2.2　物理气相沉积

物理气相沉积是基于物理手段制备薄膜材料的方法，包括真空蒸发镀、离子镀、磁控溅射镀等。蒸发是常见的物理现象，利用真空蒸发是最基本、最常用的镀膜技术；而后两种属于等离子体气相沉积范围，膜层的沉积是在低气压等离子体气体放电条件下进行的，膜层粒子在电场中获得了较高的能量，使膜层的组织、结构和附着力都比真空蒸发镀有很大的改进。伴随着高科技的发展，各种离子镀、磁控溅射镀新技术相继问世，不断拓宽了气相沉积技术的应用领域。

2.2.1　真空蒸发镀

真空蒸发镀（简称蒸镀）是物理气相沉积中应用最广泛的一种干式镀膜技术。尽管后来发展的离子镀和磁控溅射镀在许多方面要比蒸镀优越，但真空蒸镀膜技术的许多优点，促使该技术在光学、半导体器件、塑料金属化等领域发挥着重要的作用，迄今仍是非常重要的镀膜技术，因此对真空蒸发镀的了解将为新镀膜技术的研究和开发，提供很好的理论基础。其基本原理是将镀膜材料置于真空室内的蒸发源中，在高真空条件下，通过蒸发源加热使其蒸发，膜材料蒸气原子和分子从蒸发源表面逸出后，直接到达镀膜的基片表面，由于基片温度较低，便凝结其上而成膜。其经历的基本过程为：①镀膜材料被加热蒸发而气化；②气化的原子或分子从蒸发源向基片表面运输；③蒸发的原子或分子在基片表面被吸附、成核、生长，继而形成连续薄膜。

2.2.1.1　基本原理

（1）真空蒸发镀膜技术特点

真空蒸发镀工艺过程包括镀材物质蒸发、蒸气原子传输和蒸气原子在基片表面形核、成长，即包括蒸发、输送与沉积过程。具有以下特点。

①真空蒸发镀膜的沉积真空度高，一般为10^-3～10^-5Pa，气体分子自由程大约为0.1～10 m数量级。远大于蒸发源到工件的距离——蒸发距离。膜层粒子几乎不与气体分子、其他金属蒸气原子发生碰撞，径直到达工件。

②膜层粒子到达基片的能量是蒸发时所携带的热能。真空蒸发镀由于工件不加偏压，金属原子只是靠蒸发时的汽化热，大约为0.1～0.2eV。因此膜层粒子的能量低，膜层和基体的结合力小，很难形成化合物涂层。

③真空蒸发镀膜层是在高真空下形成的，蒸气中的膜层粒子基本上是原子态，在工件表面形成细小的核心，生长成细密的组织。

④真空蒸发镀膜的膜层是在高真空度下获得的，一般只在工件面向蒸发源的一面可以沉积上膜层，工件的侧面、背面几乎沉积不上膜层，故绕镀性差。

（2）真空蒸发镀膜层组织的形成

真空蒸发镀膜层的形成过程包括蒸发、输送与沉积过程。因此，真空蒸发镀膜的重要形成条件是：必须有较高的真空度和将金属加热蒸发的加热源。

①高真空度

a.蒸发金属需要高真空度。

在一定温度下，在一密闭空间中当单位时间内蒸发的量等于凝结的量时，达到动态平衡，此时的气压称为该温度下的饱和蒸气压。饱和蒸气压与温度的近似关系为：

　　（2-15）

式中，A、B为常数；T为热力学常数。

金属的蒸发或升华过程是在真空条件下进行的，不同真空度时金属的蒸发温度不同。随真空度的升高，金属的蒸发温度降低。表2-1详细地列出了部分金属的熔点及蒸气压为不同值时的蒸发温度。一般蒸发镀的真空度为10^-3～10^-5Pa。

b.输送需要高真空度。

P·λ≈665cm·Pa，随真空度的降低，气体分子间碰撞次数增加。由此计算出了当蒸发距离为175mm时，蒸发原子从蒸发源到工件的路程中，碰撞一次以上的分子比例和碰撞十次以上的分子数比例，计算结果列入表2-2中。

由表2-2可知，在1.33×10^-2Pa高真空度下， 气体分子自由程已经大于蒸发距离。膜层原子从蒸发源逸出后几乎不会发生任何碰撞，就可以到达工件，从蒸发源得到的能量几乎不损失，在工件表面可以进行适当的迁移、扩散、形成细小的核心，后续的膜层原子在细小的核心上生长成细密的膜层组织。

在高真空度下，从蒸发源蒸发出来的金属原子径直沉积到工件上，中间不发生碰撞，亦不再返回蒸发源。若真空度低，气体分子自由程短，蒸气原子将会发生多次碰撞，产生气体散射效应，一部分蒸气原子有可能返回蒸发源影响实际的沉积速率，从而影响镀层的质量。

c.“沉积”需要高真空。

蒸气原子和残余气体分子间的碰撞将给出自身能量的1/2。碰撞次数越多，能量损失越多。低能的膜层原子到达工件后无力进行迁移、扩散，形成粗大的核心，得到粗糙的镀层。在高真空下蒸气原子能量损失少，到达基板形成细小的晶核，继续捕获蒸气原子生长成细密的镀层，因此薄膜生长需要高真空度。

②被镀材料的加热蒸发　在一定的饱和蒸气压下，必须提供金属原子足够的能量，使被镀金属克服周围固体或液体原子的吸引力，蒸发、气化进入到气相中。不同材料所需的蒸发热不同。表2-3列出了几种常见金属在1Pa时的蒸发热。

（3）真空蒸发镀膜层生长规律

在真空镀膜过程中，膜层的形成与其他镀膜技术不同，有其独特之处。

①形核　真空蒸发镀膜技术中，膜层粒子以原子的形态从蒸发源蒸发出来后，在高真空中飞向工件，在工件表面通过形核长大的过程形成薄膜。真空蒸发镀膜时，膜层原子从蒸发源逸出时的能量小于1eV， 当沉积粒子间的凝聚力大于沉积原子和工件之间的结合力时，形成岛状晶核。单个沉积原子在工件表面滞留的时间里做无规则的运动、扩散、迁移或与其他原子相碰撞形成原子团。原子团中原子的数量达到某一临界值时，就形成了稳定的晶核，称均质形核。

一般工件表面都不是绝对平滑的，包含有许多缺陷和台阶，造成工件不同部位对入射原子吸附力的差异。因为一般缺陷的吸附能大于正常表面，成为活性中心，有利于优先形核，称异质形核。当凝聚力与结合力相当，或沉积原子与工件的结合力大于沉积原子间的凝聚力时，形成层状结构，多数情况是形成岛状结构。

