真空镀膜基础及基本概念

真空镀膜：在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发（或溅射），使其沉积在被涂覆的物体（称基片、基板或基体）上的方法称为真空镀膜；主要是采用气相沉积的方式成膜，气相沉积分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积（PVD）又分为真空蒸发镀、溅射镀膜、离子镀三大类（如下图）。真空装饰镀就是属于物理气相沉积中的多（电）弧离子镀和磁控溅射相结合的技术。

多（电）弧离子镀：以镀膜材料作为靶阴极，借助于触发装置使阴极表面产生弧光放电，镀膜靶材料在电弧作用下产生无熔池蒸发并沉积在基片上的一种镀膜方式。多弧离子镀是以镀膜材料为阴极,阳极和真空室相连,阴极和阳极分别接到低压大电流直流电源的负极和正极。蒸镀时由于放电,在阴极表面上出现明亮的弧斑, 从而使阴极材料蒸发并电离, 形成金属等离子体。引弧电极与阴极靶表面接触和离开的瞬间,阴极和阳极之间形成稳定的自持弧光放电。电弧电流一般为几安至几百安,工作电压为10-25V,这时阴极表面的全部电流集中在一个或多个很小的部位 , 形成明亮的阴极弧斑 , 阴极弧斑的直径为0.01-100um, 并以高达100m/s的速度在阴极靶表面随机运动 , 也可以利用磁场控制阴极弧斑的运动。在阴极弧斑的前方是高密度的金属等离子体, 由于电子向阳极快速移动而使阴极斑点前方出现离子堆积即形成正空间电荷 , 从而在阴极附近形成极强的电场, 导致场电子发射以维持弧光放电。另外部分离子对阴极的轰击又使阴极斑点局部快速蒸发并在空间迅速离化,使这些阴极弧斑点变成微小蒸发源,这些微小蒸发源在磁场和屏蔽绝缘的作用下束缚在阴极靶面做无规则运动,从而形成大面积均匀的蒸发源,喷发出电子、离子、熔融的金属材料和原子。大部分是离子和熔融粒子,在偏压作用下,离子流在基体上凝聚成金属、合金或化合物薄膜。
该装置的优点是阴极电弧源既是蒸发源和离化源 ,又是加热源和轰击源,不用熔池,弧源可任意方位,多源布置。离化率高,一般可达60%-80%蒸发沉积速率快, 入射粒子能量高,沉积膜的质量和附着性能好。可蒸发各种导电材料,金属或合金, 成份不受限制。能进行反应镀膜,缺点是易于产生液滴,组织不致密。


磁控溅射离子镀：
什么是辉光放电？辉光放电是指在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。

溅射－用带有几十电子伏以上动能的粒子或粒子束照射固体表面，靠近固体表面的原子会获得入射粒子所带能量的一部分进而向真空中放出，这种现象称为溅射。

磁控溅射:借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域，来增强电离效率，增加离子密度和能量，因而在低电压大电流下取得很高的溅射速率。
电子在电场作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，若电子具有足够的能量时， 则电离出氩离子和另一个电子（二次电子）。电子飞向基片，氩离子在电场作用下加速飞向阴极 （溅射靶） 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， 二次电子在加速飞向基片时受磁场的洛仑兹力作用以摆线和螺旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。电子的运动路径不仅很长，而且被电磁场束缚在靠近靶表面的等离子体
控溅射工作原理在溅射粒子中‘区域内，在该区中电离出大量的氩离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射沉积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子的能量逐渐降低,同时逐步远离靶面。低能电子沿着磁力线来回振荡，待电子能量将耗尽时，在电场的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子将直接飞向基片。但是在磁控溅射装置中， 磁极轴线处离子密度很低， 所以这类电子很小，对基片温升作用不大。
综上所述，磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子运动方向， 束缚和延长电子的运动轨迹， 从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此在形成高密度等离子体的异常辉光放电中正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，同时受正交电磁场的束缚的电子只能在其能量将要耗尽时才能沉积在基片上。这就是磁控溅射具有 “低温”、“高速” 两大特点的机理。