真空鍍膜技術(shù)的物理

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1、Ch.2 Physical Foundation of Vacuum Coating Technology l 本 章 簡 要 介 紹 真 空 鍍 膜 所 涉 及 的 一 些 通 用 的 物 理 概 念 ，為 以 后 各 章 的 原 理 分 析 、 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 、 參 數(shù) 確 定 提 供 基本 的 理 論 依 據(jù) 。l 鍍 膜 過 程 中 ， 原 材 料 的 粒 子 （ 原 子 、 離 子 、 分 子 或 分子 團(tuán) ） 從 氣 相 到 基 體 表 面 上 淀 積 成 固 態(tài) 薄 膜 ， 經(jīng) 歷 了一 系 列 相 變 過 程 ， PVD還 經(jīng) 歷 了 由 固 相 變 為 氣 相 的 過程 。

2、l 相 變 過 程 ： 固 相 氣 相 吸 附 相 （ 態(tài) ） 固 相l(xiāng) PVD鍍 膜 工 藝 包 括 離 散 （ 蒸 發(fā) 、 濺 射 ） 過 程 、 輸 運(yùn)（ 遷 移 ） 過 程 、 沉 積 （ 淀 積 ） 過 程 三 部 分 。l CVD鍍 膜 工 藝 包 括 輸 運(yùn) （ 遷 移 ） 過 程 、 沉 積 （ 淀 積 ）過 程 和 穿 插 于 二 過 程 之 間 的 反 應(yīng) 過 程 三 部 分 。 Physical foundation of scattering process l PVD工 藝 中 的 離 散 過 程 ， 是 將 固 體 原 材 料 轉(zhuǎn) 化 為 可 以遷 移 的 氣 相

3、成 分 的 步 驟 ， 常 用 方 法 有 蒸 發(fā) 和 濺 射 兩 種方 法 。l 對(duì) 此 二 過 程 的 分 析 ： 質(zhì) 量 守 恒 及 質(zhì) 量 遷 移 ； 能 量守 恒 及 能 量 遷 移 l 原 料 固 相 液 相 氣 相 少 數(shù) 直 接 升 華 ， 固相 氣 相 如 鉻l 原 料 參 與 相 變 的 量 ： 首 先 全 部 液 化 ， 然 后 部 分 汽 化 感 應(yīng) 坩 堝l 或 者 ： 只 有 一 部 分 參 與 液 化 和 汽 化 ， 其 它 只 是 受 熱 升溫 電 子 槍 ， 激 光l 所 需 要 的 熱 量 ： 固 相 升 溫 熱 、 熔 化 熱 、 液 相 升 溫 熱 、汽

4、 化 潛 熱l 熱 損 失 量 ： 坩 堝 熱 損 失 l 原 料 固 相 氣 相 ，l 原 料 參 與 相 變 的 量 ： 只 有 被 濺 射 原 料 參 與 濺 射 過 程 ，其 它 原 料 只 是 受 熱 升 溫 ，l 所 需 能 量 ： 材 料 被 濺 射 所 需 能 量 ， 僅 占 %l 損 失 能 量 ： 產(chǎn) 生 入 射 離 子 所 消 耗 的 能 量 ； 離 子 入 射 動(dòng)能 量 轉(zhuǎn) 化 為 靶 的 熱 量 損 失 Molecular gas dynamics for transfer process l 對(duì) 于 膜 材 粒 子 （ 蒸 汽 或 濺 射 顆 粒 ） 的 空 間 輸

5、 運(yùn) 過 程 ，常 借 用 平 衡 態(tài) 理 想 氣 體 分 子 運(yùn) 動(dòng) 論 的 方 法 和 結(jié) 論 ， 來描 述 鍍 膜 過 程 中 的 殘 余 氣 體 、 工 作 氣 體 、 甚 至 金 屬 蒸汽 的 性 質(zhì) 。l Perfect (ideal) gases at equilibrious states l Maxwell distribution of molecular velocitiesl 速 率 分 布 zyxzyx dcdcdckT cccmkTmNdN 2exp2 22232 dcckTmckTmNdN 2232 2exp24 l The mean number of mole

6、cular collisions collision rate cnz 22 S-1mkTc 8 20 ， 1atm， air =4.63 109 s-1 z l The mean number of ion collisions in gas l =2.58 103 m/s iii cnz 2)(41 s-1 meUci 2 ic U lThe mean number of electron collisions in gasl s-1 l l air l =5.93 105 m/s ee cnz 241 ee meUc 2ec l Mean free path of gas l ml Me

7、an free path of mistral gas l pkTnzc 22 221 Ki iii nmm1 2111 )2(1 1 l Mean free path of ions in gas l Mean free path of electrons in gas 241 22 pkTnzciii 2444 22 pkTnzceee lgaslions in gas lelectrons in gas )exp()( 0 xNNxP )exp()( 0 iii xNNxP )exp()( 0 eee xNNxP l 數(shù) 量 Number s-1m-2 l 體 積 Volume m3s-