②薄膜的生长　当晶核形成后，继续捕获入射原子而长大。各岛状原子团，一边长大，一边相互结合成为更大的半球，逐渐形成遍布于基板表面的半球形岛状膜。

当沉积原子能量较高时，可以在基片表面充分扩散，且后续来的原子团又比较细小时，可以形成平滑的连续膜。如果原子在表面的扩散能力弱，沉积的原子团尺寸又大，则以半岛晶核的形态存在。岛状的顶部，对凹下部分产生很强的遮蔽作用，即产生阴影效应。凸出表面的部分更有利于捕获沉积原子而优先生长，使表面的凹凸程度越发增强，形成足够大的锥状晶或柱状晶。锥状晶间形成穿透空隙，表面粗糙。真空度越高，组织越细密，真空度降低，膜层组织逐渐变得粗糙。如果真空度低于10³Pa，便得不到膜层，沉积出的是许多由原子团组成的金属微粒，是胶体的集合体。颗粒的大小为10～100nm，属于多孔状物质。

（4）影响膜层生长的因素

①气压的影响　在低真空度条件下，蒸气原子之间的碰撞频繁，能量降低，在相互碰撞时，可能受到范德华力的束缚，在空间集结形成原子团，这些低能的原子团到达基板后很难进行扩散、迁移，便形成了粗大的岛状晶核，凸起部分对凹陷部分产生阴影效应，最后长成锥状或柱状晶。真空度越低，柱状晶越粗大，膜层的表面粗糙度越大。真空蒸发镀膜时，如果真空度低，工件表面将吸附一层残余气体，使到达工件的蒸气原子不能直接与基材原子结合，膜-基结合力低，膜层组织疏松。

由以上分析可知，真空蒸发镀技术必须在较高真空度下进行。一般真空蒸发镀是在10^-5～10^-3Pa真空度下进行的，气体分子自由程λ为“m”级以上，远大于工件到蒸发源的距离。从蒸发源逸出的蒸气原子径直抵达工件，获得理想的膜层组织，这是一种无污染的表面改性技术。

②温度的影响

蒸气原子沉积到冷态的工件上，依靠本身携带的能量很难得到长程扩散和迁移。只能形成粗大的岛状晶核，生长为粗柱状、锥状晶。随工件温度升高，沉积原子的扩散、迁移能力提高，晶核细化，生长成细柱状晶。当工件温度超过被镀材料的再结晶温度时，膜层组织发生再结晶。获得再结晶性等轴晶。B.A.Movchan 和A.V.Demchishin研究了工件温度对真空蒸发镀膜层组织的影响规律，提出了M-D模型，如图2-5所示。

M-D模型表明：设T_m为被镀材料的熔点，当工件温度升至T₁时，锥状晶消失，T₁=0.3T_m。当工件温度升至T₂时，柱状晶消失，得到再结晶组织，T₂=0.5T_m。在镀不同材料时可控制工件温度，获得所需组织。图2-6所示为在硅片上利用电子束物理气相沉积技术得到的Y₂O₃薄膜显微组织。

根据加热方式的不同，可将真空蒸发镀膜技术分为电阻蒸发镀、电子束蒸发镀、激光束蒸发镀、高频感应加热蒸发镀等几种 （见表2-4）。电阻蒸发镀是真空蒸发镀膜技术中最简单的一种方法，且人们对它的研究比较深入，故有必要对其进行详细介绍。

2.2.1.2　电阻蒸发镀

（1）电阻蒸发源

蒸发源是用来加热膜材料使之气化蒸发的装置。目前所用的蒸发源有电阻加热、电子束加热、感应加热、电弧加热和激光加热等多种，其中电阻加热蒸发源结构简单、经济、可靠，是用于蒸发低熔点镀膜材料的主要蒸发源，如蒸发金（Au）、银（Ag）、硫化锌（ZnS）、氟化镁（MgF₂）、三氧化二铬（Cr₂O₃）等镀膜材料时选用电阻蒸发源。电阻蒸发源是采用高熔点金属或陶瓷材料做成的适当形状的蒸发器，利用蒸发器的高电阻，通过电流直接或间接加热原材料。

电阻蒸发源一般采用W、Mo、Ta制作，必须满足以下几个条件。

①熔点高，因为多数镀膜材料的蒸发温度为1000～2000℃，所以制作蒸发源材料的熔点必须远高于此温度。

②电阻温度系数大，很容易升到热电子发射温度。电阻蒸发源提供热源，使低熔点镀膜材料熔化、蒸发或升华成为蒸气原子。

③饱和蒸气压低，为了减少蒸发源的材料作为杂质进入蒸镀膜层中，要求其饱和蒸气压足够低，以保证在蒸发时具有最小的自蒸发量，否则会影响真空度和污染膜层。

④化学稳定性好，在高温下蒸发源不与镀膜材料发生化学反应。

⑤在选择蒸发源时，还必须考虑镀膜材料与蒸发源材料之间的浸润性问题。在浸润的情况下，熔化的镀膜材料在蒸发源表面会铺展开，可认为是面蒸发源；在不浸润的情况下，熔化的镀膜材料会团聚成球形，一般认为是点蒸发源。蒸发源和镀膜材料之间的浸润性好，则蒸发状态稳定，否则，镀膜的均匀性较差。表2-5所列为W、Mo、Ta常用主要物理参数。

根据镀膜材料形状的不同，可选用不同形状和结构的蒸发源。若被镀材料为丝状，可选用丝状结构的蒸发源，将丝状的镀膜材料加工成直径为0.5～1.0mm的丝，再将其安装在钨丝、钼丝、钽丝上。

蒸发源也可绕制成螺旋状，如螺旋状的蒸发源常用于蒸发铝，因为铝和钨能互相润湿。

锥形篮状蒸发源一般用于蒸发块状或丝状的升华材料（Cr）和不易与蒸发源相润湿的材料（Ag、Cu）。

舟状蒸发源具有较大的散热面积，它消耗的功率要比丝状蒸发源大。如果被镀材料不能加工为丝状，可将粉状或块状被镀材料放在舟状蒸发源内，如钨舟、钼舟、钽舟、石墨舟或导电的氮化硼做的舟上。

在沉积合金膜时，由于合金内所含金属元素的蒸气压不同，不同金属在同一真空度时的蒸发温度是不同的，当低熔点的金属蒸发时，高熔点的金属还没有达到蒸发温度或者蒸发很慢，因此膜层中先沉积的成分与后沉积的成分不同，即产生分馏现象。在镀合金膜时必须克服分馏现象。一般采用闪镀或用多个蒸发源同时蒸发的方式进行。闪镀也叫瞬时蒸发法，也就是把蒸发材料做成细粒，把细粒一点一点地撒落到蒸发源上，并尽可能地使每个细粒在瞬间就蒸发掉。采用多个蒸发源同时蒸发，可以在工件表面形成合金膜。

