pa:气体分子运动特征改变，电场下具有导电特征

vacuum-bottle,真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD高真空

10-1－10-6Pa:蒸发，离子源超高真空＜10-6Pa

：表面分析，粒子物理§1-2稀薄气体的基本性质

低压状态下，可用理想气体的状态方程（波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律）来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NAnmol=m/Mnmolecular=7.2*1022P/T1.理想气体状态方程2.气体分子的速度分布麦克斯韦速度分布函数表示分布在速度附近单位速度间隔内的分子数占总分子数的比率。气体分子速度分布3.三个重要速度表示最可几速度：最大时的速度平均速度均方根速度

4.平均自由程MEANFREEPATH

定义：每个分子在连续两次碰撞之间所运动的平均路程

其中:n——气体分子密度，标准状态 n≈3*1019

d—分子直径,几个Å代入理想气体状态方程

得:对于25℃空气

cmIsλpropotionaltoT?分子密度与平均自由程101325Pa(atm)0.1Pa1x10-7Pa#/cm3MFP3x1019(30milliontrillion)4x1013(40trillion)4x107(40million)2.5x10-6in6.4x10-5mm2inches5.1cm31miles50km碰撞几率气体分子运动X的距离以后，彼此间碰撞的几率。★误区：f与λ成反比。x=λ,f＝63%x=0.1λ,f＝9%5.分子通量与余弦散射律

（1）分子通量F（入射频率n）：单位时间单位面积的器壁上碰撞的气体分子数＝2.64×1020P/(MT)0.5（molecules/cm2s）P:pascalM:gT:K（克努森方程）（2）气体分子从固体表面的反射几率A.反射几率与入射方向无关，仅按余弦定律散射B.揭示散射的本质是个再发射过程，即气体将停留在固体表面一小段时间以交换能量（吸附）。

黏滞流

(分子间动量传递)分子流

(分子独立运动)6.气体的流动流体机制黏滞流:

分子间距小；分子间碰撞占主导；

通过动量传递进行流动；一般压力大于0.1mbar过渡流:

介于两者之间。分子流:

分子间距大；分子与器壁碰撞占主导；

通过无定向运动进行；一般压力小于10mbar-3平均自由程

特征长度黏滞流:小于0.01克努森数平均自由程

特征长度过渡流:[0.01,1]平均自由程

特征长度分子流:大于1气源2.吸附气体：1.空间气体：很容易被抽走物理吸附化学吸附

放气量在中真空阶段与空间气源相当，高真空、超高真空阶段为主要放气源。真空材料：不锈钢等，忌用陶瓷除气手段：烘烤、离子轰击3.系统漏气：密封：O形橡胶圈：高真空金属密封圈：超高真空气体负荷OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeation气体负荷单位:mbar∙L/s抽气曲线Pressure(mbar)Time(sec)10-11101103105107109101110131015101710+110-110-310-510-710-9空间气体表面解吸扩散渗透Exp(-at)1/t1/t§1-3真空的获得典型的真空系统包括：真空室(Chamber)，真空泵(VacuumPump),控制系统(Controlsystem)，真空计(VacuumGag)真空系统的两个重要参数：极限真空（本底真空,BasepressureorUltimatepressure），抽气速率(Pumpingspeed)泵将气体抽出系统？No！No！！No！！！真空泵

Vacuumpump要生成真空，必须将气体分子移出系统。只有当空间的两个区域存在压力差的时候气体分子才会移动。低压区域拥有较少的气体分子，高压区域拥有较多的分子。任何能够在空间两个区域之间生成压力差的设备都可以叫做泵。在特定系统中生成真空的泵被称为真空泵。Atmosphere主要的真空泵油封机械泵、分子泵、罗茨泵原理：利用机械力压缩

油扩散泵原理：油蒸汽喷射形成压差

溅射离子泵、钛升华泵原理：溅射形成吸气、升华形成吸气

冷凝泵原理：将气体冷凝成液态/冷凝吸附1.机械泵（旋片式机械泵）

转子偏心地置于定子内，旋片上有弹簧，整个部件浸于机械泵油中，油起润滑和密封作用。旋片转动一周后经n个循环后真空腔Pn接近0容积变化Pn不可能趋于零，因为：

A.在出气与转子密封点之间存在着“有害空间”。

B.单等级泵时进气口与排气口压力差大。

C.泵油在高温摩擦下，裂解形成轻馏成份。

D.水蒸汽凝结，形成悬浊液解决办法是采用双级泵，以一个转子空间的出气口作为另一转子空间的进气口，可使极限真空从1Pa→10-2Pa采用高温泵油气镇阀双级泵工作原理可获得更低的气压1.旋片式机械泵的缺点振动！返油（无法生成高真空）容易磨损对可凝结的气体效果不佳发热耗油返油2气压<0.2mbar时容易发生油分子的平均自由程随气压降低逐渐增大压缩过程中会产生水和丙酮的凝结。为避免凝结，通过气镇阀引入气体，使可凝性气体到达饱和蒸汽压之前，压缩气体压力已达到排气压力，将气体排出。单级和双极叶片泵的抽速特征2.Roots--罗茨泵两个8字形共轭的转子，转子之间、转子与泵壁之间无油，间隙0.1mm高速转动：可达3000转/分，抽气时无压缩，工作原理：容积泵+分子泵。机械增压泵Pump/BlowerPackages真空泵工作示意图单级罗茨真空泵结构图C(blower+rotarypiston)（罗茨泵+旋转活塞泵）D(rotarypiston)（旋转活塞泵）A(blower+rotaryvane)（罗茨泵+旋片泵）B(rotaryvane)（旋片泵）3.扩散泵扩散泵油被加热后沿喷嘴向下喷射，速度可达200m/s，由空气动力学原理与进气口形成压力差，使气体向下扩散而被抽走，油蒸汽水冷后重新利用。

顶级喷口拥有最纯的油蒸汽工作原理抽速变化10-710--110PumpingSpeed(Air)1234InletPressure(Pa)CriticalPoint1.CompressionRatioLimit2.ConstantSpeed3.ConstantQ(Overload)4.MechanicalPumpEffect污染油蒸汽的释放

