真空镀膜技术的物理

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1、第二章真空镀膜技术的物理基础Ch.2PhysicalFoundationofVacuumCoatingTechnology本章简要介绍真空镀膜所涉及的一些通用的物理概念，为以后各章的原理分析、结构设计、参数确定提供基本的理论依据。镀膜过程中，原材料的粒子（原子、离子、分子或分子团）从气相到基体表面上淀积成固态薄膜，经历了一系列相变过程，PVD还经历了由固相变为气相的过程。相变过程：固相—气相—吸附相（态）—固相PVD镀膜工艺包括离散（蒸发、溅射）过程、输运（迁移）过程、沉积（淀积）过程三部分。CVD镀膜工艺包括输运（迁移）过程、沉积（淀积）过程和穿插于二过程之间的反应过程三部

2、分。2.1离散过程的物理基础PhysicalfoundationofscatteringprocessPVD工艺中的离散过程，是将固体原材料转化为可以迁移的气相成分的步骤，常用方法有蒸发和溅射两种方法。对此二过程的分析：质量守恒及质量迁移；能量守恒及能量迁移蒸发过程分析原料固相——液相——气相少数直接升华，固相——气相如铬原料参与相变的量：首先全部液化，然后部分汽化——感应坩埚或者：只有一部分参与液化和汽化，其它只是受热升温——电子枪，激光所需要的热量：固相升温热、熔化热、液相升温热、汽化潜热热损失量：坩埚热损失溅射过程分析原料固相——气相，原料参与相变的量：只有被溅射原料参

3、与溅射过程，其它原料只是受热升温，所需能量：材料被溅射所需能量，仅占%损失能量：产生入射离子所消耗的能量；离子入射动能量转化为靶的热量损失2.2输运过程的气体分子运动论基础Moleculargasdynamicsfortransferprocess对于膜材粒子（蒸汽或溅射颗粒）的空间输运过程，常借用平衡态理想气体分子运动论的方法和结论，来描述镀膜过程中的残余气体、工作气体、甚至金属蒸汽的性质。Perfect(ideal)gasesatequilibriousstates1)气体分子的速度分布—麦氏分布Maxwelldistributionofmolecularvelociti

4、es速率分布2)分子间的空间平均碰撞次数—平均碰撞率Themeannumberofmolecularcollisions—collisionrateS-120℃，1atm，air=4.63×109s-13)离子、电子在气体分子中的平均碰撞次数Themeannumberofioncollisionsingas=2.58×103m/ss-1Themeannumberofelectroncollisionsingass-1air=5.93×105m/s4)气体分子、离子、电子的平均自由程MeanfreepathofgasmMeanfreepathofmistralgasMeanfr

5、eepathofionsingasMeanfreepathofelectronsingas5)自由程分布率Distributionoffreepath用于计算工作压力gasionsingaselectronsingas6)气体分子入射率Impingementrate—余弦定律Knudsonlaw数量Numbers-1m-2体积Volumem3s-1m2质量Masskgs-1m-2方向Direction立体角Solidangle本结论不仅用于沉积速率Depositionrate计算，也用于飞离表面的情况，蒸发速率Evaporationrate（甚至溅射速率Sputteringr

6、ate）的计算2.3气固间相互作用Interactionofgasandvaporwithsurface淀积成膜的机制mechanism：气体或蒸汽分子在固体表面的吸附Adsorption（或称粘附）吸附的分类classification：物理吸附化学吸附物理吸附physisorptionsphysicaladsorption吸附力：范氏力forceofVanDevWaals分子间力，intermolecularforce包括静电力、诱导力、弥散力物理吸附的分子力曲线和分子位能曲线P6Fig2—1表面对单一分子的吸附力：电镜像力，分子力的综合。化学吸附chemisorptio

7、nschemicaladsorption吸附力：价键力forceofvalencebond原子间力interatomicforce包括离子键、共价键、金属键、氢键化学吸附的位能曲线P9Fig2—4吸附参量：吸附几率,粘附系数stickingcoefficient（stickingprobability）=adsorptionrate/impingementrate吸附时间sojourntime:吸附热heatofadsorption：吸附过程所放出的热量物理吸附热energyofphysicaladso