薄膜沉積（Film Deposition）
在機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)或半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域，為了對(duì)所使用的材料賦予某種特性在材料表面上以各種方法形成膜層（一層薄膜），而加以使用，假如此膜層經(jīng)由原子層的過(guò)程所形成時(shí)，一般將此等薄膜沉積稱(chēng)為蒸鍍（蒸著）處理。采用蒸鍍處理時(shí)，以原子或分子的層次控制蒸鍍粒子使其形成膜層，因此可以得到以熱平衡狀態(tài)無(wú)法得到的具有特殊構(gòu)造及功能的膜層。
真空鍍膜：在真空中把金屬、合金或化合物進(jìn)行蒸發(fā)（或?yàn)R射），使其沉積在被涂覆的物體（稱(chēng)基片、基板或基體）上的方法。真空鍍膜亦稱(chēng)干式鍍膜，與傳統(tǒng)的濕法鍍膜相比具有如下特點(diǎn)：
1.真空制備、環(huán)境清潔，膜層不易受污染，致密性好、純度高、膜厚均勻。
2.膜與基體附著力好，膜層牢固。
3.不產(chǎn)生廢液，避免環(huán)境污染。
薄膜制備的方法
薄膜沉積兩種常見(jiàn)的制程：
物理氣相沉積-PVD
Physical Vapor Deposition
化學(xué)氣相沉積-CVD
Chemical Vapor Deposition
薄膜沉積機(jī)制圖示
物理氣相沉積-PVD（Physical Vapor Deposition）
PVD顧名思義是以物理機(jī)制來(lái)進(jìn)行薄膜堆積而不涉及化學(xué)反應(yīng)的制程技術(shù)，所謂物理機(jī)制是物質(zhì)的相變化現(xiàn)象。主要類(lèi)別：
蒸發(fā)鍍膜（Evaporation）
濺射鍍膜（Sputtering）
蒸發(fā)鍍膜與濺射鍍膜常見(jiàn)的類(lèi)型：
蒸發(fā)鍍膜的原理（Evaporation）
真空蒸發(fā)鍍膜法是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。
蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖
蒸發(fā)源
蒸發(fā)源是真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)的關(guān)鍵部件，根據(jù)蒸發(fā)源的不同可將真空蒸發(fā)鍍膜分為以下幾種：
電阻蒸發(fā)鍍膜
采用鉭、鉬、鎢等高熔點(diǎn)金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其上裝入待蒸發(fā)材料，讓電流通過(guò)，對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入Al2O3、BeO等坩堝中進(jìn)行間接加熱蒸發(fā)。
電子束蒸發(fā)鍍膜
1.電子槍燈絲是損耗零件，需定期更換。
2. e型電子槍工作需要一定的真空條件，工作真空度≤6×10-2~2×10-2。
3. e型電子槍真?zhèn)€槍頭均放置在散熱較差的真空室中，特別是電子槍常常用來(lái)加熱一些高熔點(diǎn)的金屬，因此電子槍的散熱問(wèn)題尤為重要。電子槍水冷主要是冷卻坩堝、散射電子吸收極及磁極等部分。
膜厚理論
通常將能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀蒸發(fā)源稱(chēng)為點(diǎn)蒸發(fā)源（簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)源）。
假設(shè)膜材以每秒m克的蒸發(fā)速率想各個(gè)方向蒸發(fā)，在單位時(shí)間內(nèi)凝結(jié)到面dS2上的膜厚t：
真空蒸發(fā)鍍膜的特點(diǎn)是成膜速度快、蒸鍍面積大。但是，由于熱蒸發(fā)的粒子能量低（0.1~1ev），膜層附著力差、容易脫膜，薄膜堆棧密度不高、致密性差，膜層表面粗糙，折射率降低。
濺射鍍膜（Sputtering）
濺射鍍膜技術(shù)是用離子轟擊靶材表面，把靶材的原子被擊出的現(xiàn)象稱(chēng)為濺射。濺射產(chǎn)生的原子沉積在基體表面成膜稱(chēng)為濺射鍍膜。通常是利用氣體放電產(chǎn)生氣體電離，其正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶體，擊出陰極靶體原子或分子，飛向被鍍基體表面沉積成薄膜。
1.Ar氣體原子的電離
Ar→Ar+和e－
2.電子被加速至陽(yáng)極，途中產(chǎn)生新的電離。
