第6章PVD与CVD

6.1.1.3 真空的测量 热电偶真空计 原理： 原理：在玻璃管中封入加热丝C、D及两根
不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C 和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定， 当气体压强降低时，O点温度升高，则热电 偶A、B两端的热电动势E增大，由外接毫 伏计读出电压升高，压强与热电动势并非 线性关系. 热偶真空计的测量范围大约在 Pa之间， 它不能够测量再低的压强，这是因为当压 强更低时，热丝的温度较高，此时气体分 子热传导带走的热量很小，而由热丝引线 本身产生的热传导和热辐射这两部分不再 与压强有关，因此就达到了测量下限。
6.1.1
6.1.1.1
真空技术基础
真空物理基础
真空的定义， １ 真空的定义，真空度的单位几区域划分 １） 真空概念 “真空”是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态， 也就是该空间内气体分子密度低于该地区大气压的气体分子 密度。不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子密 度。在标准状态（STP：即0℃，10525Pa）下，气体的分子 密度为2.6870*10E24/mE3，而在真空度为1.33*10E-4 Pa时， 气体的分子密度只有３.24*10E16/mE3。完全没有气体的空 间状态为绝对真空。绝对真空实际上是不存在的。
电脑
膜厚测量装置 加热器
基板
实验中控制镀膜厚度 是最重要的。要控制 镀膜的厚度，应该要 求膜厚测量仪与膜材 料蒸发器统一受控与 同一系统，使这两部 分装置协调工作、相 互配合，当膜厚达到 要求时立即停止加热， 并冷却。这样才能有 效地控制膜厚，使镀 膜厚度达到光学仪器 的设计要求。
坩埚
6.2.3 真空蒸镀的现阶段的应用和发展
２ 气体分子运动论的基本公式 1)理想气体状态方程 PVD技术应用的真空度范围的气体可视为理想气体，应 用理想气体状态方程时可以不进行修改． pv=M/uRT M-气体质量（kg）；u-摩尔质量（kg.mol-1） 适用条件：压强不太高，温度不太低． 2)道尔分压定律 p=p1+p2+……+pn+… 3)平均速度
第6章 物理气相沉积与化学气相沉积 章 6-1 物理气相沉积
定义 物理气相沉积（PVD）技术是指在真空条件下用物理 的方法将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子并通过气相 过程在材料或部件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术 主要方法 真空蒸镀（VE） 真空溅射（VS） 离子镀膜（IP） 工艺过程 １成膜材料的汽化 ２成膜原子、分子或离子从源到基片的迁移过程 ３成膜原子在基片表面的吸附、堆集、形膜和长大成膜．
6.2真空蒸镀 真空蒸镀
6.2.1 原理 在真空中将蒸镀材料加热蒸发产生蒸气，使其附着在基板 上凝聚成薄膜。真空蒸镀属于物理气相沉积法。 1.蒸发过程 1）汽化热 2）蒸气压 3）蒸发温度 4）蒸发速率
6.2.2 真空蒸镀的关键部件
1.蒸发器
蒸发器的加热温度要达到膜材料熔化的温度，其加 热方式通常为电阻法、电子束法等。 电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器， 并将膜材料放在上面加热，利用电流的热效应使加 热器温度达到材料蒸发的温度，膜材料蒸发并淀积 在基板上。
（阳极） 8-底板9-灯丝电源 10-高压电源
6.4.2 工艺
工件 镀前处理 装件 抽真空
冷却
离子 沉积
离子 轰击
烘烤
取件
成品
6.5 镀膜前处理和膜厚测量
6.5.1 前处理 1.基片材料 1）金属 2）陶瓷 3）玻璃 4）塑料 2. 基片的清洗 6.5.2 膜厚测量（略）
6.6 薄膜的分析测试技术
3.旋片式（常用）：在一个泵壳内并联装有由同一个电动机驱动的多个独 旋片式（常用） 旋片式 立工作室的旋片真空泵。油封式真空泵工作原理用油来保持运动部件 的密封、靠泵腔容积变化而实现抽气的机械真空泵统称油封式真空泵。 它们的工作原理都是使泵腔工作室容积机械地增大和缩小而抽气。当 泵腔内工作室容积变得最小时，与泵的入口管道连通，于是气体进入 泵吸入腔，一直到吸入腔容积最大并重新与进气口分开时为止。当容 积减少时，气体被压缩，直到气体的压力大于一个大气压，排气阀被 打开，将气体排出 .
