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1 真空蒸发镀膜 1

1.1 概述 1

1.2 真空蒸发镀膜基础理论 1

1.2.1 真空蒸发镀膜的物理过程 1

1.2.2 蒸发镀膜的真空条件 2

1.2.3 真空镀膜的蒸发条件 3

1.2.4 膜材的蒸发速率 7

1.2.5 残余气体对膜层的影响 8

1.2.6 蒸镀粒子在基片上的沉积 9

1.3 蒸发源 10

1.3.1 电阻加热式蒸发源 10

1.3.2 电子束加热蒸发源 13

1.3.3 感应加热式蒸发源 16

1.3.4 空心热阴极电子束蒸发源 17

1.3.5 激光加热蒸发源 18

1.3.6 电弧加热蒸发源 19

本章小结 19

思考题 19

2 真空溅射镀膜 20

2.1 溅射镀膜原理 20

2.2 溅射与沉积成膜 21

2.2.1 放电溅射模式 21

2.2.2 溅射原子的能量与角分布 23

2.2.3 溅射产额与溅射速率 23

2.2.4 薄膜沉积 27

2.2.5 沉积速率 28

2.3 溅射镀膜方法 31

2.4 直流二级溅射 32

2.5 磁控溅射 33

2.5.1 磁控溅射工作原理 34

2.5.2 磁场在磁控溅射中的作用 35

2.5.3 磁控溅射镀膜的特点 36

2.5.4 平面磁控溅射靶 36

2.5.5 圆柱形磁控溅射靶 40

2.5.6 传统平面磁控溅射靶存在的问题 43

2.6 射频（RF）溅射 44

2.7 非平衡磁控溅射 45

2.7.1 非平衡磁控溅射原理 45

2.7.2 非平衡磁控溅射与平衡磁控溅射比较 46

2.8 反应磁控溅射 48

2.8.1 反应溅射的机理 49

2.8.2 反应溅射的特性 49

2.9 中频交流反应磁控溅射 50

2.9.1 中频交流磁控溅射原理 50

2.9.2 中频双靶反应溅射的特点 52

2.10 非对称脉冲溅射 53

2.11 离子束溅射 54

本章小结 55

思考题 56

3 真空离子镀膜 57

3.1 离子镀的类型 57

3.2 真空离子镀原理及成膜条件 58

3.2.1 离子镀原理 58

3.2.2 离子镀的成膜条件 59

3.3 等离子体在离子镀膜过程中的作用 60

3.3.1 离子镀过程中的离子轰击效应 60

3.3.2 离子轰击对膜／基界面的影响 61

3.4 离子镀中基片负偏压的影响 61

3.5 离子镀的离化率 61

3.6 离子镀膜工艺及其参数选择 62

3.6.1 镀膜室的气体压力 62

3.6.2 反应气体的分压 62

3.6.3 蒸发源功率 63

3.6.4 蒸发速率 63

3.6.5 蒸发源和基片间的距离 63

3.6.6 基片的负偏压 63

3.6.7 基体温度 64

3.7 离子镀的特点及应用 64

3.7.1 离子镀的特点 64

3.7.2 离子镀技术的应用 64

3.8 直流二极型离子镀装置 65

3.9 射频放电离子镀装置 67

3.10 空心阴极离子镀 68

3.10.1 空心阴极离子镀工作原理及设备 68

3.10.2 HCD枪结构及工作特性 69

3.10.3 HCD离子镀的特点 70

3.11 真空阴极电弧离子镀 70

3.11.1 概述 70

3.11.2 真空阴极电弧离子镀工作原理 71

3.11.3 真空阴极弧光放电特性 71

3.11.4 电弧离子镀工作过程 72

3.11.5 阴极电弧蒸发源 73

3.11.6 真空阴极电弧离子镀设备中的其他装置 76

3.11.7 真空电弧离子镀中的大颗粒抑制与消除 78

3.12 磁控溅射离子镀 80

3.12.1 磁控溅射离子镀的工作原理 80

3.12.2 磁控溅射偏置基片的伏安特性 81

3.12.3 提高偏流密度的方法 81

本章小结 83

思考题 83

4 真空等离子增强化学气相沉积技术 84

4.1 概述 84

4.1.1 CVD技术的基本原理 84

4.1.2 CVD技术的类型、应用及特点 86

4.2 等离子体增强CVD（PECVD）技术 87

4.2.1 PECVD技术原理与特征 87

4.2.2 PECVD技术的特点 90

4.2.3 PECVD技术的应用 91

4.3 直流等离子体化学气相沉积 92

4.4 射频等离子体化学气相沉积 94

4.4.1 RF-PECVD装置分类 95

4.4.2 电容耦合RF-PECVD装置 95

4.4.3 电感耦合RF-PECVD装置 98

4.5 微波等离子体CVD沉积（MPCVD） 100

4.5.1 微波等离子体CVD装置 100

4.5.2 微波等离子体CVD的应用 103

4.6 激光化学气相沉积（LCVD） 104

4.6.1 LCVD基本原理 104

4.6.2 LCVD沉积设备 106

4.6.3 LCVD的应用 108

4.7 金属有机化合物CVD沉积（MOCVD） 109

4.7.1 MOCVD沉积设备 109

4.7.2 MO源 112

4.7.3 MOCVD沉积的特点 113

4.7.4 MOCVD的应用 114

本章小结 114

思考题 115

5 离子注入与离子辅助沉积技术 116