最大出口气压(Page73manual)液氮冷阱+挡板(Page78manual)油扩散泵优点简单相对便宜无活动部件

（无振动）抽速

P容易抽轻气体可允许颗粒存在缺点油

蒸汽

热解加热冷却耗时需要冷却可能过热可能污染腔体4.分子泵Balzers,1992LeyboldM2000,1999“Clean,LeanVacuumMachine”Turbo’s气体随转子作圆周运动，获得离心力，与转子上页碰撞，按余弦定律散射，获得速度，后与定子下交碰撞，再获向下速度分量。条件：（1）起始工作气压小，平均自由程大。常压下，空气λ=0.06μm；1.3Pa，λ=4.4mm（λ大于叶片间距）。（2）转子叶片线速度与气体分子速度相近。分子量大、气体易抽，H2难抽。

H2最可几速率1557m/s，极限真空残余气体中。85%为H2。涡轮分子泵工作原理MoleculeV墙以速度V向右移动涡轮分子泵优点清洁无需加热冷却高真空抽速快N2170L/sHe130L/sH2110L/s缺点昂贵不允许颗粒存在易崩溃（更贵）抽速因气体不同5.钛升华泵加热热丝至足够高温（1100℃），钛直接升华，钛沉积在器壁内腔上，形成新鲜钛膜层，在升华和沉积过程中，钛与活性气体结合形成稳定化合物（TiO，TiN），达到抽气的目的：吸附作用，物理+化学（为主）。极限真空：10-10Pa

注意：（1）控制升华速率，使钛充分反应，否则无效；（2）吸气面大，抽速高。6.溅射离子泵阳极为多个不锈钢圆筒或四方格、六方格组成,阴、阳极之间加有高压，在阳极小室里产生放电。特点：极限真空10-10Pa，对油污染敏感当真空系统压力降到

10-3Torr时,离子泵才开始正式发挥作用。溅射离子泵优点清洁无活动部件可由电流轻易获得气压缺点太讲究

难启动对水作用有限低容量气体并非永久排除7.冷凝泵通过低温凝结捕获气体分子。由冷凝器组成，温度-193℃--255℃。拥有活性炭，用于吸收无法凝结的气体分子。低温冷凝泵的工作范围粗真空高真空超高真空VenturiPump旋片机械泵旋转活塞泵吸附泵干机械泵罗茨泵高真空泵超高真空泵10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)泵的工作范围（续）10-1210-1010-810-610-410-2110+2P(Torr)粗真空超高真空粗真空泵涡轮泵扩散泵冷凝泵离子泵钛升华泵液氮冷凝泵高真空§1-4真空的测量几种真空计的工作原理与测量范围U形管压力计利用大气压与真空压差测量范围（Pa）105－102

电阻真空计、热偶真空计利用气体分子热传导测量范围（Pa）104－10-2

热阴极电离真空计、B-A型真空计利用气体电离与压强的关系测量范围（Pa）10-1－10-6、10-1－10-10潘宁磁控电离计利用磁场中电离与压强的关系测量范围（Pa）1－10-5

气体放电管利用气体放电与压强的关系测量范围（Pa）103－1布顿式真空计热偶真空规热偶真空计

热电偶测量热线温度的变化，即为热偶真空计。测量热丝电阻值的变化，即为热阻真空计。

Q=Q1辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量低气压下，气体传导的热量与压强成正比。热导规对不同气体的灵敏度3.电容压力计测量范围：0.1-1000torr精确度高由两个腔体组成，中间由灵敏的柔性隔板隔开。一个腔体连接被测气体，另一个腔体保持恒定气压。恒定气压腔体内有两个电容盘。当气压变化时，隔板移动，隔板与电容盘之间电容发生变化。该信号可以转化为气压。4.电离真空计

类似于一真空三极管，灯丝发射电子使气体电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，收集极收集离子数的多少，即可知压强P的大小。注意：不可在高气压下使用，此时离子电流过大，将烧毁真空计。测量范围：10-8-10-2torr由钨丝，金属格，收集极组成，均封装于玻璃管中，与被测气体相连。当气压升高，电流增大。电离规对不同气体的相对灵敏度气体对N2相对灵敏度Sr气体对N2相对灵敏度Sr

H20.46He0.17Ne0.25Ar1.31Kr1.98Xe2.71N21.0O20.95CO1.11CO21.53干燥空气1.0H2O0.9Hg3.4扩散泵油气9-13HCl0.38CH4l.26CCl40.705.残余气体分析仪（RGA）QUADRUPOLEHEADCONTROLUNITRGA工作原理MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYNORMAL(UNBAKED)SYSTEMH2H2ON2,,COCO2(A)RGA谱线MASSNUMBER(A.M.U.)RELATIVEINTENSITYSYSTEMWITHAIRLEAKH2H2ON2CO2(B)O25.温度对压力测试准确性的影响两连通容器的压力：1.低真空：粘滞流情况，平衡条件是压力相等

P1=P2，

2.高真空：分子层流情况，平衡条件是流导相等例：真空室温度600℃，规管温度25℃，测量压力只有真实压力的58％。真空计工作范围10-1010-810-610-410-210010＋210+4P(Pa)粗真空高真空超高真空BourdonGauge热偶规冷阴极规电容压力计HotFil.IonGaugeRGA皮拉尼规SpinningRotorGaugeMcLeodGauge§1-5真空部件Bellows—波纹管真空系统连接件

提供直线连接的缓冲

为安装硬件提供充分的灵活性

减少连接处的应力

热循环时提供充分的膨胀/收缩空间Valves—真空阀真空系统隔离阀

气压传动316L不锈钢材质

弹性变形金属密封最高工作温度200℃

波纹管密封Feedthroughs—连接件Gasket—密封环RubberorMetal?MassFlowController—流量计由主管和支管构成。支管

中部有加热线圈和温度传感器。

测量传感器之间温差。流速越慢，温差越大。

针对不同气体进行校正。分子筛和沸石阱Thermocouple—热电偶由两条不同的金属丝连接构成。测量连接点的温度

温度上升时，电压随之升高。HeatingSystemResistanceheating电阻加热Electronicbombardment电子轰击Lampheating灯丝加热RFheating射频加热ContactorNOT?§1-6LEAKDETECTION检漏漏气的可能OutgassingLeaksVirtualRealBackstreamingDiffusionPermeationTrappedVolumesVentedScrewDoubleOringsealedshaftsAtmosphere(760torr)VacuumDifferentialPumpingAtmosphere(1013mbar)VacuumToPump1mbarstandardcubiccentimeter/sec