8、1m2 l 質(zhì) 量 Mass kg s-1m-2 l 方 向 Direction mkTpcn 241 mkTcnV 241 mM ddp cos1 l 立 體 角 Solid anglel l 本 結(jié) 論 不 僅 用 于 沉 積 速率 Deposition rate計(jì) 算 ，l 也 用 于 飛 離 表 面 的 情 況 ，蒸 發(fā) 速 率 Evaporation rate（ 甚 至 濺 射 速 率Sputtering rate） 的 計(jì) 算 cos2rdsd Interaction of gas and vapor with surface l 淀 積 成 膜 的 機(jī) 制 mechanism ：

9、 氣 體 或 蒸 汽 分 子 在 固 體表 面 的 吸 附 Adsorption （ 或 稱 粘 附 ）l 吸 附 的 分 類 classification： 物 理 吸 附 化 學(xué) 吸 附 l 吸 附 力 ： 范 氏 力 force of Van Dev Waals 分 子 間 力 ，intermolecular forcel 包 括 靜 電 力 、 誘 導(dǎo) 力 、 彌 散 力l 物 理 吸 附 的 分 子 力 曲 線 和 分 子 位 能 曲 線 P6 Fig 21l 表 面 對(duì) 單 一 分 子 的 吸 附 力 ： 電 鏡 像 力 ， 分 子 力 的 綜 合 。 l 吸 附 力 ： 價(jià) 鍵

10、力 force of valence bond 原 子 間 力 interatomic forcel 包 括 離 子 鍵 、 共 價(jià) 鍵 、 金 屬 鍵 、 氫 鍵l 化 學(xué) 吸 附 的 位 能 曲 線 P9 Fig 24 l 吸 附 幾 率 ,粘 附 系 數(shù)l sticking coefficient （ sticking probability） = adsorption rate /impingement ratel 吸 附 時(shí) 間 sojourn time :l 吸 附 熱 heat of adsorption ： 吸 附 過 程 所 放 出 的 熱 量l 物 理 吸 附 熱 ener

11、gy of physical adsorption 與 液 化 熱 的 量級(jí) 相 近l 化 學(xué) 吸 附 熱 heat of chemical adsorption 與 反 應(yīng) 熱 的 量級(jí) 相 近l 激 活 能 activation energyl 表 面 覆 蓋 度 coverage 吸 附 中 心 吸 附 位 l 荷 能 粒 子 charged energy particlesl 背 散 射 back scatteringl 俘 獲 entrapmentl 貫 穿 penetrationl 再 釋 release l (表 面 )濺 射 sputteringl 濺 射 閾 threshol

12、d energy of sputtering l 濺 射 產(chǎn) 額 sputtering yield l 氣 體 濺 射 gas sputteringl 損 傷 damage l 電 子 誘 導(dǎo) 脫 附 electron induced desorption EIDl 電 子 發(fā) 射 electron emissionl 熱 電 子 發(fā) 射 thermionic emissionl 光 電 子 發(fā) 射 photo-electric emissionl 場(chǎng) 致 發(fā) 射 field emissionl 二 次 電 子 發(fā) 射 secondary electron emission 電 子 、 離 子

13、l 俄 歇 電 子 發(fā) 射 Auger electron emission Film growth process and its affecting factors l 島 狀 生 長 模 式 V-M（ volmer-weber） 模 式 主 要l 層 狀 生 長 模 式 F-M（ Frank-Vander Merwe） 模 式l 混 合 生 長 模 式 S-K（ Stranski-Krastanov） 模 式 l 1)點(diǎn) 線 網(wǎng) 膜 P11 Fig 2-5 2-6l growth process of thin film nuclear line net film l 點(diǎn) 凝 結(jié) 成 晶

14、核 大 小 2nm 間 距 30nm 隨 機(jī) 分 布 ； 長大l 線 l 晶 核 連 接 入 射 原 子 、 分 子 在 基 體 表 面 自 由 移 動(dòng) 的 結(jié) 果l 晶 核 合 并 較 大 晶 核 吃 掉 較 小 晶 核 、 合 并 后 晶 核 的 形 狀和 方 位 變 化 ， 開 始 再 結(jié) 晶l 網(wǎng) 連 成 網(wǎng) 絡(luò)l 膜 增 厚 成 膜l 膜 的 形 態(tài) 單 晶 膜 、 多 晶 膜 、 外 延 膜 、 非 晶 膜 l (1) 基 體 表 面 的 狀 態(tài) 有 無 晶 格 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 、原 子 階 梯 （ 吸 附 空 位 ）l 表 面 平 整 程 度 形 成 第 一 層 膜 后 ， 表