电阻蒸发源一般采用低电压、高电流。一般为电压4～8V， 电流100～300A。大电流通过电阻蒸发源时，产生的焦耳热使蒸发源升温，进而加热镀膜材料。由于这种蒸发源具有结构简单、使用方便、造价低廉等优点，因此使用很普遍。

（2）电阻蒸发源镀膜机简介

电阻蒸发源真空蒸发镀膜机设备结构如图2-7所示。

真空蒸发镀的设备主要由镀膜室、电阻蒸发源、基片架、金属蒸气流线、电极密封组件和真空系统等组成，还包括匹配的蒸发电源、加热电源、轰击电源、进气系统等。

镀膜室上方安装工件（基片）架。工件（基片）安装在工件（基片）架的卡具上，镀膜室下方设有电阻蒸发源。用高真空机组抽真空，真空度为6×10^-3Pa左右。

电阻蒸发源采用电阻温度系数大的高熔点金属钨、钼、钽等制作。将欲蒸发的材料安装在蒸发源上。蒸发时，在电极上通以低电压、大电流的交流电，使难熔金属蒸发源升温，将欲蒸镀的材料加热至熔化、蒸发温度。大量的蒸气原子离开熔池表面进入气相，按直线方式飞到基片表面凝固成金属薄膜。因此，真空蒸发镀过程是由镀膜材料的蒸发、蒸气原子传输和蒸气原子在基片表面形核、长大的过程组成的，即包括“蒸发—运输—沉积”过程。

（3）电阻蒸发镀工艺过程

①安装工件和蒸镀材料　将被蒸发金属安放在电阻蒸发源上，工件安装在工件架后，关上镀膜室。

②抽真空　开启机械泵，对镀膜室抽真空，当真空度达到6Pa后，打开扩散泵阀，将真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加热　开启烘烤加热电源，对工件加热，达到预定温度。若基材为玻璃、陶瓷等工件，一般需要烘烤到400 ℃以上。

④轰击净化工件　向镀膜室充入氩气，真空度保持在2～3Pa。接通轰击电源，此时轰击电极产生辉光放电。产生氩离子和高能氩原子。氩离子在轰击电极所加负偏压的吸引下，加速到达轰击电极，维持辉光放电过程。高能氩原子在镀膜室内做无规律运动，由于它具有很高的能量，因此，对工件也能进行碰撞，将自身的能量传递给工件，对工件起到清洗作用，所以，即便是非金属，如玻璃、陶瓷等也能进行清洗，提高工件表面与膜层的结合力。有些蒸发镀膜机中设置了轰击电极。一般轰击电压为1000～3000V。轰击10min后，关闭氩气，将镀膜室真空度抽至6×10^-3Pa。

⑤镀膜　开启电阻蒸发电源，使蒸发源迅速升温，直到被蒸发金属预熔，然后迅速加大蒸发功率，使金属很快蒸发出去。由于真空度较高，气体分子的自由程远大于蒸发源到工件的距离，因此，膜层原子从蒸发源蒸发出来以后，不会再与其他气体分子或金属蒸气原子产生碰撞，而是径直地射向工件，故可得到致密的膜层组织。

⑥取出工件　向镀膜室冲入大气，取出工件。

2.2.1.3　电子束蒸发镀

由于电阻蒸发源的工作温度低，不能蒸镀难熔金属、陶瓷材料，所以需要使用高能电子束作为加热的电子束蒸发源。电子束是由电子枪来产生的，这种枪在镀制多层膜且膜层较薄的工业中应用得很好，其原理是电子枪中阴极发射的电子在电场的加速作用下获得动能，轰击处于阴极的原材料，使原材料加热气化，从而实现蒸发镀膜。

采用电子枪作蒸发源。它的优点是： ①电子枪蒸发源是高能量密度的加热源，功率密度可达10⁴～10⁹W/cm²，用于蒸发熔点较高的金属或化合物，如钛、铬、氧化锆、氧化钨、钇钡铜氧等；②原材料被置于水冷坩埚内，可以避免容器材料的蒸发，有利于提高镀膜的纯度；③电子束直接加热原材料的表面，热传导和热辐射的损失小，因而热效率高；④电子束蒸发粒子动能大，有利于获得致密、结合力好的膜层。电子束加热蒸发的缺点是：①电子束加热源结构较为复杂，价格较昂贵；②若蒸发源附近的蒸气密度高，电子束流和蒸气粒子之间会发生相互作用，电子的能量将散失和发生轨道偏移；同时引起蒸气和残余气体的激发和电离，会影响膜层质量。

（1）e型电子枪工作原理

电子枪由发射热电子的阴极、加速电子运动的阳极、使电子汇集成束的汇集极以及使电子束偏转的电磁线圈组成。阴极一般由钨丝制造，连接低电压大电流加热电源，可以把钨丝加热到发射电子的白炽状态，同时阴极还并联高压加速电源的负极，一般电压为6～30kV，电子束流在高压电场作用下加速运动形成电子束，束流0.1～1A。根据电子束轨迹的不同，电子枪分为直式枪、环形枪、e型枪等几种。镀膜机中有水冷坩埚，接电子枪电源阳极。电子束轰击到坩埚内的待蒸发金属锭上，将动能转化为热能，再将被镀金属蒸发。

目前，常用e型电子枪，其枪头往往是用钨丝制作成发射热电子的阴极，没有加速阳极。e型电子枪的结构中，还设置有与加速电场垂直的磁场线圈。被加速的电子束，受正交磁场所产生的洛伦兹力的作用，运动方向得以改变，一般呈现出螺旋线性，形状如同英文字母e。当电子流从枪头出来后，进行偏转到达坩埚。电子束的偏转角度为270°，也有偏转240°的e型枪。

e型枪的优点是电子枪附近的正离子在正交电磁场作用下，产生的偏转方向与电子方向相反，电子向远离坩埚的方向运动，可以避免正离子对膜层的污染。因此，在气相沉积的设备中，广泛采用e型枪作为蒸发源。

电子枪一般在高真空条件下才能正常发射电子流，如果真空度太低，气体分子密度大。电子流在运行的过程中会将周围的气体电离，使电流突然增大。一般电子枪的电路系统都有电流过保护，电流突增时，电子枪的高压电源被切断，不能正常发射电子束。电子枪不能在真空度低于3×10^-1Pa时使用。一般电子枪在真空度高于10^-2Pa时才能正常工作。

