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PVD是指，在真空狀態(tài)的容器中用某種方法使薄膜物質(zhì)氣化并使氣附著在附近的基板上的薄膜形成方法。根據(jù)用途不同，方法也有各種各樣，按薄膜物質(zhì)的氣化方法分類的話能分成蒸發(fā)系和濺射系。

蒸發(fā)系

將薄膜物質(zhì)加熱蒸發(fā)，在比蒸發(fā)溫度低的基本表面上凝結(jié)成固體形成薄膜的方法。蒸發(fā)源為：1.抵抗加熱，2.電子光束加熱，3.高周波誘導(dǎo)加熱，4.激光束加熱等。

上述之中最多被使用的是電子光束加熱，幾乎可以蒸發(fā)所有的物質(zhì)。抵抗加熱是和鎢、鉭、鉬等燈絲材料直接通電而加熱的方法。燈絲材料為舟狀或金屬線狀時(shí)，能將薄膜物質(zhì)放在上面或掛在上面蒸發(fā)。另外，也有碳素、陶瓷等坩堝外面用卷上燈絲加熱的方法。通常是用于鋁、金、銀、銅等蒸發(fā)溫度比較低的物質(zhì)。高周波誘導(dǎo)加熱用于鋁的大量蒸發(fā)；激光束加熱有不破壞化合物組成的特長，這兩種方法只限用于某種范圍。

蒸發(fā)系的具代表性的鍍膜方法如下：

1. 真空蒸鍍（Vacuum Deposition）

如圖4.1，真空容器中放入蒸發(fā)源和基板。通常，在10-2?10-4Pa左右的壓力下成膜。這時(shí)，平均自由行程為數(shù)10cm?數(shù)10m左右，因此從蒸發(fā)源氣化了的薄膜物質(zhì)能幾乎不遇到?jīng)_突就可以到達(dá)基板。真空蒸鍍時(shí)，蒸發(fā)粒子的能量為0.1?1eV，是個(gè)很小的數(shù)值。因?yàn)橛绊懩べ|(zhì)的能量為度鍍膜時(shí)加熱基板的熱能，因此有對基板的損傷少，膜中摻入不純物質(zhì)的幾率低的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，膜容易造成毛孔，密度和曲折率也低，有膜強(qiáng)度不足的傾向。最佳鍍膜條件下制成的TiO2/SiO2層積膜橫截面的SEM（走查型電子顯微鏡）像如圖4.2所示。

要鍍出更細(xì)致強(qiáng)度更高而且表面平滑的膜，可以按圖4.3所示，在真空蒸鍍中加上離子槍，用數(shù)100eV左右的氣體離子（包括中和所需的同量電子）照射基板，這種運(yùn)動(dòng)能量可制出細(xì)致的膜。這種方法稱為離子光束輔助蒸鍍（Ion-beam Assisted Deposition：IAD），是非常常見的方法。圖4.4為用Ta2O5和SiO2反復(fù)蒸鍍的多層膜的SEM像。像這樣的多層膜，因?yàn)槿w膜厚會(huì)變厚，在真空蒸鍍中膜厚變厚會(huì)使膜的平滑性受影響，但使用IAD可以鍍出平滑的多層膜。

另外，離子的能量設(shè)定為數(shù)keV?數(shù)十keV，形成基板和膜的中間層的方法稱為離子混合。

2. 分子線蒸鍍（Molecular Beam Epitaxy）

如使用圖4.5的設(shè)備，在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔（Kundsen cell：K cell）準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。蒸發(fā)源經(jīng)過精密的溫度控制，鍍膜在單原子層單位中進(jìn)行，過程由反射電子線曲折（RHEED）觀察。因此，大大受到鍍膜室內(nèi)的殘留氣體的影響，所以要在10-7?10-9的超高真空中進(jìn)行。主要用于半導(dǎo)體單結(jié)晶膜的制作，還可以使不純物質(zhì)興奮。另外，還可以制作超格子（人工格子構(gòu)造）。蒸發(fā)源配上激光的方法主要是用于制作氧化物超傳導(dǎo)薄膜，也稱作激光燒蝕法（Laser Ablation）。把設(shè)備的鍍膜室、基板交換室、分析室互相連接，再用門閥隔開，基板的傳輸用翻料裝置執(zhí)行。