15、面 越 光 滑 ，新 晶 核 越 少l 有 無 表 面 污 染 雜 質(zhì) 成 為 吸 附 中 心l (2) 基 片 的 溫 度 溫 度 升 高 ， 沉 積 的 粒 子 自由 移 動(dòng) 快 ， 成 核 少 而 大 ， 不 易 連 成 網(wǎng) l (3) 入 射 粒 子 的 狀 態(tài) l 具 有 的 動(dòng) 能 動(dòng) 能 高 些 ， 可 以 轉(zhuǎn) 變 為 在 表 面 的遷 移 能 ， 提 高 遷 移 率 ， 晶 核 少 而 大 ； 但 動(dòng) 能 過高 ， 轟 擊 基 片 ， 使 表 面 產(chǎn) 生 缺 陷 ， 利 于 晶 核 生成 ， 晶 核 變 多l(xiāng) 入 射 的 方 向 傾 斜 于 表 面 ， 利 于 粒 子 在 表

16、面 的遷 移 ， 不 利 于 成 連 續(xù) 膜 l (4)成 膜 方 法 蒸 發(fā) 初 始 晶 核 少 而 大 ， 密 度 低 ；l 濺 射 初 始 晶 核 多 而 小 ， 密 度 高 Structure of film 1） 組 織 結(jié) 構(gòu)l （ 1） 無 定 形 （ 非 晶 ） 結(jié) 構(gòu) 無 序 結(jié) 構(gòu) ， 玻 璃 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 。近 程 有 序 ， 遠(yuǎn) 程 無 序 ， 無 晶 體 特 征l 類 無 定 形 結(jié) 構(gòu) 由 極 小 2 n 的 晶 粒 無 序 排 列而 成 。l （ 2） 多 晶 結(jié) 構(gòu) 微 晶 薄 膜 ， 由 許 多 微 晶 （ 10100 nm） 排 列l(wèi) 超 微 粒 薄 膜 ，

17、由 許 多 微 晶 （ 10 nm 排 列l(wèi) 排 列 方 式 ： 無 序 多 晶 薄 膜 無 序 排 列l(wèi) 晶 粒 擇 優(yōu) 取 向 錐 形 （ 準(zhǔn) 柱 形 ） 結(jié) 構(gòu) ；柱 形 結(jié) 構(gòu) ； 纖 維 結(jié) 構(gòu) l （ 3） 單 晶 結(jié) 構(gòu) 外 延 薄 膜 。 以 特 定 的 單 晶 晶 面 作 為基 體 表 面 ， 生 長 出 具 有 基 體 晶 體 結(jié) 構(gòu) 的 單 晶 薄 膜 -稱 為外 延 薄 膜 2） 晶 體 結(jié) 構(gòu) 晶 體 薄 膜 中 微 晶 的 晶 型 和 晶 格 常 數(shù)l 近 似 認(rèn) 為 ： 微 晶 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 與 塊 狀 材 料 相 同 ， 只 是 晶粒 的 取 向 和 大

18、小 與 塊 狀 材 料 不 同 。l 實(shí) 際 偏 差 很 大l 3） 表 面 結(jié) 構(gòu) 主 要 影 響 因 素 ： 基 片 溫 度 ， 表 面 粗 糙度 ， 氣 體 壓 力 ， 膜 晶 體 結(jié) 構(gòu)l 理 論 上 講 ： 薄 膜 應(yīng) 具 有 盡 可 能 小 的 表 面 積 （ 理 想 平 面 ）以 降 低 自 身 能 量 。l 實(shí) 際 上 ： 薄 膜 的 實(shí) 際 表 面 積 幾 何 面 積 ， 厚 膜 可 能大 于 100倍 。l 因 為 有 許 多 孔 洞 ， 內(nèi) 表 面 積 很 大 l 產(chǎn) 生 孔 洞 的 原 因 ：l 某 些 優(yōu) 先 生 長 的 峰 狀 微 晶 產(chǎn) 生 陰 影 效 應(yīng) ， 使

19、 某 些 局 部無 法 受 到 氣 相 原 子 的 入 射 ；l 殘 余 氣 壓 過 高 時(shí) ， 入 射 原 子 在 氣 相 中 先 凝 結(jié) 成 微 粒 ，再 在 基 片 上 松 散 堆 積 ， 多 孔 性 ；l 基 片 溫 度 低 ， 無 表 面 遷 移 和 重 新 排 列 Film properties and their affecting factors l 薄 膜 性 質(zhì) 包 括 ： 力 學(xué) 、 電 學(xué) 、 磁 學(xué) 、 光 學(xué) 、 化 學(xué) 、 熱學(xué) 等 方 面 。l 本 節(jié) 主 要 講 薄 膜 的 力 學(xué) 性 質(zhì) ： 薄 膜 的 力 學(xué) 性 質(zhì) 與 薄 膜的 結(jié) 構(gòu) 密 切 相 關(guān)