（2）水冷坩埚

电子枪蒸发源的组件中，除了电子枪之外，坩埚也是很重要的组成部分。电子枪中的坩埚均采用水冷坩埚，被镀金属放置在坩埚内。每一次镀膜以前，必须保证放入的金属锭量，以及金属锭与坩埚壁接触的状态一致，使金属锭与水冷坩埚密切接触，才能保证坩埚和金属锭之间传递的热量一定。在每次金属锭的质量一定时，确保每次实际加热的功率恒稳和金属的蒸发量恒定，保证工艺的重复性。尤其对于反应沉积，这样才能保证反应生成的化合物成分符合化学计量比。如果买不到合适的金属锭，每次在加入新料时，必须用电子枪将加入的膜层材料充分“熔透”，使其与坩埚内壁密切接触。

在沉积多层膜时，在电子枪镀膜机中，设置可以旋转的多坩埚，即坩埚转轴的上方安放3～4个被蒸发材料的小锅，每个小锅的中心为电子束的斑点位置，每次坩埚轴旋转时，便有一种膜层材料被蒸发，然后根据预先的设定，使各种坩埚内的材料逐个被蒸发，可以得到所需的多层膜。

（3）电子束轨迹

如果不加偏转磁场，电子束流会在电场作用下直线运动。若增设了偏转磁场，则会使电子束流产生偏转，射向坩埚。偏转半径r_m由式（2-16）决定。

　　（2-16）

式中，e/m为电子的核质比；v为电子的速度，由加速电压U决定。

　　（2-17）

电子束的偏转半径与加速电压的平方根成正比，与磁场强度H成反比。由于电子的质量比离子的质量小得多，因此带有相同数量电荷的电子的偏转半径比离子偏转半径小得多，而且偏转的方向与离子的方向相反。

（4）电子枪蒸发镀膜机结构

如图2-8所示。

电子束真空蒸发镀膜机由镀膜室、真空系统、电子枪、水冷坩埚、基片架、金属蒸气流线和金属锭等组成，还包括匹配有蒸发电源、加热电源、轰击电源、进气系统等。

镀膜室上方安装在基片架的卡具上，镀膜室下方设有电子束蒸发源。用高真空机组抽真空，真空度为6×10^-3Pa左右。图2-9是分别以ZrO₂-8%Y₂O块体材料（a）和单斜晶ZrO₂粉末（b）为原材料，采用电子束蒸发镀工艺，在电压为6kV下得到的两种镀膜。

2.2.1.4　激光束蒸发镀

激光束蒸发镀是利用高能激光束与材料表面的作用来沉积薄膜的一种新的薄膜制备技术。激光光源可采用大功率准分子激光器。高能量的激光束透过窗口进入真空室内，经棱镜或凹面镜聚焦，聚焦后的激光束功率密度很高，通常激光束的功率密度达到10⁶W/cm²以上，以无接触方式使膜层材料加热气化，然后沉积在基片上形成膜层。根据激光工作方式的不同，可以进行脉冲输出或连续输出。前者具有使膜层材料瞬间蒸发的特点，后者具有使膜层材料缓慢蒸发的特点。图2-10为激光束蒸发源蒸发镀膜机结构示意图。

绝大多数非金属材料对200～400nm的紫外线具有很强的吸收作用，波长越短，吸收系数越大，穿透深度越浅。在脉冲激光沉积（PLD）技术中采用的激光主要是固态的Nd³⁺∶YAG（1064nm）激光和气体准分子激光。

靶表面吸收的激光束能量会引起靶原子的激发、靶表面的烧蚀蒸发。蒸发物在靶前形成一个由荷能的中性原子、分子、离子、电子、原子团、微尺度的微粒和熔化的液滴混合组成的羽状聚积体，这种羽状聚积体具有高度取向，当聚积体到达基片时，便在基片上凝聚而形成薄膜。通常在真空室中通入O₂、N₂等气体，以增强表面反应或保持薄膜的化学计量比。沉积单一薄膜时，通常只需采用一个均匀的多组元靶。但是，对于层状结构薄膜，必须采用激光束蒸发多个源，这可以采用单激光器和分束器，使两束或多束激光同时发出，或者将单激光束依次聚焦到旋转样品架上的不同组元靶上。

激光蒸发的主要优点如下。

①能实现不同组元的同时蒸发沉积，不会产生分馏现象，能蒸发任何高熔点材料，包括金属、半导体、陶瓷等各种无机材料。

②激光束加热蒸发是采用非接触式加热，激光束光斑很小，使膜材局部加热而气化，因此防止了坩埚材料与膜材在高温下的相互作用及其杂质的混入，避免了坩埚污染，保证了薄膜的纯度，易于制备高纯膜层。同时还可以避免电子束蒸发时，膜层表面带电现象等。

③激光束的能量高，使膜层粒子获得更高的能量，在工件不佳的情况下，还能得到结晶良好的膜层。

其缺点是激光加热膜材在蒸发过程中有颗粒喷溅现象，设备成本较高，大面积沉积尚有困难。

2.2.1.5　高频感应加热蒸发镀

高频感应加热蒸发镀利用感应加热原理，将装有被镀金属膜层材料的坩埚放在感应线圈的中央，在线圈中通以高频电流，可以使金属膜层材料产生感应电流将其加热，直至气化蒸发。图2-11为高频感应加热蒸发源结构示意图。感应圈中通以高频率电流，频率最小为8kHz。

高频感应蒸发源的特点：①蒸发速率快，在卷绕蒸发镀膜中，当沉积铝膜厚度为40nm时，卷绕速度可达270 m/min， 比电阻加热式蒸发源高10倍左右；②蒸发源温度均匀稳定，不易产生液滴飞溅现象，可避免液滴沉积在薄膜上产生针孔缺陷，提高膜层质量；③温度控制比较容易。 缺点是需要较复杂和昂贵的高频电源。

2.2.2　离子镀

离子镀膜技术是D.M.Mattox于1963年首先提出来的，是在真空蒸发和真空溅射技术的基础上发展起来的一种镀膜技术。当镀膜室抽至10^-4Pa的高真空后，往镀膜室内通入惰性气体（如氢气），使镀膜室内真空度达到0.1～1Pa，然后在蒸发基片和蒸发源间施加一直流电压，使工作气体电离，从而在基片和蒸发源之间建立一个低压气体导电的等离子体区。离子镀膜成核、结晶、迁徙所需要的能量不是靠加热衬底的方式获得，而是由离子轰击的方式来获得。离子镀膜技术是将各种气体放电引入气相沉积领域，整个沉积过程都是在等离子体中进行的，大大提高了膜层粒子的能量，可以获得性能更优异的膜层，扩大了薄膜的应用领域。

离子镀的类型较多，按膜材料的气化方式分为：电阻加热、电子束加热、等离子体束加热、高频或中频感应加热等。按气化分子或原子的离化和激发方式分为：辉光放电型、电子束型、热电子束型、等离子束型等。按蒸发源与激发的组合方式分为：直流放电式离子镀、反应蒸发离子镀、高频电离式离子镀、电弧放电式离子镀、热阴极电弧强电流离子镀等几种。在离子镀技术中，最简单的为直流二极型离子镀，它是其他类型离子镀的基础。