(sccs)密封后的残余气体像真正的泄漏:1mm3@1atm=1000L@10-6Torr泄漏速率10-1sccs 10-3sccsLeakRatesoverTime10-1STDCC/SEC1CC/10SEC10-3STDCC/SEC3CC/HOUR10-5STDCC/SEC1CC/DAY10-6STDCC/SEC1CC/2WEEKS10-7STDCC/SEC3CC/YEAR10-9STDCC/SEC1CC/30YEARSPermeationLeaks渗透泄漏（Permeationleaks）与真正的泄漏不同，唯一消除的办法只能是更换为渗漏较少的材料。为什么用氦气检漏?§1-7VacuumMaterials机械性能：可以被加工和制作；

强度；

耐温性热性能：高温时材料的蒸汽压必须很低；

相邻材料的热膨胀匹配，特别是接口处。GasLoading不能是多孔的；必须没有裂纹裂缝（会陷入清洁用溶剂，成为虚拟的泄漏源。）极端温度和辐射条件下的表面和整体解吸速率不能太高。CommonMaterialsAusteniticStainlessSteel(奥氏体不锈钢)

高真空和超高真空最常用的材料，满足所有上述要求。AluminumandAluminumAlloys（铝合金）

便宜，易加工，锌含量低时放气率很低。缺点是高温下强度较低，焊接时形变严重。Ceramics–完全玻璃化的陶瓷和氧化铝是很好的绝缘体，放气率低，气体渗透少，可在1500℃高温下使用。部分陶瓷可机械加工。易碎，使用时小心轻放。BorosilicateGlass(硼硅),Pyrex

(耐热玻璃),经常用做小系统或观察窗口。易于加工成部件，抗腐蚀。Nitrile（腈）

Rubber.BunaNt.m（丁纳橡胶）.

经常用来制作橡胶圈"O"rings.PTFE

具有自润滑特性，较低的放气率，较好的电绝缘体。相比于其他塑料，可用于较高温度。过高的渗透率使得PTFE不适合作为真空密封。

PolycarbonatesandPolystyrene（聚苯乙烯）放气率略低，有吸水特性，较好的电绝缘体。

Nylon具有自润滑特性，但放气率较高，容易吸水。Plastics

Acrylics（丙烯酸树脂）与尼龙相仿.

PVC放气率高，可应用于粗真空系统和检漏系统的临时连接件。

Polyethylene（聚乙烯）也可以用。§1-8真空系统HighVacuumValveMechanicalPumpThermocoupleGauge2RoughingValveForelineValveIonGaugeFinalDiagraminallofitscomplexityChamberVentValveVarianDiffusionPumpVHS-60184ThermocoupleGauge1CryotrapGaugeControllerTeeASA1.5’’NW25AdaptorFlangeNW25NW40AdaptorFlangeForelineTrap(NW40)ASA6in.8in.(NW150)CFAdaptorFlange6in.Viewporton8in.(NW150)CFFlangeASA6in.FlangesABiggerExampleSLAC(Stanford)

(50GeV)§1-9基片的性质玻璃陶瓷单晶金属塑料机械性能热学性能化学性能电学性能声学性能磁学性能光学性能晶体结构玻璃陶瓷单晶金属塑料机械性能热学性能化学性能电学性能声学性能磁学性能光学性能晶体结构物理气相沉积●定义物理气相沉积(physicalvapordeposition，PVD)是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。特点（与CVD相比）(1)需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过程的源物质；(2)源物质经过物理过程而进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境；

a)其他气体分子对于气相分子的散射作用较小

b)气相分子的运动路径近似为一条直线；

c)气相分子在衬底上的沉积几率接近100％。(4)在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应最常见的PVD方法分类蒸发法：溅射法：1、较高的沉积速度；2、相对较高的真空度，导致较高的薄膜质量。1、在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制；2、沉积层对衬底的附着力较好。脉冲激光沉积法1.真空蒸发原理①定义：简称真空蒸镀，在真空腔室中加热原材料，使其以原子或者分子的形式逸出（熔化升华），形成蒸气流，入射到基片表面并凝结成连续薄膜的方法。②主要部件分子泵机械泵排气口观察窗电源基片加热器线缆(1)真空室(2)蒸发源(3)基板(4)基板加热器及测温器等：Evaporatione-beamevaporationsystem真空蒸发的过程蒸发逸出粒子输运凝聚成膜凝聚相→气相。该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压蒸气流在蒸发源与基片之间的飞行,该阶段的主要作用因素：分子的平均自由程凝聚→成核→核生长→连续薄膜③特点A优点(1)设备简单，操作容易；(2)成膜速率快，0.1-50

m/min；(3)制得的薄膜纯度高、分布均匀；(4)薄膜生长机理单纯。B缺点(1)薄膜与基片的附着力小；(2)工艺重复性不好，膜厚不易控制；(3)不能淀积高熔点物质；(4)加热器具易污染薄膜原材料。1.真空蒸发原理——决定因素①①饱和蒸气压：气—液两相平衡称为饱和，饱和状态的气体与液体分别称为饱和气体与饱和液体，该状态下的压力称为饱和蒸气压。平衡气相与液相的能量、质量交换相等一定温度下，气态与液态分子数目交换相等真空蒸发近似平衡过程，需保持真空与温度

蒸气压方程—控制温度与压强Step1：克拉伯龙——克劳修斯方程Pv饱和蒸气压，Hv摩尔气化热或者液化热，V摩尔体积Step2：忽略液体体积,气体状态方程Step3：代入克—克方程Step4：解微分方程安托万方程安托万常数100Pa以下适用PvT蒸发温度定义：饱和蒸气压为10-2托时的温度。由此，蒸发材料分为两种：1）蒸发：蒸发温度大于熔点，大多数金属2）升华：加热温度小于熔点，如Cr、Ti、Mo、Fe等1.真空蒸发原理——决定因素②②蒸发速率：单位面积上，单位时间内从气相到达固相表面并能够停留的分子数。单位面积停留分子数碰撞频率逸出几率当α=1，Ph=0时，蒸发速率最大(个/m2s,Pa)

如何获得最大蒸发速率？1.基片足够清洁，减少逸出；2.冷却基片（特殊情况除外）；3.升高蒸发源温度，增大蒸气压。4.提高背底真空度，增大蒸发系数α。不完全蒸发、逸出从液面逸出α蒸发系数Ph液体静压