20、， 最 主 要 的 力 學(xué) 性 質(zhì) 是 附 著 強(qiáng) 度 ， 內(nèi)應(yīng) 力 ， 彈 性 、 強(qiáng) 度 、 硬 度 和 耐 磨 性 等 。l 附 著 性 能 （ 附 著 強(qiáng) 度 ） 取 決 于 薄 膜 生 長 的 初 始 階 段 ，而 其 它 力 學(xué) 性 質(zhì) 主 要 依 從 于 薄 膜 的 生 長 階 段 和 結(jié) 構(gòu) 類型 。 l 薄 膜 單 位 面 積 截 面 所 承 受 的 來 自 基 片 約 束 的 作用 力l （ 1） 應(yīng) 力 的 大 小 ：l 拉 應(yīng) 力 薄 膜 沿 膜 -基 界 面 收 縮 ， 基 體 對(duì) 膜 層 產(chǎn)生 拉 應(yīng) 力 ， 取 正 值l 壓 應(yīng) 力 薄 膜 沿 膜 -基 界 面

21、擴(kuò) 展 ， 基 體 對(duì) 膜 層 產(chǎn)生 壓 應(yīng) 力 ， 取 負(fù) 值l 薄 膜 應(yīng) 力 會(huì) 影 響 薄 膜 的 機(jī) 械 、 電 、 磁 、 光 等 性質(zhì) ， 還 會(huì) 產(chǎn) 生 膜 基 界 面 的 剪 切 力l 薄 膜 內(nèi) 應(yīng) 力 沿 膜 厚 分 布 是 不 均 勻 的 ， 膜 脫 落 后常 卷 曲 。 l 熱 應(yīng) 力 ： 膜 材 與 基 體 材 料 的 熱 脹 系 數(shù) 不 同 而 產(chǎn) 生 的 應(yīng)力 （ 外 應(yīng) 力 ）l 降 低 熱 應(yīng) 力 的 方 法 ： 要 求 選 材 熱 脹 系 數(shù) 接 近 ； 沉 積 時(shí)基 片 溫 度 不 要 太 高 、 分 布 均 勻 ，l 本 征 應(yīng) 力 ： 膜 層 生 長

22、 及 其 結(jié) 構(gòu) 變 化 而 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力 （ 內(nèi)應(yīng) 力 ） ，l 其 中 包 括 淀 積 內(nèi) 應(yīng) 力 和 附 加 內(nèi) 應(yīng) 力 ：l 淀 積 內(nèi) 應(yīng) 力 薄 膜 形 成 與 生 長 過 程 中 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力l 薄 膜 與 基 片 晶 格 失 配 （ 常 數(shù) 不 同 ） ； 晶 核 合 并 、 薄 膜中 的 微 孔 、 缺 陷 、 薄 膜 的 相 變 、 自 發(fā) 退 火 等 過 程 引 起的 體 積 變 化 （ 體 積 變 大 壓 應(yīng) 力 ， 體 積 變 小 拉 應(yīng) 力 ） l 附 加 內(nèi) 應(yīng) 力 ： 由 于 暴 露 大 氣 后 產(chǎn) 生 氧 化 、 氮 化 而 吸 收氣 體 ， 體

23、積 變 大l 內(nèi) 應(yīng) 力 會(huì) 在 膜 基 界 面 間 產(chǎn) 生 剪 應(yīng) 力 ， 影 響 附 著 強(qiáng) 度l （ 3） 應(yīng) 力 測(cè) 量 ： 懸 臂 法 光 學(xué) 測(cè) 位 移 l （ 1） 定 義l 在 膜 -基 界 面 處 ， 使 薄 膜 與 基 片 分 離 所 需 要 的 垂 直 于 界面 的 張 力 或 平 行 于 界 面 的 剪 切 力 。l 薄 膜 的 附 著 性 能 薄 膜 本 身 脆 而 易 碎 ， 為 使 之 耐 用 ，可 靠 ， 必 須 牢 固 地 依 附 于 基 片 上 ， 附 著 性 能 就 是 薄 膜與 基 片 相 互 結(jié) 合 的 性 能 。 主 要 取 決 于 二 者 界 面

24、的 情 況 。 l （ 2） 附 著 類 型 ：l 簡 單 附 著 ： 有 清 楚 的 突 變 界 面l 附 著 能 在 數(shù) 值 上 等 于 分 開 單 位 附 著 面 所 需 要 的 功 l 附 著 能 薄 膜 表 面 能 ； 基 片 表面 能 l 如 果 是 單 純 的 物 理 附 著 ， 附 著 力 主 要 是 范 德 華 力 。 對(duì)簡 單 附 著 影 響 最 大 的 是 表 面 污 染 。 fssf EEEw fsE fE sE l 擴(kuò) 散 附 著 ： 由 于 兩 種 材 料 相 互 擴(kuò) 散 ， 溶 解 而 形 成 漸變 界 面l 實(shí) 現(xiàn) 擴(kuò) 散 附 著 的 方 法 ： 基 片 加 熱