3. 離子電鍍（Ion Plating）

D. M. Mattox在1964年發(fā)布的直流放電10）為發(fā)端，之后各種的研究開發(fā)得出的鍍膜方法。Mattox的方法是，在基板上外施數(shù)kV的負(fù)電壓，在數(shù)Pa的壓力下鍍膜。氬氣、蒸發(fā)粒子的離子通過基板附近的陰極暗部的電位差而加速，與基板相沖突。通過這些能量能得到附著力強(qiáng)的薄膜。而且，在平均自由行程短的壓力下鍍的膜覆蓋能力良好，因此可以用在制作用于宇宙航空機(jī)器軸承等的軟質(zhì)金屬的成膜。如圖4.6，在蒸發(fā)源和基板之間的離子化方法也多種多樣，因此用途也非常廣泛。主要的離子化方法如下：

①將施加了正電壓的探針設(shè)置在電子槍蒸發(fā)源正上方，使反射電子、二次電子加速供離子化利用。

②利用高周波放電，使用10-2左右的氬氣或反應(yīng)性氣體進(jìn)行成膜。

③利用空心陰極放電型（HCD）的低電壓、大電流的電子槍（等離子槍）于離子化、蒸發(fā)等。

為陰極，以真空室作為接地電位的陽極，在施加直流電壓。只有使觸發(fā)針一瞬接觸到靶材，便發(fā)生真空電弧放電，使靶材表面發(fā)生細(xì)小的發(fā)電點(diǎn)。發(fā)生發(fā)電點(diǎn)的地方，靶材會(huì)被瞬間蒸發(fā)。真空電弧放電而產(chǎn)生的蒸氣的離子化率達(dá)到80%，高于其他方法。真空電弧放電的原理由Daalder解明14）。

這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，只會(huì)從靶材上的細(xì)小部分開始蒸發(fā)，所以不需要限制靶材的設(shè)置方向。因此，就算基板的形狀復(fù)雜而導(dǎo)致靶材的設(shè)置方向不一致，也不需要移動(dòng)基板就能鍍出均一的薄膜。相反，存在著①多數(shù)一般稱為微滴的μm單位的粒子會(huì)附著到表面；②鍍絕緣膜時(shí)放電會(huì)停止；這樣的缺點(diǎn)。

無論什么方法的離子電鍍，基板會(huì)利用負(fù)電壓或高周波（絕緣體的情況下）偏壓，從而使離子加速可有效地調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)能量。另外，由于氣氛處于活躍狀態(tài)，導(dǎo)入氧、氮、乙炔等反應(yīng)性氣體就能鍍出氧化物、氮化物、炭化物等的薄膜。一般，離子電鍍膜的緊貼性良好，高密度而且針孔少為特點(diǎn)。主要用于切削工具、金屬模具、裝飾品等的表面硬化膜或裝飾膜，具代表性的為鈦金屬、鉻金屬的氮化膜、炭化膜、炭氮化膜等。

4.離子光束蒸鍍（Ion Beam Deposition）

利用離子源制造薄膜物質(zhì)的離子光束，使其加速并薄膜化的方法。廣義上可作為離子電鍍的一種。串離子光束蒸鍍15）（ Ionized Cluster Beam Deposition ）為其中具代表性的方法，由于用此方法能得到結(jié)晶性良好的薄膜，因此多用于半導(dǎo)體等的外延成長的應(yīng)用研究。

濺射系

高能量的原子、分子與固體在碰撞后，原子會(huì)被趕出固體表面。這種現(xiàn)象稱為濺射（ Sputter ）或者是濺鍍（ Sputtering ），被碰撞的固體稱為靶材（ Target ）。通過高能量的原子、分子會(huì)反復(fù)碰撞，靶材會(huì)被加熱，為了防止溶解，會(huì)從背面進(jìn)行水冷。

1. 常規(guī)濺射（Conventional Sputtering）

如圖4.7，把基板設(shè)置在靶材的對面方向，數(shù)Pa?數(shù)10Pa程度的氬氣中對靶材施加數(shù)kV的負(fù)直流高電壓使其放電。這個(gè)放電為圖3.17的款式相同，為陰極的靶材的附近的陰極暗部的電位差會(huì)變大。而且一部分氬氣會(huì)放出1個(gè)電子，成為帶有＋1值電荷的氬離子，利用它的電位差加速使靶材沖突趕出原子。這些被趕出的原子在基板上積聚成薄膜，這就是濺射鍍膜的原理。2極放電中，氬氣壓力和放電電壓都處于高數(shù)值，將從熱燈絲放出的的熱電子照射到氬氣能容易維持放電，使壓力為10-1?10-2Pa左右，放電電壓為2kV以下的3極或4極直流濺射被開發(fā)，令膜質(zhì)得到改善。另外，靶材為絕緣物的情況下，表面會(huì)積聚氬離子導(dǎo)致電位上升而使濺射停止。這時(shí)使用高周波（通常13.56MHz）能根據(jù)氬離子和電子的移動(dòng)度不同，使更多的電子能到達(dá)靶材表面，令被負(fù)電位變壓的絕緣物也能實(shí)現(xiàn)濺射。