2.2.2.1　直流二极型离子镀工艺

直流二极型离子镀装置如图2-12所示，采用电阻加热式蒸发源，将被蒸发金属安装在W、Ta、Mo等难熔金属丝上或舟内。真空室与真空系统连接，配有进气系统，一般是在2×10^-8×10^-1Pa范围内进行。工件转架接偏压电源的负极，镀膜室接偏压电源的正极，构成离子镀的阴阳两个电极的对应关系。

工件加偏压和低真空镀膜是离子镀与蒸发镀的根本区别。

①安装工件和被蒸镀材料。将被蒸发金属安放在电阻蒸发源上，工件（基片）安装在工件卡具上，关上镀膜室。

②抽真空。开启机械泵，对镀膜室抽真空。当真空度达到6Pa后，打开扩散泵阀，将真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加热。开启烘烤加热电源，对工件加热到预定温度。

④轰击净化工件。 向镀膜室充入氩气，真空度保持在1～3Pa之间。接通工件与偏压电源，此时，工件产生辉光放点，获得氩离子和高能氩原子。氩离子在工件所加高偏压的吸引下，加速到达工件，对工件进行阴极溅射，将表面吸附的残余气体和污染层溅射下来，产生氩离子的轰击净化作用。一般轰击电压为1000～3000V，轰击时间为10min。

⑤镀膜。保持工件所加1000～3000V的负偏压和1～3Pa的真空度，此时工件仍处于辉光状态。开启电阻蒸发源，使蒸发源缓慢升温，直到被蒸发金属预熔，然后迅速加大蒸发功率，使金属蒸发。在离子镀中，金属的蒸发是在辉光放电等离子体环境中进行的。由于真空度低，从蒸发源蒸发出来的金属蒸气原子，在向工件飞行的过程中，与辉光放电等离子体中的高能电子产生非弹性碰撞。金属原子被电离和激发，得到金属离子和高能中性金属原子。金属离子在工件所加高偏压的吸引下，以10～1000eV的能量到达工件。此时离子镀金属膜层粒子的能量比真空蒸发镀时大得多。因此，离子镀膜层的质量高，具有很多真空镀膜层所不具备的优点。

⑥取出工件。达到预定的膜层厚度以后，关闭电阻蒸发源、偏压电源气路。待工件温度低于100℃以后取出。

在直流二极型离子镀中，放电空间的电荷密度较低，阴极电流密度仅为0.25～0.4mA/cm²，故离化率较低，一般为千分之几，最高也只有2%。离子镀膜的成膜过程包括蒸发—辉光放电使金属离化—在电场下输运—携带能量沉积，即是蒸发—离化—电场下输送—高能量沉积的过程。

2.2.2.2　离子轰击对薄膜形成过程的影响

（1）进一步净化工件表面

提高膜层原子与基材的结合力。高能量的金属离子加速到达表面也对工件产生阴极溅射作用，有效地清除工件表面吸附的残余气体、污染层，使成膜过程中，膜层始终保持清洁状态和活性，提高膜层原子与基材的结合力。这种将基材原子溅射下来的过程称“反溅射”过程。

（2）改善膜层的形核

生长过程，可以获得具有优异性能的膜层组织。到达工件的膜层粒子有金属离子和大量的金属高能中性原子、气体离子、气体的高能中性原子，连续轰击表面，对已沉积膜层产生“夯实”作用。并将表面结合不牢的膜层粒子轰击下来，提高膜层的致密度。高能的膜层粒子到达工件表面后，有较高的迁移、扩散的能力，可以形成细小的核心。后续的膜层粒子的到达可以进一步“击碎晶核”，并形成细密的膜层组织。通过控制工件所加的负偏压，可以完全消除锥状晶、柱状晶，获得细密的等轴晶。

（3）控制膜层的晶体结构

高能量的金属离子加速到达工件后，可以影响膜层原子的晶体结构，影响原子在晶格中的排列规律。

（4）形成“伪扩散层”

离子镀时，初始到达工件的高能离子还会将基材原子溅射下来，这种将基材原子溅射下来的过程称为“反溅射”过程。

在离子镀膜中，沉积速率必须大于反溅射速率才能获得所需膜层。所以离子镀初始期采用高偏压。用金属离子轰击刻蚀工件表面，使表面净化并形成共混层，然后逐渐降低偏压，减弱反溅射效果，获得纯的膜层。离子镀技术制备膜-基界面的“伪扩散层”，是提高膜-基结合力的重要措施。

（5）提高基材温度

高能量的金属离子加速到达工件后，将能量传递给工件（基片），使工件升温。膜层粒子到达有一定温度的工件表面，迁移速率、扩散速率大大提高。有利于获得等轴晶组织。

（6）降低形成化合物的温度

高能量的金属离子和众多的高能中性原子，使膜层粒子整体的能量提高。有利于和通入的反应气体进行化合反应，有可能在低温下生成化合物膜层。

2.2.2.3　离子镀膜层的形成

（1）形成条件

离子镀的成膜过程包括蒸发—离化—电场下输送—高能量沉积。为保证离子镀膜过程在辉光放电条件下进行，离子镀膜层形成的条件是在真空条件下和电场条件下进行的。即提供产生气体放电、产生等离子体的条件。

①低真空度　产生辉光放电的条件是金属原子和气体分子必须与高能电子产生非弹性碰撞。只有在一定的低真空度时，气体分子自由程缩短，才能使高能电子与金属蒸气原子产生非弹性碰撞，使金属原子被电离成离子，激发成高能中性原子。

②工件施加负偏压　工件施加负偏压的作用如下：只有工件施加负偏压，才能使真空室内的残存电子在高压电场作用下，加速成为高能电子，产生非弹性碰撞。高能电子在与金属蒸气原子和气体分子碰撞时，金属原子和气体分子的外层电子脱离原子核的约束范围，使金属原子、气体分子被电离成为金属离子及其他离子，也使金属原子和气体分子被激发成为受激态的高能中性原子。

（2）形成特点

①形核　在离子镀金属中，金属的蒸发是在低真空度下进行的，金属蒸气将会产生以下两个方面的碰撞：与高能电子碰撞和与其他蒸气原子碰撞。在与高能电子碰撞时，获得能量被电离或激发，形成高能量的离子、高能中性原子。由于粒子在电场中进一步加速获得了足够的能量，仍以较高的能量到达工件，在工件表面有较高的迁移能力和扩散能力，形成细小的核心，甚至被后续的离子进一步击碎，形成更细小的晶核。

②薄膜的生长　在离子镀中，膜层离子在负偏压电场作用下，加速向工件运动，在输送中的能量很高，与其他蒸气原子碰撞时，不会发生黏结现象，仍以细小的粒子流高速到达工件，在细小的核心上长成细密的等轴晶。