25、 法 ， 離 子 注 入 法 ， 離子 轟 擊 法 等 。l 如 果 是 單 純 物 理 附 著 ， 提 高 附 著 性 能 的 原 因 可 以 解 釋為 實(shí) 際 結(jié) 合 （ 接 觸 ） 面 積 的 增 大 。l 中 間 層 附 著 ： 在 薄 膜 和 基 片 間 形 成 化 合 物 中 間 層l 中 間 層 可 以 是 一 種 或 多 種 化 合 物 ， 可 以 是 膜 、 基 及 氣體 成 分 的 化 合 物l 形 成 中 間 層 的 方 法 ： 反 應(yīng) 蒸 發(fā) ， 反 應(yīng) 濺 射 ， 蒸 發(fā) 或 濺射 過 渡 層 ， 基 片 表 面 摻 雜 l 宏 觀 效 應(yīng) 附 著 ： 機(jī) 械 鎖 合

26、l 基 片 上 有 分 布 適 當(dāng) 的 微 孔 、 裂 縫 ， 成 膜 時(shí) 有 膜 材 原 子進(jìn) 入 形 成 互 嵌l （ 3） 附 著 力 范 德 華 力 、 化 學(xué) 鍵 力 、 靜 電 力 、 機(jī) 械鎖 合 力 l （ 4） 影 響 因 素 ：l 基 片 表 面 狀 態(tài) 清 潔 程 度 ， 是 否 有 污 染 層l 材 料 自 身 的 性 質(zhì) 表 面 能 量 小 的 材 料 易 于 附 著 在 表面 能 大 的 材 料 上 ， 反 之 則 很 困 難 （ 如 塑 料 鍍 金 屬 ）l 基 片 溫 度 提 高 溫 度 利 于 擴(kuò) 散 ， 加 速 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 但溫 度 過 高 會(huì) 使

27、晶 粒 粗 大 ， 增 加 熱 應(yīng) 力l 沉 積 方 法 蒸 發(fā) 濺 射 離 子 l 沉 積 速 率 大 ， 形 成 氧 化 物 中 間 層 少 ， 膜 結(jié) 構(gòu) 疏 松 ，附 著 力 差 l （ 5） 提 高 附 著 強(qiáng) 度 的 方 法l 基 片 的 鍍 前 處 理 ： 去 掉 粉 塵 、 油 漬 、 氧 化 膜 、 吸 附 氣體 ； l 成 膜 時(shí) 基 片 加 熱 ： 利 于 膜 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 的 減 少 ， 再 結(jié) 晶 加強(qiáng) ， 內(nèi) 應(yīng) 力 小 ； 但 溫 度 過 高 熱 應(yīng) 力 大 ； l 控 制 沉 積 速 率 ： 沉 積 過 快 不 利 再 結(jié) 晶 等 膜 的 正 常 生 長過 程

28、 的 進(jìn) 行l(wèi) 基 片 與 膜 之 間 打 底 膜 、 過 渡 膜 、 梯 度 膜 ； 例 如 ： 鍍 銀鋁 電 接 頭 ， 銀 在 鋁 中 的 溶 解 度 為 1%， 鋁 上 直 接 鍍 銀 ，附 著 強(qiáng) 度 很 差 ， 銅 在 鋁 中 的 溶 解 度 為 5.6%， 鋁 在 銅 中的 溶 解 度 為 9.4%， 銀 在 銅 中 的 溶 解 度 為 8%， 在 鋁 上 鍍銅 做 底 膜 ， 再 鍍 銀 。 l 鍍 后 熱 處 理 ， 在 膜 基 界 面 處 ， 形 成 擴(kuò) 散 合 金 層 l （ 6） 附 著 強(qiáng) 度 的 測(cè) 定 方 法 ：l 拉 剝 法 ， 粘 結(jié) 膠 帶 在 薄 膜 上

29、；l 拉 倒 法 ， 粘 結(jié) 金 屬 立 柱 在 薄 膜 上 ；l 劃 痕 法 ， 測(cè) 定 劃 痕 時(shí) 摩 擦 力 和 摩 擦 系 數(shù) ， 突 變 時(shí) 為 膜破 ；l 薄 膜 的 電 學(xué) 性 質(zhì) ： 薄 膜 電 導(dǎo) 、 方 塊 電 阻 、 電 阻 溫 度 系數(shù) 由 負(fù) 變 正l 薄 膜 的 光 學(xué) 性 質(zhì) ： 書 中 給 出 增 透 膜 的 光 學(xué) 原 理 Particle collision phenomena in gas discharge 分 類 Classification 條 件 Condition 附 著 碰 撞 Attachment collision e + A A 慢 電

30、子激 發(fā) 碰 撞 Excitation collision e + A A* + e 激 發(fā) 電 位 E voltage Ue 電 離 碰 撞 Ionization collision e + A A+ + 2e 電 離 電 位 I voltage Ui 復(fù) 合 碰 撞 Recombination collision e + A+ A A + A+ 2A 空 間 復(fù) 合 Recombination in space 表 面 復(fù) 合Recombination on surface Gas discharge with cool cathode l 非 自 持 放 電l non self-main