以质量表示的最大蒸发速率(kg/m2s,Pa)温度、饱和蒸气压变化，引起蒸发速率变化，但是温度决定饱和蒸气压，故而温度决定蒸发速率这里的温度是沉积腔内蒸气的温度，因此接近蒸发源的温度，但不是基片的温度。例注意实验室温度条件下采用真空蒸发沉积银膜，黏附系数为1,求真空沉积腔内的压强为1Pa时的蒸发速率解：查表得1Pa下蒸发温度分别为1300K：(kg/m2s,Pa)温度变化对蒸发速率的影响在高真空条件下，原材料的蒸发温度比较低，蒸发比较容易，真空腔内其他分子数所占比例非常小，主要以蒸发气体分子为主，所以可以近似认为蒸发系数等于1；并且基片足够清洁时黏附系数也等于1。例已知铝的蒸气压与温度的对应关系如下表:蒸气压(Pa)10-2100102温度(K)124514901830求在102Pa蒸气压下，温度变化1%时蒸发速率的变化解：将上表值代入公式：可求得多个B值，求平均，得B值为1.559104根据公式：102Pa下说明蒸发源温度影响巨大，必须严格控制蒸发温度！1.真空蒸发原理——决定因素③讨论PvPb背底真空度与饱和蒸气压有何关系？（1）PbPv（2）PvPb是能够成膜的关键（3）保持高真空，以使在较低的蒸气压下就可以蒸发成膜，也可以降低能耗。（4）蒸气分子要与残余气体分子碰撞，两者都可能与基片碰撞。决定因素③蒸气分子平均自由程与碰撞几率（1）蒸气分子的平均自由程各符号的意义:n，d，P，T注意n：蒸气分子与残余气体分子碰撞， 忽略蒸气分子之间的碰撞残余气体分子密度d：碰撞截面直径，蒸发分子小蒸发分子直径P：蒸发分子已脱离蒸发源表面腔内压强(真空)T：蒸发分子温度，但远离蒸发源略低于蒸发温度讨论平均自由程与源—基距的关系工作时，沉积腔内的压强在0.1~0.01Pa范围，蒸气温度在1000~1500K，分子直径约10Å，算出约为5~50cm。（1）可以采用高真空使得远大于沉积腔尺寸，蒸气分子几乎不发生碰撞到达基片，但是压强越低，蒸气分子密度越小。（2）可以缩短源—基距使蒸气分子顺利达到基片，但薄膜生长不易控制，受蒸发源影响大。（2）蒸气分子与残余气体分子的碰撞几率表示蒸气分子飞越x距离后，与残余气体的碰撞几率(1)增加10倍，f减小7倍(2)若要求f≤0.1,源基距为25cm则P≤3×10-3Pa2.真空蒸发制膜的纯度影响薄膜纯度的因素：1.蒸发源物质的纯度；2.残留气体的污染。3.加热装置、坩埚的污染；●残余气体的组成及其影响。大气的残余物（O2、N2、CO2、H2O），扩散泵油蒸气，真空室吸气。当P≤10-4Pa时，主要为真空室吸气。水汽易与金属膜反应，或与加热器材料反应。在设计优良的系统中，扩散油蒸气不明显。残余气体杂质浓度公式讨论是否可从蒸发速率公式、气体碰撞频率公式，粘附系数出发，推导公式？蒸发速率虽然可以认为是沉积（生长）速率，但公式中各参数难以确定。通常可以通过实验确定厚度沉积速率s(Å/s)(1)以原子个数表示的沉积速率:(2)杂质原子的粘附系数为1，则杂质原子的沉积速率即为碰撞频率:(3)两者相比可得杂质浓度公式:提高纯度的措施：1.提高本底真空度，蒸发可比溅射低5个数量级2.提高沉积速率，蒸发比溅射高1个量级以上3.蒸发制膜的厚度分布及蒸发源特性●影响膜厚分布的因素：A、蒸发源的特性；B、基板与蒸发源的几何形状，相对位置●假设：1、蒸发原子或分子与残余气体分子之间不发生碰撞；2、在蒸发源附近的蒸发原子间也不发生碰撞3、蒸发原子到达基板上后不发生再蒸发现象(1)点蒸发源膜厚分布点蒸发源dS以每秒m克向各方向蒸发，则处于立体角d

中的蒸发量dm为:到达ds2面的蒸发速率，若黏附系数为1，即为沉积速率。假设厚度沉积速率为t，膜的密度为

上式说明了源—基距为h，偏离基片中心x距离时的厚度，很显然，当源—基距一定时，x=0处，即处于基片中心的膜厚t0最大：膜厚分布:源—基距、基片尺寸对膜厚分布的影响讨论t/t0ht/t0x基片尺寸一定时源—基距一定时(2)小平面蒸发源的膜厚分布特点：射入小孔的分子方向不改变在θ角方向蒸发的材料质量与cosθ成正比半球面(余弦散射定理)=特点：

1、在蒸发源内物质的蒸气压近似等于其平衡蒸气压；

2、蒸发源外仍可保持真空室的高真空度。

3、衬底上物质的沉积规律：面积元dAs上接受的沉积物质量为质量沉积速度为:点源与小平面蒸发源相比，厚度的均匀性要好一些但淀积速率要低得多，单位质量的原料所得膜厚1/4更好的一致性:

减小样品尺寸(l)增加了到基底的距离(h)需要更大的腔体

需要更好的真空度

有利于废物的蒸发可用多个蒸发源在蒸发镀膜过程中可以移动基底

(3)细长平面蒸发源相当于热丝，由许多小平面蒸发源构成蒸发源ds上的蒸发物质量为dms可视为小平面蒸发源，则基板小元面积dδ上的膜厚为(4)环状平面蒸发源蒸发特性dm相当于小平面源

作业1.结合物理气相制膜的特点，说明为什么制备薄膜时需要真空？2.简要说明什么是气体分子平均自由程和物理气相沉积。3.现有机械泵、分子泵，请将他们按适当的顺序连接到真空制膜腔体上（画图），并说明理由。4.蒸发源与基板的相对位置配置(1)点源蒸发源放在球心，基板放在球面上，可得到均匀薄膜。x=0h(2)小平面蒸发源蒸发源、基板放在同一球面上，可得到均匀薄膜。5.蒸发源的类型