（3）影响膜层生长的因素

①真空度的影响　离子镀是在低真空下进行的，随着真空度的降低，容易形成粗大的膜层组织。

②负偏压的影响　随着真空度的降低，越来越容易形成粗大的膜层组织，真空下膜层组织本身较细。因此，低真空度时，消除这些粗大柱状晶所需要的偏压较高，以便使金属离子有足够高的能量改善膜层的形核、长大规律。真空度偏高时，可以适当降低负偏压来消除粗大的柱状晶。

③温度的影响　高的工件温度可以使到达的膜层粒子容易进行迁移和扩散，有利于获得细密的等轴晶组织。M-D模型中形成锥状晶和柱状晶的温度界限将向低温方向移动。离子镀中，高能离子对工件的轰击，使其温度升高，有利于细化膜层组织。

④蒸发距离的影响　随着蒸发源到工件距离的增大，膜层粒子在向工件迁移的过程中，产生非弹性碰撞的概率加大，有利于提高金属的离化率和散射率。即膜层粒子有更多的机会被碰撞而改变方向，提供膜层的绕镀能力。图2-13为在不同的负偏压和氩气压力下制备出的金属镁薄膜的上表面（T.S）和横截面（C.S）的显微组织。

2.2.2.4　离子镀技术的特点

（1）离子镀与蒸发镀和溅射镀相比

离子镀膜是介于蒸发和溅射之间的一种成膜技术，与蒸发和溅射相比有以下特点。

①膜层附着性好。在离子镀膜过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒子对基片表面轰击，对基片表面吸附的气体和污物有清洗作用，使基片表面净化，而且这种清洗作用一直伴随着成膜过程的进行，这是离子镀膜具有良好附着力的原因之一；另外，离子镀膜过程中由于被电离的蒸发粒子以较高的能量入射到衬底，在成膜初期可在衬底和膜材之间形成伪扩散层，能有效地改善膜层的附着性能。

②膜层密度高。在离子镀过程中，被电离的部分膜材粒子带有较高的能量到达基片，可在基片上扩散、迁移，而且膜材原子在空间飞行过程中即使形成了蒸气团，到达基片时也能被离子轰击碎化，形成细小的核心，生长成较为致密的膜层。此外，高能氢离子对改善膜层结构也起一定的作用。

③由于辉光放电形成的低温等离子体中的高能粒子的作用，可在较低的温度下获得只有在高温下靠热激发才能形成的化合物。此外，离子镀较一般的蒸发沉积速率快，成膜速率也快。

（2）离子镀与真空蒸镀相比

离子镀的成膜过程包括蒸发—离化—电场下输送—高能量沉积。与真空蒸镀镀膜相比，膜层质量具有以下特点。

①离子镀膜的膜层与基材间的结合力大， 高能量的离子不仅能打入基材，而且在与基材表面原子撞击时，放出大量的热，使膜层与基材间形成显微合金层，提高结合强度。

②绕镀性好。

③结构可控。基体材料与镀膜材料可以广泛搭配，基体材料可以为金属、陶瓷、塑料等，镀膜材料也可以是金属或各种陶瓷材料。

④界面形成：一方面，如果材料是互相溶解的，则轰击到清洗过的表面上时，可加速扩散或化合物型界面的形成；如果材料是互不相溶的，则由于荷能粒子的轰击可加速伪扩散型界面的形成。另一方面，离子轰击同高表面温度共同作用可能引起所有沉积材料扩散进入表面，从而形成合金或化合物涂层。

⑤离子束增强沉积可在真空度小于10^-2Pa的条件下制备薄膜，气体污染小。

⑥沉积薄膜温度低。荷能离子已提供了足够的能量，无需外加能量，通常工艺温度低于150℃，故可避免高温处理材料及精密部件尺寸的影响。适合于电子功能薄膜、冷加工精密模具，低温回火钢（轴承钢）、低熔点材料的表面处理。

⑦离子束增强沉积是一种在室温下控制的非平衡过程。可在室温下得到高温相、亚稳相、非晶态合金相等新功能薄膜。

⑧一般不需要控制气体流量等一些非电参数，可方便控制膜层的生长，调整膜的组成、结构和工艺重复性，便于实时研究薄膜的生长规律。

离子镀膜技术也存在一些不足之处。如果工件施加高的负偏压，膜层粒子所携带的能量过高，则对基材组织、结构产生一定的损伤。

2.2.3　磁控溅射镀

荷能粒子轰击固体表面，使固体原子逸出的现象称为溅射，逸出的粒子称为溅射粒子。用于轰击的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子的质量远大于电子，因此大多数采用离子作为轰击粒子，又称为入射粒子。溅射粒子沉积在基片表面上就形成了薄膜，叫溅射沉积。

磁控溅射镀（magnetron sputtering）属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电，氩离子对阴极靶材产生阴极溅射作用，氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到工件上形成所需的镀膜层。

2.2.3.1　阴极溅射技术分类

常用的阴极溅射技术是磁控溅射镀。磁控溅射是在二极溅射、三极溅射、射频溅射的基础上发展起来的新技术。表2-6列出了各种阴极溅射技术的沉积速率。磁控溅射的沉积速率远高于其他几种阴极溅射方法，因此发展较快。

按磁控溅射靶材形状分为：平面磁控溅射靶、锥形靶和柱状磁控溅射靶。平面磁控溅射靶中，又分为矩形平面靶、圆形平面靶、对靶和电弧-磁控两用的复合结构的平面靶。按磁场结构分为：平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。按采用的电源分为：直流磁控溅射、射频溅射和中频溅射。

（1）二极溅射

最早使用的阴极溅射技术是二极溅射。图2-14所示为二极溅射原理图。膜层材料为靶阴极，接靶电源负极，电压1～5kV。工件接靶电源正极。靶与工件距离60mm左右。首先将真空度抽至10^-3Pa，然后充入氩气，真空度保持在1～3Pa。接通电源后，靶材产生辉光放电，氩气被电离。氩离子在靶电压的作用下轰击靶材，产生阴极溅射效应。靶材原子脱离靶面后飞溅到工件上形成沉积层。电流密度较小，因此沉积速率慢，大约为1～40nm/min。为了提高沉积速率，开发出了多种增加碰撞概率、强化放电过程的溅射镀膜技术。

（2）三极溅射

图2-15所示为三极溅射原理图。在二极溅射的基础上，设置热阴极。热阴极接加热电源和0～50V的负偏压电源。热电子在加速电场吸引下，穿过靶与工件间的等离子体区，增加了电子与氩气离子的碰撞概率。电流密度提高到了1～3mA/cm²，气体放电的气压可以降低至（1～5）×10^-1Pa，靶电压1～2kV。沉积速率加快，沉积真空度提高，膜层组织细化。