31、tained discharge OC l 自 持 放 電l self-maintained discharge C以 后l 自 持 放 電 不 需 要 外 界 提 供 載 流 子（ 電 子 ）l 湯 生 放 電l Townsend discharge OABCDl 著 火 點(diǎn)l sparking point (breakdown) D點(diǎn)l 過 渡 段 transition range DEl 正 常 輝 光 放 電 l normal glow discharge EFl 異 常 輝 光 放 電l abnormal glow discharge FGl 弧 光 放 電 arc discharg

32、e GH l 解 釋 為 什 么 會(huì) 有 伏 安 特 性 曲 線 ， 從 陰 極 發(fā) 射 電 子 的 機(jī)制 解 釋 正 常 輝 光 、 異 常 輝 光 、 弧 光 放 電 的 放 電 特 征l (1)湯 生 放 電 Townsend discharge OABCD 暗 放 電 dark l 外 來 受 激 電 子 被 利 用 、 達(dá) 到 飽 和 、 產(chǎn) 生 自 激 載 流 子（ 空 間 繁 流 、 電 極 發(fā) 射 ）l (2)著 火 點(diǎn) sparking point (break down) D點(diǎn) 光 亮 放 電 bright 電 極 場(chǎng) 致 發(fā) 射 電 子l 過 渡 段 transition

33、 range DE 不 需 要 高 電 壓 維 持 電 流 ，所 以 電 流 增 加 電 壓 反 下 降 l (3) 正 常 輝 光 放 電 normal glow discharge EF 陰 極 場(chǎng) 致發(fā) 射 電 子 ， 靠 增 加 發(fā) 射 面 積 提 高 電 流 ， 所 以 ， 電 流 增加 ， 電 壓 不 變 。 直 至 輝 光 布 滿 整 個(gè) 陰 極 。l (4) 異 常 輝 光 放 電 abnormal glow discharge FG 陰 極 場(chǎng)致 發(fā) 射 電 子 ， 靠 增 加 單 位 面 積 發(fā) 射 強(qiáng) 度 提 高 電 流 ， 所以 ， 電 流 增 加 ， 需 要 電 壓

34、增 加 。 輝 光 一 直 布 滿 整 個(gè) 陰極 。l (5) 弧 光 放 電 arc discharge 陰 極 發(fā) 射 大 量 電 子 ， 受 正離 子 撞 擊 嚴(yán) 重 ， 發(fā) 熱 。 轉(zhuǎn) 為 熱 電 子 發(fā) 射 ， 能 力 大 大 加強(qiáng) ， 有 所 以 ， 電 流 越 大 ， 電 壓 越 低 ， 稱 為 負(fù) 特 性 。 l 考 察 放 電 區(qū) 間 的 內(nèi) 特 性 ： 亮 度 、 電 位 、 電 場(chǎng) 、 溫 度 的 分 布 見 P21 Fig 210l (1)陰 極 區(qū) cathode glow (dark) space l 共 稱 陰 極 位 降 區(qū) cathode potential

35、fall space包 括 :l 阿 斯 登 暗 區(qū) Aston dark space、l 陰 極 輝 區(qū) cathode glow space、l 陰 極 暗 區(qū) cathode dark space是 放 電 的 關(guān) 鍵 l 隨 后 有 負(fù) 輝 區(qū) negative glow space l 和 法 拉 第 暗 區(qū) Faraday dark space。l （ 2） 正 柱 區(qū) positive column 等 離 子 體 plasma 無 明 顯電 壓 降 可 長 可 短l （ 3） 陽 極 區(qū) anode dark space 可 有 可 無 l 各 區(qū) 的 特 征 規(guī) 律 通 過

36、移 動(dòng) 電 極 觀 察 l （ 2） 正 柱 區(qū) positive column 等 離 子 體 plasma 無 明 顯電 壓 降 可 長 可 短l （ 3） 陽 極 區(qū) anode dark space 可 有 可 無l 各 區(qū) 的 特 征 規(guī) 律 通 過 移 動(dòng) 電 極 觀 察 l 實(shí) 際 十 分 關(guān) 心 放 電 起 輝 條 件 。 發(fā) 現(xiàn) 與 極 間 距 d和 氣 體 壓力 P有 關(guān) ， 但 不 是 獨(dú) 立 相 關(guān) 。 l 帕 邢 定 律 Paschens law： 著 火 電 壓 與 Pd的 乘 積 有 關(guān) l 見 P24 218式l 帕 邢 曲 線 Paschen s curve：