最常用的加热方式：电阻法、电子束法、高频感应激光一、电阻蒸发源蒸发源材料的要求1）熔点要高，熔点要高于被蒸发物质的蒸发温度（多在1000~2000℃）；2）饱和蒸气压低，减少蒸发源材料蒸气的污染.要求：蒸发材料的蒸发温度低于蒸发源材料在平衡蒸气压为10-8托时的温度。3）化学性能稳定，不与镀料反应。4）耐热性好，热源变化时，功率密度变化较小。5）经济耐用。金属电阻蒸发源材料加工性：W最差，室温很脆，需400℃高温退火Mo好Ta最好金属蒸发源与镀料的反应例子：钽与金；铝、铁、镍、钴等与钨、钼、钽。改进方法：陶瓷坩埚陶瓷坩埚的性能镀料熔化后，若有沿蒸发源扩展的倾向时，两者是浸润的。反之，是不浸润的。浸润时，为面蒸发源，蒸发状态稳定。不侵润时，为点蒸发源，若用丝式蒸发源时镀料易脱落。镀料与蒸发源的浸润性各种形状的电阻蒸发源1）丝式●

a)、b)要求浸润性，镀料为丝状。但浸润好意味着有轻微合金化，只能用1次。●

c)不要求浸润性，镀料可丝状、块状●蒸发加热丝的直径：0.5-1mm，特殊1.5mm,多股2）蒸发舟

●用金属箔制成，箔厚0.05-0.15mm，可蒸发块状、丝状、粉状镀料●注意避免局部过热，发生飞溅3）外热坩埚二、电子束蒸发源●定义：将镀料放入水冷铜坩埚中，利用高能电子束轰击镀料，使其受热蒸发。●电阻蒸发源的缺点1）不能蒸发某些难熔金属和氧化物2）不能制备高纯度薄膜电子束加热的特点一、优点：1）采用聚焦电子束，功率密度高，可蒸发高熔点镀料（3000℃以上）如W，Mo，Ge，SiO2，Al2O3等。2）采用水冷坩埚，可避免坩埚材料的蒸发，及坩埚与镀料的反应，制得高纯度薄膜。3）热量直接加在镀料上，热效率高，传导，辐射的热损失少。二、缺点：1）电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使蒸发原子和残留气体电离，影响膜层质量。2）多数化合物在受到电子轰击时会部分分解。3）设备结构复杂，昂贵。4）当加速电压过高时产生软X射线会对人体有伤害。4）电子束蒸发源的结构●环形枪：环状阴极发射电子，结构简单缺点：阴极与坩埚近，阴极材料的蒸发污染；阴极与坩埚加有高压，导致闪火、辉光放电，并随蒸气压力和电压增加，导致功率、效率上不去。●直枪轴对称的直线加速电子枪，阴极发射电子，阳极加速，缺点是体积大，成本高，蒸镀材料会污染枪体，灯丝逸出的Na+离子污染膜层。●

偏转枪偏转180°

偏转270°，e型枪e型枪优点1）电子束偏转180°以上，多为270°，避免了镀膜材料对枪体的污染，并给镀膜留出了更大的空间。2）收集极使正离子对膜的影响减少。3）吸收极使二次电子对基板的轰击减少。4）阴极结构防止极间放电，又避免了灯丝污染。5）可通过调节磁场改变电子束的轰击位置。三、高频感应蒸发源

●原理：将镀料放在坩埚中，坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使镀料在高频电磁场的感应下产生涡流损失和磁滞损失（对铁磁体）而升温蒸发。二）特点：1）蒸发速率大，可比电阻蒸发源大10倍左右。2）蒸发源的温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。3）镀料是金属时可自身产生热量，坩锅可选用与蒸发材料反应最小的材料。三）缺点：1）蒸发装置必须屏蔽，否则会对广播通讯产生影响。2）线圈附近压强超过10-2Pa时，高频电场会使残余气体电离。3）高频发生器昂贵。四、激光蒸发

●优点：1）加热温度高，可蒸发任何吸收激光的材料（如石墨，熔点为3500℃）。2）采用非接触式加热，避免了蒸发源的污染，非常适宜于制备高纯薄膜。3）蒸发速率可极高（如Si可得到106Å/s）。4）方便于多源顺序蒸发或多源共蒸发。●定义：利用高能激光作为热源来蒸镀薄膜的方法。激光器材料波长脉宽脉冲频率功率连续激光器CO210.6μm//100W脉冲激光器准分子激光红宝石YAGNd玻璃XeFXeClKrFArF6943Å

1.06μm可调351nm308nm248nm193nm30ns200ns0.4ms20-30ns25-30ns0.2Hz1000-20000.1Hz1-20Hz5Hz10Hz104W/cm2105-106105W/cm20.1-1J650mJ3-4J准分子激光的特点：波长短、脉宽短、频率低CO2激光——连续激光材料表面温度：P:激光功率r:反射率d:光点直径k:导热系数例：P=100W,r=0，d=1mm,k=50W/m·k石墨表面1000℃，改用粉末状镀料，导热系数下降1个量级脉冲激光特点：闪烁蒸发，有利于控制化学成分和防止分解；又由于材料气化时间短，不足以使周围材料达到蒸发温度，所以不易出现分馏现象。脉冲激光烧蚀（PulsedLaserAblation）定义：将准分子激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表面，使之产生高温并熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等离子体作定向局域膨胀发射并在衬底上淀积形成薄膜。PLA成膜过程1.激光表面熔蚀，使蒸发粒子和等离子体产生2.蒸发粒子和等离子体的定向局域等温膨胀发射3.在基板上沉积形成薄膜(1)激光与靶的作用过程高强度脉冲激光照射靶材时，靶材吸收激光束能量并使束斑处的靶材温度迅速升高至蒸发温度以上，使靶材气化蒸发并电离，从而形成局域化的高浓度蒸发粒子与等离子混合体。在纳秒级短脉冲激光的作用期间，靶体内束斑处原子的扩散和液相的对流来不及发生，靶材的各组份元素一致气化，不出现分馏现象。(2)等离子体的定向局域等温绝热膨胀发射

靶表面等离子体区继续吸收激光的能量，产生进一步的电离，等离子体区的温度和压力迅速升高，以等温（激光作用时）和绝热（激光终止时）膨胀的方式沿靶面轴线向空间中传播，传播的速度可高达105～106cm/s，具有瞬间爆炸的形式，在空间中形成细长的等离子体羽辉。羽辉的空间分布可用高次余弦cosn