2.磁控濺射（Magnetron Sputtering）

上述的常規(guī)濺射，和蒸鍍相比鍍膜速度成了它小小的瑕疵。將其改善后開發(fā)出的就是圖4.8所示的磁電管陰極。在靶材背面放上磁石，利用靶材表面的漏磁場。由于磁場的影響，電子在靶材表面附近描畫圓環(huán)曲線并圍著磁場旋轉(zhuǎn)，使電子的軌道沿途產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離子，令濺射都集中到這一部分從而使速度上升10?100倍。放電電壓數(shù)為數(shù)百V左右，氬氣壓力為10-1Pa左右就能鍍膜，也可以使用高周波。這種磁電管陰極的發(fā)明，使其用途得到飛躍的擴(kuò)大，目前使用的濺射技術(shù)普遍都是利用到磁電管陰極。

3.離子光束濺射（Ion Beam Sputtering）

如圖4.9所示，離子槍的氣體離子照射到靶材上濺射。鍍膜室內(nèi)無需發(fā)生放電，因此能在高真空中鍍膜。且膜質(zhì)高，是可靠的鍍膜方法。

4. ECR濺射（ECR Sputtering）

2.4GHz的微波、8.75×10-2T的磁場造就了電子回旋加速共鳴的條件，使其發(fā)生強(qiáng)烈放電。等離子和基板之間放置靶材，通過負(fù)偏壓能產(chǎn)生濺射。

5. 反應(yīng)性濺射（Reactive Sputtering）

濺射是利用氬氣等不活性氣體離子切削薄膜材料（靶材）而使其氣化。氣體離子持有正電荷，薄膜材料為誘電體（絕緣物）時(shí)，直流濺射中電荷集中到靶材表面導(dǎo)致濺射停止。因此，鍍制誘電體膜時(shí)，會(huì)使用以下方法。

① 使用高周波濺射。

②使用有導(dǎo)電性的金屬靶材，導(dǎo)入氬氣等其他反應(yīng)性氣體，使其發(fā)生反應(yīng)得到誘電體膜。

可是無論是哪一種情況，鍍膜速度也不如理想，在誘電體材料為主題的光學(xué)薄膜生產(chǎn)現(xiàn)場沒能廣泛應(yīng)用。

最近開發(fā)出的新構(gòu)思的反應(yīng)性濺射實(shí)現(xiàn)了誘電體膜的高速鍍膜。這種方法的設(shè)備構(gòu)成例16）如圖4.10所示。

濺射工程和反應(yīng)工程分離，能各自控制是這種設(shè)備的特征。圖中的4為靶材，使用金屬、氬氣產(chǎn)生直流濺射。圖中的1為氧化源，經(jīng)過特別設(shè)計(jì)讓被導(dǎo)入這個(gè)部分的氧氣難以接觸到靶材部分。

A. 濺射工程

基板旋轉(zhuǎn)到靶材對面位置時(shí)，能鍍出非常薄的金屬膜。

B. 反應(yīng)工程

基板到達(dá)氧化源的對面位置時(shí)，金屬膜會(huì)反應(yīng)成為氧化膜。

通過重復(fù)這2個(gè)階段的工程可以得到合符膜厚要求的氧化膜。一次的鍍膜工程得到的膜厚為單原子層程度，但基板支架以100rpm速度旋轉(zhuǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)高速成膜。

這個(gè)方法只需調(diào)整投入到靶材和氧化源的電力，不但可以鍍出完全的氧化膜，不完全的氧化膜也可以制成。而且，圖4.10的設(shè)備總靶材設(shè)成2臺(tái)，能同時(shí)使用兩種不同的金屬靶材，只需調(diào)整各自的濺射電力便能控制鍍出的膜的曲折率。運(yùn)用這個(gè)方法，可使以往難以實(shí)現(xiàn)的曲折率的層次、傾斜曲折率的膜能鍍制，并大大提升了膜設(shè)計(jì)的自由度。另外，等離子源、離子源也可以利用于反應(yīng)源，只是上述例子使用了反應(yīng)性高的激進(jìn)氧化源。反應(yīng)氣體也不限于氧氣，氮化膜、炭化膜等也可以應(yīng)用。