37、 見 P24 Fig212 有 極小 值l 原 因 解 釋 ： 左 枝 Pd小 ， 氣 體 分 子 少 ， 電 子 碰 撞 次 數(shù) 少 ，需 高 電 位 提 高 電 離 幾 率 ，l 右 枝 Pd大 ， 氣 體 分 子 多 ， 電 子 能 量 積 累 少 ， 需 高 電 位提 高 電 離 幾 率l 實(shí) 際 應(yīng) 用 ： 合 理 選 擇 靶 基 距 、 氣 體 壓 力 和 放 電 電 壓 )(PdfUs l 只 需 很 小 面 積 的 電 子 發(fā) 射 ， 有 輝 光 ， 稱 為 陰 極 輝 點(diǎn) 、陰 極 斑 點(diǎn) 。 正 柱 區(qū) 變 為 弧 柱 區(qū)l 低 電 壓 、 大 電 流 、 高 溫 度 、

38、強(qiáng) 弧 光l 鍍 膜 設(shè) 備 中 與 放 電 管 中 放 電 的 不 同 ： 陽 極 面 積 大 而 分散 ， 導(dǎo) 致 正 柱 區(qū) （ 等 離 子 區(qū) ） 、 弧 柱 區(qū) 分 散 ， 變 得 很大 很 淡 ， 看 不 清 邊 緣 ， 只 看 見 輝 光 放 電 的 陰 極 輝 區(qū) 和弧 光 放 電 的 陰 極 斑 點(diǎn) （ 弧 豆 ） 。 Gas discharge with hot cathode l 1） 結(jié) 構(gòu) constructionl 改 善 電 子 發(fā) 射 機(jī) 制 ， 用 外 加 熱 源 加 熱 電 極 ，l 形 成 熱 電 子 發(fā) 射 ， 使 放 電 的 其 他 維 持 條 件 更

39、l 容 易 滿 足 。 但 屬 于 非 自 持 放 電 。l 2) 伏 安 特 性 Current-voltage characteristics 見 P28 Fig2-16l 放 電 電 流 的 大 小 與 極 間 電 壓 關(guān) 系 不 大 （ 足 夠 電 離 電 位 就行 ） ， 但 與 氣 體 壓 力 有 明 顯 關(guān) 系 。l 3) 著 火 電 壓 Sparking voltage 見 P29 Fig2-17l 是 指 極 間 開 始 產(chǎn) 生 明 顯 電 離 ， 產(chǎn) 生 等 離 子 體 。 不 同 于 冷陰 極 放 電 的 著 火 電 壓 Magnetron glow discharge

40、l （ 1） 電 磁 場(chǎng) 的 結(jié) 構(gòu) construction of electromagnetic fieldl 平 面 正 交 電 磁 場(chǎng) 徑 向 電 場(chǎng) 軸 向 磁 場(chǎng) l （ 2） 在 真 空 中 的 運(yùn) 動(dòng) Movement in vacuuml 軌 跡 ： 擺 線 （ 旋 輪 線 ） 。 當(dāng) 磁 場(chǎng) 路 徑 彎 曲 時(shí) ， 軌 跡 隨之 偏 轉(zhuǎn) 。l （ 3） 在 氣 體 中 的 運(yùn) 動(dòng) Movement in gasesl 有 碰 撞 . 軌 跡 ： 一 方 面 做 擺 線 運(yùn) 動(dòng) 一 方 面 向 陽 極 靠 近 。l （ 4） 磁 控 的 結(jié) 果 Result of magne

41、tron l 路 徑 、 碰 撞 次 數(shù) 、 電 離 幾 率 都 大 大 增 加 l （ 1） 維 持 放 電 的 氣 體 壓 力 更 低 lower pressure， 有 利于 輸 運(yùn) 過 程 l （ 2） 放 電 的 著 火 電 壓 更 低 lower sparking voltage，l 不 符 合 帕 邢 定 律 見 P30 Fig2-19l （ 3） 伏 安 特 性 Current-voltage characteristics I-U curvel 與 異 常 輝 光 放 電 相 似 （ 電 流 與 電 壓 對(duì) 應(yīng) 有 關(guān) 、 可 調(diào) ） 。但 放 電 電 壓 顯 著 下 降 ，

42、l 10-2V即 可 ， 更 安 全 。 見 P31 Fig2-20l （ 4） 放 電 集 中 于 磁 場(chǎng) 較 強(qiáng) 之 處 Discharge at strong magnetic field area l 電 場(chǎng) 、 磁 場(chǎng) 與 氣 壓 的 合 理 匹 配 ， 是 關(guān) 鍵 High-frequency glow discharge l 1） 概 念 Conception 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 Construction & Principle l 在 二 電 極 間 加 上 頻 率 在 MHz以 上 的 高 頻 交 變 電 源 而 引發(fā) 的 氣 體 放 電 。l 工 業(yè) 常 用 頻 率 13.