描述，

为相对靶面法线的夹角。n的典型值为5～10，视靶材而异。

(3)在基板上沉积形成薄膜在绝热膨胀的等离子体遇到靶对面的基板后即在上面凝结形成薄膜。等离子体能量在10～103eV之间，其最可几分布为60～100eV，远远高于常规蒸发和溅射产物的能量。PLA的主要特点

(1)PLA法可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至是含有易挥发元素的多元化合物薄膜。其原因有三：第一，由于采用闪烁蒸发，脉冲作用时间短，重复频率低，表面熔蚀区只有1～10

m，而靶的其他部分（包括夹具、垫板等）处于绝热状态，不受激光加热的影响，从而保证了蒸发原子与靶材的一致性。第二，由于等离子体的瞬间爆炸式发射，以及等离子体沿轴向空间的约束效应，防止了在输运过程中可能出现的成份偏析。第三，成膜的的原子、分子和离子具有极快的运动速度，增强了原子间的结合力，消除了由于不同种类原子与衬底之间粘接系数不同所引起的成份偏离。(2)准分子激光波长短，其辐射频率位于紫外波段，易于被金属、氧化物、陶瓷、玻璃、高分子材料和塑料等多种材料吸收。用其加热可以达到极高的温度，可蒸发任何高熔点材料，并且可以获得很高的沉积速率(10～50nm/min)。⑶蒸发粒子与等离子混合体能量高，入射原子在衬底表面的扩散剧烈。并且由于脉冲频率低，使得成膜原子的扩散时间也足够长。因此薄膜的附着力好，易于在低温下实现外延生长，特别适合于制作高温超导、铁电、压电、电光等功能薄膜。⑷由于等离子混合体具有极高的前向速度，真空室中残留气体的散射作用相对减弱，因此PLA往往不要求在高真空下进行（例如，制备YBa2Cu3O7-

高温超导薄膜的本底真空通常为10Pa），简化了设备，缩短了生产周期。PLA的缺点：(1)薄膜表面存在微米-亚微米尺度的颗粒物；(2)制备的薄膜面积较小；(3)某些靶膜成分不一致。实际蒸发源的特点：点源：电子束，激光蒸发小平面：蒸发舟，陶瓷坩埚（浸润）6.合金及化合物的蒸发

一）合金的蒸发

●关键点：如何控制成分其中：GA、GB为蒸发速率；为饱和蒸气压

A、B两组份蒸发速率之比为：但不知，假设合金中各成分的饱和蒸气压服从拉乌尔定律

nA、nB：合金中A、B组分的摩尔数PA，PB为各组分单质的饱和蒸气压所以式中WA、WB为重量比上式说明当合金成分一定时，各组元的蒸发速率与成正比。例：1527℃时蒸发镍铬合金（Ni80%，Cr20%）。Pcr=10-1Torr PNi=10-2Torr

∴在蒸发初期，富铬，导致薄膜有良好附着力。活度系数绝大多少合金的Z不等于1，意味着成分偏析。Z主要受合金成分的影响。Z=1的例子，坡莫合金活度修正经时变化（Z≠1）设蒸发初期，易蒸发成分A优先蒸发，考察表面成分1）扩散速度>蒸发速度，蒸发面表面成分不变，薄膜成分恒定，可由上式计算；2）扩散速度<蒸发速度，蒸发面表面缺A，不久就会形成成分B的优先蒸发沉积，制得的薄膜由富A相向富B相连续变化。特别时当发生升华或从高温溶液中急速蒸发时。（1）瞬时蒸发法

又称“闪蒸法”，将细小的合金颗粒，逐次送到非常炽热的蒸发器中，使颗粒在瞬间完全蒸发。常用于合金中元素的蒸发速率相差很大的场合。关键是选取粉末料的粒度，蒸发温度和进料的速率。（2）双源或多源蒸发法

将合金的每一成分，分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制各蒸发源的蒸发速率，以控制薄膜的组成。

为了使膜厚均匀，通常需要旋转。二）化合物的蒸发

化合物的蒸发方式有三种：（1）电阻加热法；（2）反应蒸发法；（3）双源或多源蒸发法→分子束外延。

电阻加热的缺点：A）化合物的熔点较高，电阻加热温度不够。B）许多化合物在高温下会分解，如Al2O3，TiO2等会失氧。C)有些化合物饱和蒸气压低，难于用电阻蒸发法。反应蒸发法原理：将活性气体导入真空室，使之与被蒸发的金属原子，低价化合物分子在基板表面反应，形成所需化合物薄膜。：例：Al（蒸发）+O2（活性气体）→Al2O3Sn（蒸发）+O2（活性气体）→SnO2Si（蒸发）+C2H2（活性气体）→SiC

反应的位置：A）蒸发源表面，会降低蒸发速率，尽量避免B）源与基片之间，由于气压为10-2Pa，λ=50cm反应的几率很小。

C）基片表面，气体的吸附时间比空间中气体原子与蒸发原子碰撞的驰豫时间长得多。在安装上将气体直接喷到基片表面。

三）特殊的蒸发法（1）电弧蒸发法在高真空下，将镀料做成两个棒状电极，通电使其发生电弧放电，使接触部分达到高温而蒸发。特点优点：可蒸发高熔点材料，克服了电阻加热可能存在的污染及反应，又比电子束蒸发便宜。不足：适用于导电材料，蒸发速率难以控制，放电时飞溅的电极材料微粒会对膜层有影响。（2）热壁法1）蒸发在石英管中进行，通常石英管温度比基片高，使蒸发原子、分子通过石英管被导向基板，生成薄膜。2）是个热平衡过程，可制备外延薄膜，但可控性、重复性差。7.膜厚和淀积速率的测量与监控

一）膜厚的分类（1）形状膜厚dT

薄膜表面是凸凹不平的，存在着一个平均表面，平均表面到衬底的距离，称为形状膜厚。（2）质量膜厚dM通过称重等方法得到薄膜的质量，除以块材的密度得到的膜厚，由于薄膜中存在气孔、空孔、吸附气体，晶界等缺陷，密度小于块材。因此dM＜dT。（3）物性膜厚dp