（3）四极溅射

图2-16所示为四极溅射原理图，在二极溅射的基础上，在镀膜室外加聚焦线圈。聚焦线圈磁场强度10^-1T。气体放电的气压为（1～5）×10^-1Pa，靶电压1～2kV。聚焦线圈的作用是将电子汇聚在靶阴极和工件之间，电子做螺旋运动。增加电子到达收集极的路程，从而增加非弹性碰撞概率。电流密度达2～5mA/cm²。

（4）射频溅射

以上几种阴极溅射技术均采用直流溅射电源，只适用于导电膜。如果用于沉积绝缘膜，靶材表面会产生“中毒”现象。因为在沉积绝缘膜的时候，靶面上也会形成一层绝缘膜。使得氩离子堆积在靶面上，不能直接进入靶阴极产生阴极溅射。氩离子的堆积还会引起“击穿”造成“打弧”现象，使得溅射镀膜过程无法进行，所以采用射频溅射技术。

射频溅射装置是把直流二极的电源换成射频电源。射频电源由频率振荡器构成，通过匹配器连接在靶上。一般靶材选用SiO₂、Al₂O₃等绝缘材料。靶材接阴极，工件接阳极，与机壳连接，并接地。工业用安全频率为13.56MHz。气体放电的气压为3×10^-1～2.5×10^-2Pa，靶电压1～2kV。放电电流密度较强。电极形状有平板形和螺旋线形。

射频溅射利用高频电磁辐射来维护低气压的辉光放电。以平板阴极沉积SiO₂、Al₂O₃绝缘膜为例来分析射频溅射原理，在采用高频率电源放电后，两极间的电位进行高频率的变化。当靶材处于高频电压的负半周时，正离子对靶面进行轰击引起溅射，与此同时，靶材表面会有正电荷的积累。当靶材处于高频电压的正半周时，由于电子对靶的轰击，中和了积累在介质靶表面上的正电荷，这就为下一周期的溅射创造了条件。在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶面，从而实现溅射介质材料的目的。由于在一个周期内对靶材既有溅射又有中和，故能使溅射持续进行，这就是高频溅射法能够溅射介质材料的原因。

2.2.3.2　磁控溅射镀的工作原理

为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通常在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法就叫磁控溅射。

电子在电场E的作用下，在飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar⁺和新的电子；新电子飞向基片，Ar⁺在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场的作用，产生E×B所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar⁺来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐步远离靶面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温度较低。

综上所述，磁控溅射的基本原理，就是用磁场来束缚电子和延长电子的存在时间，提高电子对工作气体的电离概率，有效利用电子的能量，产生更高密度的正离子，进而提高正离子轰击靶材的溅射率。同时，受正交电磁场束缚的电子，只能在能量耗尽时才能沉积在基片上，因此，磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点。图2-17所示为磁控溅射法沉积的Ti薄膜。

2.2.3.3　磁控溅射源的主要类型

第一类是柱状磁控溅射源，它是最早发展起来的，如图2-18中（a）和（c）所示，其结构比较简单，适合溅射沉积大面积薄膜，在工业上应用比较广泛。第二类是平面磁控溅射源，如图2-18（b）所示。圆形的可以制成小靶，适合于贵重的靶材；矩形的适合支撑大靶。平面磁控溅射源的结构简单，通用性强，应用最广。第三类是溅射枪（S枪），如图2-18（d）所示，S枪结构比较复杂，一般配合行星式夹具使用。它不仅具有磁控溅射的低温、高速率的特点，而且由于其独特的靶结构与冷却方式，还具有靶材利用率高、膜厚度分布均匀、靶功率密度大和易于更换靶材等优点。

通常平面磁控溅射源的工作参数为：溅射电压300～800V，电流密度4～50mA/cm²，氩气压力0.13～1.3Pa，功率密度1～36W/cm²，基片与靶的距离为4～10 cm。磁控溅射不仅可得到很高的溅射速率，而且在溅射金属时还可避免二次电子轰击而使基片保持冷态，这对使用单晶和塑料基片具有重要意义。磁控溅射电源可为直流也可为射频，故能制备各种材料。但是，磁控溅射存在两个问题：第一， 难以溅射磁性材料靶，因为磁通被磁性靶材短路；第二，靶材的溅射刻蚀不均匀，利用率较低。

2.2.3.4　平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射

平面磁控溅射靶为平衡磁控溅射靶，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar 原子电离成为Ar⁺和电子，产生辉光放电，Ar⁺ 经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。其特点是靶材背面安装的磁钢，无论芯部磁钢还是周围外圈磁钢全部为强磁钢，产生的磁场将电子紧紧地约束在靶表面附近，磁场只影响靠近靶面的电子，影响不到远离靶面的电子，这种结构的平面磁控溅射靶称为“平衡磁控溅射靶”。但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。

如果能在阳极附近增加等离子体密度来激活反应气体产生更多的轰击阴极靶的粒子，就可提高溅射率。为了实现这个想法，可以通过增强靶端的磁场，使来自阴极的二次电子进入到等离子体去参与电离，这就是所谓的非平衡磁控溅射，图2-19给出了三种不同磁场结构的设计。

非平衡磁场溅射靶的心部与外圈的磁性材料不同，芯部为工业纯铁，周围外圈采用钕铁硼。非平衡磁控溅射靶所产生的磁场，不单在靶面附近的磁力线保持自身的封闭性，实现高溅射速率，另一部分磁力线指向离靶面更远的地方，即磁场向空间扩展。远离靶面的磁场对远离靶面区域的电子也产生约束力，提高了空间的非弹性碰撞概率，增强了放电空间的等离子体密度，提高了金属离化率，使反应沉积区域扩展到150mm。因此非平衡磁控溅射技术是当前磁控溅射技术的新进展。

非平衡磁控溅射的出现部分克服了平衡磁控溅射的缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜；另一方面，等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大改善了膜层的质量。

为便于对磁控溅射镀全面理解，以安装平面磁控溅射靶，沉积氮化钛的镀膜机为例进行介绍。

在平面磁控溅射离子镀膜机中，真空室壁上安装矩形平面靶，钛靶的长度与工件转架相等。磁控溅射靶接溅射电源的负极，真空室接正极。工件接偏压电源的负极，真空室接正极。安装对工件进行烘烤的装置及工件气体的进气系统。