3.Ar離子被加速至陰極撞擊靶材，靶材粒子及二次電子被擊出，前者到達(dá)基板表面進(jìn)行薄膜成長(zhǎng)，而后者被加速至陽(yáng)極途中促成更多的電離。
等離子體（電漿,Plasma）
等離子體(plasma)又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀(guān)電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。
等離子體的性質(zhì)
1.整體來(lái)說(shuō)，等離子的內(nèi)部是呈電中性的狀態(tài)，也就是帶負(fù)電粒子的密度與帶正電粒子的密度是相同的。
2.因?yàn)榈入x子中正、負(fù)離子的個(gè)數(shù)幾乎是一比一，因此等離子呈現(xiàn)電中性。
3.等離子是由一群帶電粒子所組成，所以當(dāng)有一部分受到外力作用時(shí)，遠(yuǎn)處部份的等離子，乃至整群的等離子粒子都會(huì)受到影響，這叫做「等離子的群體效應(yīng)」。
4.具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
考夫曼離子源
1.陰極燈絲加熱發(fā)射熱電子。
2.電子與氣體原子或分子碰撞。
3.氣體電離，在放電室形成等離子體。
4.多孔柵極產(chǎn)生加速電場(chǎng)。
5.離子被加速電場(chǎng)引出、加速、獲得能量。
6.磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，增加離化率。
7.中和鎢絲產(chǎn)生電子。
8.中和電子對(duì)引出離子中和形成等離子體。
霍爾離子源
1.陰極鎢絲發(fā)射熱電子向陽(yáng)極遷移。
2.電子與氣體原子碰撞使其離化。
3.磁場(chǎng)中電子形成霍耳電流產(chǎn)生電場(chǎng)。
4.離子被霍耳電場(chǎng)加速引出、加速。
5.陰極熱電子對(duì)引出離子中和形成等離子體。
離子源的比較
連續(xù)濺射鍍膜系統(tǒng)
陰極靶
磁場(chǎng)線(xiàn)
靶材發(fā)射狀態(tài)
濺射鍍膜制程的特點(diǎn)
成膜速度快
大面積且均勻度高
附著性佳可改變薄膜應(yīng)力
金屬或絕緣材料均可鍍制
適合鍍制合金材料
離子束輔助沉積（IAD）
由于直接用離子源進(jìn)行鍍膜，成膜速度太慢。目前，對(duì)于離子源的使用，多將其作為輔源用于離子束輔助沉積（IAD），配合電子束進(jìn)行快速蒸鍍。
IAD可以在鍍膜前對(duì)基片進(jìn)行清洗，清除表面污漬。也可以在電子束蒸鍍的同時(shí)，使用離子源輔助沉積。這可以清除結(jié)合力較弱的粒子，增加密度、降低內(nèi)應(yīng)力，改善薄膜生長(zhǎng)。
1.當(dāng)真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性氣體(如氬)，使真空度達(dá)到1-10-1Pa。
2.接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)。
3.加熱膜材，蒸汽離子受到等離子體中電子和正離子的碰撞，一部分被電離成正離子，在電場(chǎng)作用下吸附到基片上成膜。
4.成膜過(guò)程始終伴隨著正離子（氣體或膜材）對(duì)基片的濺射，因此，只有當(dāng)沉積作用大于濺射剝離時(shí)才能制備薄膜。
真空離子鍍的優(yōu)點(diǎn)
(1)膜層附著力強(qiáng)。
(2)膜層組織致密，耐蝕性好。
(3)具有繞鍍性能，能夠在形狀復(fù)雜的零件表面鍍膜。
(4) 成膜速率高，可與蒸發(fā)鍍膜的速率相當(dāng)；且可鍍厚膜（達(dá)30mm）。
真空離子鍍的缺點(diǎn)
(1)離子鍍的應(yīng)用有一定限制。由于高能離子和中性粒子的轟擊，沉積的薄膜中缺陷密度大大增加，且在膜與基體之間存在較寬的過(guò)渡界面層，在有些情況下，特別是在一些電子器件和集成電路的生產(chǎn)中，都是不允許的。
(2)由于高能粒子的轟擊，基片溫度較高，在需要低溫成膜的場(chǎng)合，須另加基片的冷卻裝置。
(3)淀積的薄膜中含氣較高。由于到達(dá)基片的不僅有中性氣體分子，還有氣體正離子。氣體分子會(huì)吸附在膜的表面，而正離子還能滲入薄膜中一定的深度(如能量為1keV的Ar+能夠在固體銅中滲入1nm)。
各種PVD鍍膜比較
與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點(diǎn)：
（1）濺射膜與基板之間的附著性好(10~100ev)。
（2）濺射鍍膜膜層致密，針孔少，且膜層的純度較高。
（3）相比于電子束蒸鍍，濺射鍍膜層更加光滑。
缺點(diǎn)：
（1）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；