通过测量一种物理性质（如透射率，电阻率等）在薄膜中的变化，与块材相比，得出的膜厚。通常：dT≥dM≥dP

二）称重法（1）微量天平法将微量天平置于真空室中，基片吊在天平横梁的一端，称出随膜的淀积而产生的天平倾斜，进而积分得到薄膜质量，求得膜厚。

优点：原位测量法灵敏度高，则测量质量误差可达±2ug，若采用间接称重法，由于薄膜会立刻吸附水气，精度要差1~2个数量级。

缺点：不能测量膜厚分布，只能得到平均膜厚，由于薄膜密度小于块材，膜厚偏小。特点（2）石英晶体振荡法原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚度变化的关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出质量膜厚。数学关系固有频率：v：厚度方向上弹性波的速度，切变弹性系数，N为频率常数，只与晶体的切向有关求导，得：若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度为dx(质量膜厚)，则相应的晶体厚度变化为

优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可测薄膜的生长速度，灵敏度高，20HZ左右，相应于石英的质量膜厚为12埃。

缺点：

（1）只能得到平均膜厚；（2）当石英晶片与蒸发源位置改变时，需校准；（3）在溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；（4）探头温度不能超过80℃。

特点三）电学方法（1）电阻法（适用于金属膜）RS；方阻，与正方形尺寸无关（Ω/口）a：薄膜电阻体宽度四探针测方阻，电阻率

误差≥±5%基片薄膜ta（2）电容法（适用于介质膜）

需制上、下电极，且不能进行实时监测。At电极

薄膜

（3）电离式监控计原理类似于B-A型电离真空计：传感规的离子电流大小与蒸汽的密度成正比。用一只传感规测出蒸发物蒸气与残余气体离子电离的大小；用另一只补偿规测出残余气体的离子电流，两者相减，可得蒸发速率。用于监控沉积速率，仅适用于真空蒸发四）光学方法R：反射率；α：吸收系数特点：（1）只适用于连续的薄膜；（2）可用于检查膜厚的均匀性；（3）并非所有材料的吸收都符合上式（1）光吸收法（2）光干涉法单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致的光程差为n倍λ时，会发生干涉。光程差为：nc(AB+BC)–AN又，折射定律：光程差＝极值出现在：n1>n2，极大值n1<n2，极小值金属膜吸收太强，不适用。①透明薄膜厚度的测量测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度将随膜厚而周期变化。单色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生干涉的最大和最小，所以可观察到明暗相间的平等条纹。2.2不透明薄膜厚度的测量

－等厚干涉条纹法若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，显然相邻干涉条纹间相差λ/2。反射镜用曲率半径很小（um）的蓝宝石或金刚石触针，在薄膜表面上移动，而记录下表面的起伏。

常用的信号记录方法有：1．差动变压器法，触针牵动铁芯上下移动，由线圈输出差动电信号。2．阻抗放大法触针上下移动使电感器间隙d发生相应变化，使得阻抗改变。

五、触针法应用时注意：1）不能用于软质膜，否则触针会穿透薄膜，导致极大误差。2）基片不平整会产生“噪声”误差。3）被测薄膜与基片之间必须有膜基台阶存在，才能进行测量。3．压电元件法触针上下移动时，作用在压电晶体上的力随着改变，从而使输出电信号改变。•概念什么是溅射镀膜？溅射镀膜指在真空室中，利用荷能粒子轰击固体表面，使固体原子或分子从表面射出，并在基片上沉积的技术。荷能粒子可以是电子、离子或者中性粒子，因为离子在电场作用下容易加速并且获得需要的动能，所以大多采用离子作为轰击粒子。典型的溅射设备随着退火温度升高发展历史1842年，Grove在实验室中研究电子管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到了真空管壁上。1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管玻璃内壁上有金属沉积的现象，对造成这种现象的原因不解，且把它作为有害的现象想法避免。1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅射出的产物。1930’s，已经有人利用溅射现象在实验室制取薄膜。60年代初，Bell实验室和WesternElectric公司利用溅射制取集成电路用的Ta膜，开始了溅射技术在工业上的应用。1963年制作出长度为10m的连续溅射镀膜装置。1965年，IBM公司研究出射频溅射法，使绝缘体的溅射镀膜成为可能。1969年，BattelePacificNorthwest实验室做成了实用的三极高速溅射装置。1974年，J.Chapin实现了高速、低温溅射镀膜，平面磁控溅射。溅射的特点溅射还可以用作刻蚀，目前已经广泛用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质膜、碳化物、氮化物等等。(2)薄膜与基板之间的附着性好

溅射原子的能量比蒸发原子高1～2个数量级，所以高能粒子沉积在基板上进行能量交换，有较高的热能，增强了薄膜与基板间的附着力。与真空蒸发法相比，有如下优点：(1)

任何物质均可以溅射

材料性质——高熔点、低蒸汽压的元素和化合物；

材料形态——块状、粉末、粒状；没有分解和分馏现象。（5）可以在较大面积上获得厚度均匀的薄膜。（3）薄膜密度高，针孔少，纯度高——因为没有坩锅污染；（4）膜厚可控性和重复性好——通过控制靶电流和放电电流。可以“在任何材料的基板上沉积任何材料的薄膜”，所以在新材料发现、新功能应用、新器件制作方面起着举足轻重的作用。射频溅射和磁控溅射技术已经克服了后二者的缺点。缺点：溅射设备复杂，需要高压装置；成膜速度低，一般在0.01～0.5μm/min；基板温度上升较高，容易受杂质气体影响；溅射的特点3.1气体放电现象与等离子体气体放电现象溅射气体至真空泵阳极衬底溅射靶绝缘辉光放电区－V（DC）直流电场作用下物质的溅射：

对系统抽真空后，充入适当压力的惰性气体，如Ar。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离。电离过程使Ar原子电离为Ar+和可以独立运动的电子，其中的电子会加速飞向阳极，而Ar+则在电场的作用下加速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放出相应的能量。离子高速撞击靶材的结果之一是使大量的靶材表面原子获得相当高的能量，使其可能脱离靶材的束缚而飞向衬底。等离子体什么是等离子体？The“fourthstateofmatter”;Apartiallyionizedgas.固体

冰液体

水气体

水汽等离子体

电离气体温度00C1000C100000C由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式

等离子体

电离气体普通气体等离子体放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要(电离度>10-4)宇宙中99％物质处于等离子体态等离子体等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。作用：

1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大部分能量。

2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属。

等离子体的产生等离子体的获得方法：1）热致电离产生等离子体：任何物质加热到足够高的温度后都能产生电离。当粒子所具有的动能，在粒子间的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时，才能得到等离子体。2）气体放电产生等离子体：在工程上和实验室广泛采用的是气体放电方法产生等离子体。产生等离子体的其它方法：•交流放电：低频放电、中频放电、射频放电；•脉冲放电：恒流、恒压；•微波放电：微波及电子回旋共振(ECR)；•射频感应耦合等离子体；•介质阻挡放电等离子体；•大气压放电等离子体。3.1.1气体放电基本过程