5.1 离子注入概述 116

5.2 离子注入设备 117

5.3 强束流离子源 119

5.3.1 强束流离子源的分类 119

5.3.2 强束流离子源主要设计参数 120

5.3.3 双等离子体离子源 121

5.3.4 潘宁离子源 122

5.3.5 高频放电离子源 124

5.3.6 金属蒸气真空弧放电离子源（MEVVA离子源） 125

5.4 离子注入表面改性机理 125

5.4.1 离子注入提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度的机理 125

5.4.2 离子注入改善材料疲劳性能的机理 126

5.4.3 离子注入提高材料表面耐腐蚀性能的机理 126

5.4.4 离子注入提高材料抗氧化性能的机理 126

5.5 离子注入技术的特点 127

5.6 离子束辅助沉积技术 128

5.6.1 概述 128

5.6.2 离子束沉积技术机理 129

5.6.3 离子束辅助沉积方式 130

5.6.4 离子束辅助沉积装置 132

5.6.5 离子束辅助沉积离子源 134

本章小结 137

思考题 137

6 真空镀膜机结构设计 138

6.1 真空镀膜机设计概述 138

6.2 真空镀膜室设计 138

6.2.1 基本设计原则 138

6.2.2 镀膜室的材料选择与焊接要求 139

6.2.3 镀膜室壁厚的设计概述 140

6.2.4 圆筒形镀膜室壳体的设计计算 141

6.2.5 圆锥形镀膜室壳体的设计 147

6.2.6 盒形镀膜室壳体设计 148

6.2.7 真空镀膜室的压力试验 150

6.2.8 真空镀膜室门的设计 151

6.2.9 镀膜室的冷却结构设计 152

6.3 镀膜室升降机构的设计 153

6.3.1 机械提升机构 153

6.3.2 液压提升机构 155

6.3.3 气动液压结合的提升机构 155

6.3.4 真空镀膜室的复位 156

6.4 镀膜室工件架的设计 156

6.4.1 常用工件架的结构形式 157

6.4.2 工件架的转速 160

6.5 真空镀膜机的加热与测温装置 160

6.5.1 加热方式及其装置 160

6.5.2 测温方式与装置 162

6.5.3 真空室内引线设计 164

6.6 真空镀膜机的挡板机构 164

6.7 真空镀膜机抽气系统的设计 165

6.7.1 真空镀膜设备对抽气系统的要求 165

6.7.2 镀膜机抽气系统的放气量计算 166

6.7.3 真空泵的选择 167

本章小结 170

思考题 170

7 镀膜源的设计计算 171

7.1 蒸发源的设计计算 171

7.1.1 电阻加热式蒸发源的热计算 171

7.1.2 e型枪蒸发源的设计计算 172

7.1.3 感应加热式蒸发源的结构设计 176

7.1.4 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布 179

7.2 磁控溅射靶的设计 188

7.2.1 靶磁场的设计原则 188

7.2.2 磁控溅射靶设计方法 189

7.2.3 靶磁场的设计计算 191

7.2.4 靶永磁体的设计 202

7.2.5 靶水冷系统的设计计算 203

7.2.6 靶材的设计选择 205

本章小结 207

思考题 207

8 薄膜厚度的测量与监控 208

8.1 光学测量方法 208

8.1.1 光学干涉法 208

8.1.2 椭偏仪法 209

8.1.3 极值法 210

8.1.4 波长调制法（振动狭缝法） 211

8.1.5 原子吸收光谱法 211

8.2 机械测量方法 212

8.2.1 轮廓仪法 212

8.2.2 显微镜观察断口 213

8.2.3 称重法测量薄膜的厚度 214

8.3 电学测量方法 214

8.3.1 石英晶体振荡法 214

8.3.2 电离式监控计法 215

8.3.3 面电阻法 216

本章小结 218

思考题 218

9 表面与薄膜分析检测技术 219

9.1 概述 219

9.2 表面与薄膜分析方法分类 221

9.2.1 表面形貌分析 221

9.2.2 表面成分分析 222

9.2.3 表面结构分析 223

9.2.4 表面电子态分析 223

9.2.5 表面原子态分析 223

9.3 表面与薄膜的力学性能表征 224

9.3.1 硬度和弹性模量测试 224

9.3.2 薄膜与基体的结合力测试 225

9.3.3 表面与薄膜的摩擦系数及耐磨性检测 227

9.4 表面与薄膜的组织形貌及晶体结构分析 228

9.4.1 光学显微分析 229

9.4.2 扫描电子显微分析 229

9.4.3 透射电子显微分析 231

9.4.4 扫描探针显微分析 233

9.4.5 X射线衍射分析 237

9.4.6 低能电子衍射与反射式高能电子衍射 238

9.4.7 激光拉曼光谱分析 239

9.5 表面与薄膜的成分表征方法 240

9.5.1 X射线能量色散谱和X射线波长色散谱 241

9.5.2 俄歇电子能谱 242

9.5.3 X射线光电子能谱 243

本章小结 245

思考题 246

参考文献 247