（2）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為1～
2nm/s，而濺射速率為0.01～0.04nm/s；
鍍膜材料介紹
HfO2
材料特性：HfO2薄膜因?yàn)榫哂休^高的硬度，高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良介電性能而備受關(guān)注。特別是用作光學(xué)薄膜，它具有硬度高、折射率高、高的強(qiáng)激光損傷閾值且在近紫外到中紅外波段的良好透過(guò)性能等特點(diǎn)。
鍍膜方式：電子束蒸發(fā)鍍膜
材料用途：同濟(jì)大學(xué)、成都光電所采用HfO2/SiO2膜堆制作高反膜、增透膜，用于提高激光系統(tǒng)（1064nm）的損傷閾值。
SiO2
材料特性：SiO2薄膜是一種重要的低折射率薄膜材料（n=1.46），具有寬透明區(qū)(0．15～8μm)、低折射率、高硬度、低熱膨脹系數(shù)、好的電絕緣性，以及耐摩擦、耐酸堿、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并在光學(xué)領(lǐng)域如減反膜、高反膜、分光膜和濾光膜等各類(lèi)光學(xué)元件的多層膜中有著廣泛的應(yīng)用。
鍍膜方式：SiO2薄膜的制備有熱蒸鍍、電子束蒸鍍、離子輔助、離子束濺射、磁控濺射、溶膠一凝膠等方式。
材料用途：SiO2為低折射率材料，可許多高介質(zhì)材料搭配構(gòu)成膜堆。如：TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2。其次，SiO2也用作許多光學(xué)元件的保護(hù)層。
ZnS
材料特性：ZnS是常見(jiàn)的紅外光學(xué)材料，經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理的多光譜ZnS晶體的透明區(qū)為0.38~14um，具有良好的機(jī)械性能和光學(xué)性能，透射率可在72%以上且吸收小，優(yōu)良的性能使其在紅外與激光系統(tǒng)中得到廣泛使用。
鍍膜方式：電子束蒸鍍+離子輔助沉積
材料用途：ZnS作為高折射率材料，可與低折射率的YbF3、YF3搭配，制造不同波段的激光濾光膜及增透膜。同時(shí)，也可配合MgF2用于雙層增透膜。
MgF2
材料特性：分子量62.31，密度2.9~3.2，熔點(diǎn)1359 ℃ ，在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為1540℃。MgF2薄膜的透明區(qū)為O．21um～lOum。氟化鎂薄膜是所有低折射率材料中牢固的薄膜，特別是當(dāng)基底溫度為大約250 ℃左右時(shí)，其膜層牢固度可以得到非常令人滿(mǎn)意的結(jié)果。
鍍膜方式：熱電阻蒸鍍，電子束蒸鍍。
TiO2
材料特性：分子量79．88，密度4．29，熔點(diǎn)1850 ℃ ，折射率2.05（550nm），在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為2200 ℃ 。可用鎢舟、鉬舟加熱蒸發(fā)，此時(shí)產(chǎn)生分解的吸收膜。也可由電阻加熱蒸發(fā)Ti，然后在空氣中加熱氧化二制備Ti02薄膜。用電子束加熱蒸發(fā)效果很好。但是，由于TiO2在真空中加熱蒸發(fā)時(shí)會(huì)分解失氧，形成高吸收的鈦的亞氧化物薄膜。因此，在鍍制過(guò)程中需要給其充加氧氣。
鍍膜方式：電子束蒸鍍，離子源輔助沉積，溶膠-凝膠法
Ta2O5
材料特性：分子量441．89，密度8．74，熔點(diǎn)1800 ℃ ，在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為2500℃?？捎勉g、鎢舟、線(xiàn)圈加熱蒸發(fā)，也可由鎢坩堝加熱蒸發(fā)，用電子束加熱蒸發(fā)效果良好。Ta2O5薄膜的透明區(qū)為0．3~10um，其折射n=2.1(550nm)?？捎糜诟缮嫱繉又凶鳛楦哒凵渎时∧げ牧希錂C(jī)械性能極為牢固，強(qiáng)堿也不能將它腐蝕，所以還可作為保護(hù)涂層，特別是在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。
鍍膜方式：電子束蒸鍍，離子束濺射
Al
材料特性：熔點(diǎn)660℃，鋁膜從紫外區(qū)到紅外區(qū)具有平坦而且很高的反射率，且鋁膜表面總是存在著一層透明的A120，薄膜的保護(hù)，其化學(xué)穩(wěn)定性也比較好，所以鋁膜被廣泛用作各類(lèi)反射器件的反射膜。
鍍膜方式：熱電阻蒸鍍、磁控濺射
Ag
材料特性：熔點(diǎn)960℃，
鍍膜方式:化學(xué)鍍銀
Au
材料特性：熔點(diǎn)1060℃，
鍍膜方式:電鍍，電子束蒸鍍，離子束濺射