假设有一个直流放电系统，设电极之间电动势为E，直流电源提供电压V和电流I，并以电阻R作为限流电阻，则V=E-IR1、开始时：电极之间几乎没有电流通过，只有极少量的电离粒子在电场作用下定向运动，在宏观上表现出很微弱的电流。2、随着电压的逐渐升高：电离粒子达到饱和，电流达到一个饱和值，它取决于气体中原来已经电离原子数。放电过程的五个阶段：3、当电压继续升高时：离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。

1)电子碰撞开始导致气体分子电离，

2)离子对于阴极的碰撞产生二次电子

结果：碰撞过程导致离子和电子数目呈雪崩式的增加。这时，放电电流I迅速增加，电压U变化不大。这种放电过程被称为汤生放电（Townsenddischarge）。

放电过程的五个阶段：在汤生放电的后期，放电开始进入电晕(corona)放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑，因此，这一阶段被称为电晕放电。235放电过程的五个阶段：4、辉光放电（glowdischarge）（1）正常辉光放电汤生放电之后，气体突然发生放电击穿（breakdown）现象。电路的电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。这是由于这时的气体已被击穿，因而气体电阻将随着电离度的增加而显著下降，放电区由原来只集中于阴极的边缘和不规则处变成向整个电极上扩展。在这一阶段，导电粒子的数目大大增加，在碰撞过程中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。（2）异常辉光放电电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，辉光亮度提高，电流增加的同时电压也开始上升。这是由于放电已扩展至整个电极区域以后，再增加电流就需要相应地提高外电压。（注：一般溅射法常采用异常辉光放电，实现大面积均匀溅射和薄膜沉积。）236放电过程的五个阶段：5、随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流剧烈增加。表明等离子体导电能力进一步提高。等离子体分布区域发生急剧收缩，阴极表面开始出现很多小的、孤立的电弧放电斑点。这时，放电现象开始进入电弧放电阶段(arcdischarge)。3.1.2辉光放电现象及等离子体鞘层假设真空放电室中安置两个电极，通入压强为0.1-10Pa的Ar，当外加直流高压超过着火电压时，气体就由绝缘体变成导体，电流突然上升，两极间电压突然下降，此时两极间就会出现明暗相间的光层，这就是辉光放电。

气体的辉光放电意味着部分的气体分子开始分解为可以导电的离子与电子，即形成等离子体。此时，放电过程进入了可以自持的阶段，气体中的荷电粒子在吸收了一定的电场能量之后，已经可以不断地“复制”出新的电子和离子。辉光放电区域划分从阴极至阳极依次为：阿斯顿暗区，阴极辉光区，克鲁克斯阴极暗区，负辉光区，法拉第暗区，正辉光区，阳极暗区和阳极辉光区共八个发光强度不同的区域。辉光放电时区域的典型划分：暗区相当于离子和电子从电场获取能量的加速区。辉光区相当于不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。阴极辉光是由向阴极运动的正离子与阴极发射出的二次电子发生复合所产生的。阴极暗区是二次电子和离子的主要加速区,该区电压降占整个放电电压的大部分。负辉光区是发光最强的区域，是已获加速的电子与气体原子发生碰撞而电离的区域。“帕邢（Paschen）曲线”气体放电条件气体在正常辉光放电阶段发生放电击穿现象，这个放电击穿是有条件的，条件就是要有一定的电压。这个电压跟气体的压力有关。帕邢曲线就是表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。只有当气体压力和电极间距的乘积pd为某一数值时，气体最容易发生放电击穿。

在气体成分和电极材料一定时，击穿电压只与气压及电极距离的乘积相关。VB=f(P.d)

p太小，d太小——二次电子在碰撞阳极前不能进行足够数量的电离碰撞。

p太大，d太大——则气体中产生的离子，会由于非弹性碰撞被慢化、减速，以致到达阴极时已无足够的能量来产生二次电子。大多数的辉光放电，pd乘积应在最小值的右侧——p有一定值，n较多；d有一定值，溅射效率较高，特别是成膜区可以扩大。气体放电条件帕邢曲线和击穿电压

一般情况下，起辉放电的最低气压

Pmin=le/d，le为自由程，d为极间距。对于Ar来说，1Torr压力下，

le≈2×10-3m

极间距

d≤10-1m.

此时，Pmin≈2×10-2Torr

辉光放电的电流强度一般为10-1～102mA/cm2

几种气体的电离几率通常采用Ar气，原因：电离率高，容易起辉惰性气体，不反应价格便宜等离子体鞘层

相对于弧光放电来讲，辉光放电等离子体中电离粒子的密度以及粒子的平均能量较低，而放电的电压较高。此时，质量较大的重粒子，包括离子、中性原子和原子团的能量远远低于质量极小的电子的能量。因为质量极小的电子极易在电场中加速获得能量。不同粒子还具有极为不同的平均速度。电子与离子具有不同的速度的一个直接结果是形成所谓的等离子体鞘层，即相对于等离子体来讲，任何位于等离子体中或其附近的物体都将自动的处于一个负电位，并且在其表面外将伴随有正电荷的积累。等离子体鞘层辉光放电等离子体鞘层及相应的点位分布等离子体鞘层

假设在等离子体中，电子的速度服从麦克斯韦分布，则可以求出上述等离子体鞘层电位为：鞘层电位正比与电子温度且与离子和电子的质量有关。在薄膜制备的情况下，鞘层电位的存在意味着任何跨越鞘层而到达衬底的离子均将受到鞘层电位的加速作用，而获得一定的能量，并对薄膜表面产生轰击效应；电子则会受到鞘层电位的排斥作用，因而只有一些能量较高的电子才能克服鞘层电位的阻碍，轰击薄膜表面。等离子体鞘层直流辉光放电过程的电位分布和等离子鞘层阳极鞘层电位变化不大，阴极鞘层电位则由于外加电压的叠加而显著增加。在等离子体内部，没有静电荷的积累，而其导电能力较高，因此其电位近似为恒定值，并且高于阴阳两极各自的电位。这表明，两极间的全部电压降几乎均集中在阴极鞘层中。3