一台磁控溅射离子镀膜机由真空室、真空系统、进气系统、真空度测量系统、加热系统、工件转架系统和磁控溅射靶组成。另外配有靶电源、工件偏压电源。

磁控溅射靶有平面形、圆锥形、柱状形。平面形中，又有圆形、方形。靶材背面有冷却水。

进行磁控溅射膜时，向真空室通入氩气，将真空度控制在（3～8）×10^-1Pa。靶电压400～600V， 开启磁控溅射电源后氩气电离，靶面产生辉光放电。生成的氩离子在磁控靶所加负电压的吸引下，加速到达靶面，氩离子以很高的能量轰击靶面，产生阴极溅射作用，将靶材原子溅射下来，沉积到工件上，形成膜层。磁控溅射镀膜过程是 “溅射—传输—沉积”的过程。磁控溅射技术中膜层粒子的获得不是靠热蒸发机制，而是阴极溅射机制，与蒸发镀的膜层粒子相比，磁控溅射膜层粒子的温度低。

磁控溅射技术沉积氮化钛的工艺过程如下。

①安装工件。将工件安装在卡具上，关好镀膜室。

②抽真空。开启机械泵，真空度达到6Pa后，开扩散泵阀，真空度抽至6×10^-3Pa。

③烘烤加热。开启烘烤加热电源，对工件加热，达到预定温度。

④轰击净化。向镀膜室充入氩气，真空度保持在1～3Pa，轰击电压1000～3000V，工件产生辉光放电，氩离子轰击净化工件。轰击时间10～20min。

⑤沉积氮化钛。

a.沉积钛底层。将工件偏压降至500V左右，通入氩气，真空度调至（3～5）×10^-1Pa。开启磁控溅射靶电源。靶面产生辉光放电，高密度的氩离子流从靶面溅射出钛原子。首先沉积钛底层。

b.沉积氮化钛涂层需通入氮气，真空度在（5～7）×10^-1Pa。由于平衡磁控溅射的金属离化率只有5%～10%，金属的活性比较低，获得氮化钛等化合物涂层的工艺范围比较窄。与弧光放电相比，欲获得优质氮化钛涂层，必须严格控制钛的溅射量和氩/氮比，否则沉积速率慢，色泽不好控制。

⑥取出工件。当膜层厚度达到预定要求后，向镀膜室充气。打开镀膜室，取出工件。

2.2.3.5　磁控溅射镀膜的特点及注意事项

（1）优点

①任何物质都可以溅射，尤其是高熔点、低蒸气压的元素和化合物。不论是金属、半导体、绝缘体、化合物和混合物等，只要是固体，不论是块状、粒状的物质都可以作为靶材。

②利用反应溅射镀膜法可以方便地获得各种与靶材不同的化合物膜，如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物等。反应溅射镀膜过程中充入的反应气体可直接被电离成离子，而蒸发法是靠高温来实现所希望的化学反应，所以溅射镀膜比蒸发镀膜更容易获得化合物膜。

③薄膜与衬底之间的附着性好。由于溅射原子的能量比蒸发原子的能量高1～2个数量级，因此高能粒子淀积在衬底上进行能量转换，产生较高的热能，增强了溅射原子与衬底的附着力，而且一部分高能量的溅射原子将产生不同程度的注入现象，在衬底上形成一层溅射原子与衬底材料原子相互“混溶”的伪扩散层。

④溅射镀膜法获得的薄膜的密度高、针孔少，而且薄膜的纯度较高，因为在溅射过程中不存在真空蒸镀时的坩埚污染现象。

⑤膜厚可控性和重复性好。由于溅射镀膜时放电电流和靶电流可分别控制。通过控制溅射功率可有效控制溅射速率，所以溅射镀膜的膜厚可控性和多次溅射的膜厚再现性好，能够有效地镀制预定厚度的薄膜。

⑥降低了基片温度。磁控溅射的电压较低，约为几百伏，但靶电流密度可达每平方厘米几十毫安，因此磁控溅射有效解决了阴极溅射中基片温度升高和溅射速率慢的两大难题。

（2）缺点

①靶材刻蚀不均匀。无论是平衡磁控溅射靶还是非平衡磁控溅射靶，磁场强度分布不均匀，使靶材利用率低，对于贵重靶材，是很不利的。因此合理设计磁场结构，配加电磁场使靶面的磁场强度变化起来，实现放电区扫描，有利于靶材利用率的提高。

②金属离化率低，提高金属离化率的措施有：a.采用非平衡磁控溅射靶，提高工件附近的等离子体密度，从而提高金属的离化率；b.增设热阴极，增加空间的高能电子密度，为了提高柱状磁控溅射靶的金属离化率，在旋磁型柱状磁控溅射镀膜机中，附加了热阴极；c.采用对靶的空心阴极效应，提高对靶之间的等离子体密度；d.将中频电源与非平衡磁控溅射靶联合使用，是近期磁控溅射技术的新热点，联合使用可大大提高金属的离化率。

③靶“中毒”现象，主要表现在正离子堆积、阳极消失和磁滞效应。采用中频电源、采用A²K电源、孪生靶、闭环控制反应气体的通入量可在一定程度上解决“中毒”现象。

（3）溅射沉积过程及注意事项

建立正交电磁场。产生阴极溅射过程不需要建立正交电磁场，但溅射速率太慢。采用磁控溅射技术，必须在靶面适当的位置建立正交电磁场，以控制电子的运动轨迹。沉积化合物高电阻膜、绝缘膜时，已经很少采用射频溅射技术，现在流行的配置是非平衡磁控溅射靶、中频电源加气体离子源，采用工艺闭环控制等措施，可以解决靶中毒问题及阳极消失问题。但成本增加。由于磁控溅射沉积温度低、膜层细密，适合沉积合金膜，适用于沉积各种高新技术中的功能膜。

溅射粒子在基片上沉积成膜的过程中应当考虑以下几个问题。

①沉积速率　沉积速率Q是指在单位时间内溅射出来的物质沉积到基片上的厚度，该速率与溅射速率S成正比，即有

Q=CIS　　（2-18）

式中，C为与溅射装置有关的特征常数；I为离子流；S为溅射速率。

②沉积气压　为了提高薄膜的纯度，必须减少残余气体进入薄膜中的量。若真空室容积为V；残余气体分压为p_c；氩气分压为p_Ar；氩气流量为Q_Ar 则残余气体流量为：

Q_c=p_cV， Q_Ar=p_ArV　　（2-19）

则

p_c=p_ArQ_c/Q_Ar　　（2-20）

由此可见，采用提高本底真空度和增加溅射用的氩气流量是两项有效措施。一般来讲，本底真空度应为10^-5～10^-3Pa，氩气的压强约为几帕较为合适。

③溅射沉积的工艺条件　影响溅射沉积的因素很多，如溅射电压及基片电位对薄膜特性的影响最为主要。溅射电压不仅影响沉积速率，而且还影响薄膜的结构；如果对基片施加交变偏压，使其按正负性分别接受电子或离子的轰击，不仅可以净化基片基面，增强薄膜附着力，还可以改变沉积薄膜的结晶结构。此外，基片温度直接影响膜层的生长及特性。