43、56MHz ， 因 為 處 于 發(fā) 射 頻 率 范 圍 ， 又稱 射 頻 輝 光 放 電 。 Radio-frequency.l 小 常 識(shí) ： “ 短 波 918 MHz 中 波 0.5351.6 MHz 調(diào) 頻立 體 聲 87108 MHz 。l 2） 機(jī) 制 Mechanism l 放 電 時(shí) ， 主 要 是 電 子 在 電 極 間 做 微 幅 高 頻 振 蕩 運(yùn) 動(dòng) ，被 不 斷 地 加 速 減 速 ， 與 氣 體 分 子 碰 撞 將 其 電 離 ， 形 成輝 光 放 電 ， 產(chǎn) 生 等 離 子 體 。 正 離 子 質(zhì) 量 大 ， 運(yùn) 動(dòng) 很 小 ，可 視 為 靜 止 。 l 3） 特

44、 征 和 形 式 Characteristics & Formsl 特 征 ： 頻 率 增 高 ， 電 極 的 作 用 變 小 ， 不 依 賴 陰 極 表 面發(fā) 射 和 接 收 電 子 、 離 子l 形 式 ： 可 以 用 半 導(dǎo) 體 、 絕 緣 體 做 電 極 ；l （ 內(nèi) 絕 緣 電 極 高 頻 放 電 ； 用 于 鍍 半 導(dǎo) 體 、 絕 緣 體 、 有機(jī) 材 料 等 膜 ） 。l 可 以 將 電 極 放 在 真 空 室 外 ； （ 外 電 極 高 頻 放 電 ； 用 于對(duì) 工 件 做 等 離 子 體 處 理 ） 。l 可 以 不 用 電 極 。 （ 無 電 極 環(huán) 形 放 電 ； 用 線

45、 圈 產(chǎn) 生 的 高頻 磁 場(chǎng) 感 生 渦 流 電 場(chǎng) ） 。 l 4) 著 火 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 Es Electric field intensity of sparkingl 不 用 著 火 電 壓 而 是 用 著 火 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 反 映 著 火 條 件 。 因?yàn)?著 火 電 壓 直 接 與 極 間 距 有 關(guān) 。l 著 火 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 與 頻 率 、 氣 壓 有 關(guān) 。 見 P32 舉 例 的 數(shù) 據(jù) 。l 放 電 電 流 的 大 小 與 極 間 電 壓 關(guān) 系 不 大 （ 足 夠 電 離 電 位就 行 ） ， 但 與 氣 體 壓 力 有 明 顯 關(guān) 系 。l 5） 用 途 Ap

46、plication l 絕 緣 材 料 、 有 機(jī) 材 料 的 濺 射 沉 積 ， 等 離 子 體 化 學(xué) 氣相 沉 積 。 hollow-cathode discharge l 1) 空 心 陰 極 結(jié) 構(gòu) l Construction of hollow-cathodel l 2） 放 電 機(jī) 制 l Mechanism of hollow-cathode dischargel 陰 極 負(fù) 輝 區(qū) 重 疊 ， 大 量電 子 積 累 震 蕩 ， 空 心 腔中 等 離 子 體 電 離 密 度 高 。 l 4） 放 電 特 征 Characteristics of discharge l a)

47、內(nèi) 部 ： 陰 極 位 降 低 ， 電 子 密 度 高 ； 外 觀 ： 放 電 電壓 低 ， 電 流 大l b) 陰 極 溫 度 低 ， 濺 射 少 l 陰 極 發(fā) 射 電 子 的 面 積 大 ， 單 位 面 積 電 流 密 度 低 ， 所 以陰 極 溫 度 低 ， 陰 極 位 降 低l 陰 極 位 降 低 離 子 入 射 能 量 小 濺 射 弱 ； 結(jié) 構(gòu) 又 保 證 濺 射后 再 沉 積 ， 故 濺 射 少 。l c) 電 子 能 量 范 圍 寬l 4） 應(yīng) 用 Application l 空 心 （ 熱 ） 陰 極 放 電 主 要 用 來 產(chǎn) 生 大 電 子 束 流 ， 實(shí) 際上 已 經(jīng)

48、 達(dá) 到 熱 陰 極 弧 光 放 電 程 度 。 l 工 作 中 氣 壓 較 高 ， 能 夠 產(chǎn) 生 足 夠 多 的 電 子 . Characteristics of low temperature plasma 本 節(jié) 不 講 等 離 子 體 中 的 浮 動(dòng) 電 位 的 物 體 ， 其 電 位 如 何 變 化 ，粒 子 與 其 碰 撞 的 規(guī) 律 lPVD和 CVD鍍 膜 工 藝 各 包 括 幾 個(gè) 基 本 過程 ？ 是 什 么 ？lPVD工 藝 有 哪 幾 種 離 散 方 法 ？l 薄 膜 的 生 長 模 式 有 哪 幾 種 ？l 薄 膜 內(nèi) 的 應(yīng) 力 有 哪 幾 種 ？ 起 因 是 什 么 ？l 畫 出 直 流 二 極 氣 體 放 電 的 伏 安 特 性 曲 線 。真 空 鍍 膜 中 用 到 的 是 那 些 段 ？l 磁 控 放 電 與 普 通 直 流 放 電 的 差 別 是 什 么 ？