6.1.1.2 真空的获得
机械泵 1.定片式 定片式:在泵壳内装有一个与泵内表面靠近的偏心转子，泵 定片式 壳上装有一个始终与转子表面接触的径向滑片，当转子旋 转时，滑片能上、下滑动将泵腔分成两个可变容积。定片 式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真 空可达10-1Pa。泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易， 但由于其工作性能不如旋片泵，所以目前已经很少生产和 应用。 2.滑阀式：在偏心转子外部装有一个滑阀，转子旋转带动滑 滑阀式： 滑阀式 阀沿泵壳内壁滑动和滚动，滑阀上部的滑阀杆能在可摆动 的滑阀导轨中滑动，而把泵腔分成两个可变容积。滑阀式 真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。滑阀 式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀 泵。
真空蒸镀除了镀制光学薄膜外，还被用于镀制软包装铝膜， 它们以优异的机械物理、导电、光学美学，高阻隔、卫生、 无味、经济、环保等性能被广泛地应用于食品、医药、种 子、农药、通讯、电子、化工及军工等领域的包装材料。 此外真空蒸镀法还被应用于制备纳米材料。用真空蒸发、 加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后 骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设 备要求高。
MT
3 气流与流导
粘性流 容器尺寸远大于平均自由程时，气体主要是在分子间 相互碰撞的过程中流动．这种气流称为粘性流． 分子流 气体分子主要是和容器壁碰撞过程中流动，称之为分 d λ 子流． 当气体流量用pv表示时，单位时间内流过管道某一截 流量 面的气体量则为气体的流量． Q=pv/t (Pa·L/s) 流量与压力差和流阻Z的关系: Q=(p2-p1)/Z 流导G，则为： G=1/Z=Q/ (p2-p1)
２） 真空度单位 1．用压力作测量单位 国际单位制中压力的单位是帕斯卡（Pa）。1Pa的压力就是1mE2面积上作 用1N的力，即1Pa=1N/mE2 2．用真空度的百分数作测量单位 δ%＝(1×10E5-p)/(1*10E5)*100% 式中p的单位为Pa。 已知真空度的百分数δ，求气体压力p时可用下式： p=1*10E5(1-δ/100) 真空度的百分数只是当压力高于100Pa时才用。 ３）真空区域的划分 为实用上便利起见，人们常把真空度粗划为几个区段。根据GB3163－82， 真空区域大致划分如下： 低真空 10E5~10E2 Pa 中真空 10E2~10E-1 Pa 高真空 10E-1~10E-5 Pa 超高真空 <10E-5 Pa
v=
8KT = πm
8 RT
πµ
4)平均自由程
λ = 1/( 2π nδ )
2
5)气体分子的流量 气体分子的流量就是单位截流面积，单位时间通过的气 体分子数，对于器壁或处于系统中的固体则是单位时间 分子碰壁数（入射频率）．
Z=(1/4)n v = 4.67 *10
[Pa个／（s·cm2）]
24
p/
6.3 溅射镀膜
6.3.1 原理 以几十电子伏特或更高动能的荷电粒子轰击材料表面， 使其溅射出进入气相，可用来刻蚀和镀膜。 入射一个离子所溅射出的原子个数称为溅射产额(Yield)产额 越高溅射速度越快，以Cu、Au、Ag等最高，Ti、Mo、Ta、 W等最低。一般在0.1-10原子/离子。 离子可以直流辉光放电产生，在10-1—10 Pa真空度，在两极 间加高压产生放电，正离子会轰击负电之靶材而溅射也靶材， 而镀至被镀物上。 正常辉光放电的电流密度与阴极物质与形状、气体种类压力 等有关。溅镀时应尽可能维持其稳定。 任何材料皆可溅射镀膜，即使高熔点材料也容易溅镀，但对 非导体靶材须以射频（RF）或脉冲（pulse）溅射；且因导 电性较差，溅镀功率及速度较低。金属溅镀功率可达 10W/cm2,非金属＜5W/cm2
扩散泵 1.扩散泵：以低压高速蒸气流（油或汞等蒸气）作为工作介质 的喷射真空泵。气体分子扩散到蒸气射流中，被送到出口。 在射流中气体分子密度始终是很低的，这种泵适于在分子 流状态下工作。可分为： ①自净化扩散泵：泵液中易挥发的杂质经专门的机械输送 到出口而不回到锅炉中的一种油扩散泵。 ②分馏式扩散泵：这种泵具有分馏装置，使蒸气压强较低 的工作液蒸气进入高真空工作的喷嘴，而蒸气压强较高的 工作液蒸气进入低真空工作的喷嘴，它是一种多级油扩散 泵。 ⑷扩散喷射泵：它是一种有扩散泵特性的单级或多级喷嘴 与具有喷射真空泵特性的单级或多级喷嘴串联组成的一种 动量传输泵。油增压泵即属于这种型式。 ⑸离子传输泵：它是将被电离的气体在电磁场或电场的作 用下，输送到出口的一种动量传输泵。
2.膜厚检测装置
现在比较成熟有效的膜厚检测方法主要有两种：光学膜 厚检测、石英晶体振荡式检测。 光学膜厚检测：镀层薄膜的透射率和反射率随着膜的厚 度d的增加存在极大值和极小值，每增加四分之一波长 时，出现透射和反射光强的变化，通过这一变数量计算 膜厚。 石英晶体振荡式检测：石英片由一个固有的谐振频率， 淀积在它表面的物质质量改变时，谐振频率发生变化， 推算淀积层的厚度。
6.3.3 工艺
工件 镀前处理 装件 抽真空
冷却
工件溅射沉积烘烤、轰击源自取件后处理成品
6.4 离子镀 6.4.1 原理 在基体上施加电压，产生离 子对基体和覆盖层的持续轰击 作用的真空镀膜方法。 其工作原理是利用惰性气 体的辉光放电使金属或合金蒸 气离子化；离子经电场加速而 沉积在带付电荷基体上。 优点是：1）优良的绕射性 及覆盖致密、结合力高；2）离 化率高；3）沉积材料广；4） 离子镀原理图 沉积材料省，节略贵重金属；5） 1-绝缘体 2-基体（阴极）3-高压电极 4-阴 无污染 极暗区 5-真空罩 6-辉光区 7-蒸发源灯丝
热阴极电离真空计 热阴极电离规管由三个电极组成，真空计通过控制器的 控制电路单元对电极施加电压、电流，将非电量的气体压 力转换成电量——离子电流，利用控制器的测量显示单元 给出测量结果。热阴极电离规管以其结构简单、性能稳定、 操作方便、反应迅速和量程范围宽受到广泛应用。 组成：加速极G 收集极C 灯丝F