镀膜玻璃工艺理论与实践(技术推广)

一、溅射的引入

有很多种方法可以在一个基片上沉积薄膜。如何选择取决于应用的领域和生产的成本。其中比较常 用的方法是：

☆蒸发或物理气相沉积（PVD）

这是一种将材料从一个材料源上蒸发出来再凝结到基片上的热过程。经常采用电子束枪和导电皿来 加热蒸发源材料。蒸发工艺比较适合以批次的形式来沉积高性能的光学过滤膜。

☆化学气相沉积（CVD）

气体反应物在受热或在等离子体中都会发生分解。分解了的气体会发生化学反应并形成一个新粒子， 然后这种新粒子会在基片上凝结成一层膜。CVD 方法可以用于大批量生产薄膜，但是与溅射相比， 它生产所的膜层的性能比较差。

☆溅射

镀膜生产线采用溅射工艺来沉积薄膜。这种方法非常适合于大批量地生产优质薄膜膜层。 溅射是一种技术，它可以在基片（玻璃）上沉积出高质量的、用于控制光线和太阳能的膜层。溅射就是对一个靶的轰击，通过物理的方法使被沉积的材料源的离子从靶上脱离并从表面崩射出来，然后撞击并附着在基片上。

溅射镀膜过程是将基片置于真空室体中来实现的，而这些真空室体是经过特殊设计的阴极和工艺气 体的。在阴极（即靶）上施加负电压，当真空室体内达到适当的环境（或条件）进行起辉辉光放电（等离子体）。这种辉光等离子体与氖光灯泡所产生的发光效果类似。

由此，带正电的气体原子（离子）受到带负电的靶的表面的吸引。正原子对负电位的靶的撞击非常 强烈，使得靶上的原子从靶表面崩射出来并沉积在玻璃上，从而形成了一层非常薄的、原子依次排 列的膜层。这种技术不仅能够沉积纯金属元素，也能沉积合金和化合物材料。同时，将工艺气体变 成可以与靶材发生反应的气体，还可以得到氮化物或氧化物等新的化合物。

二、分子行为Molecular Behavior

如上所述，溅射就是将沉积材料的原子逐个地从一个区域传输到另一个区域，最后形成一个薄膜的 过程。所以，每一片甚至每天的最终产品都必须具有足够的耐久性而且一致。

为了理解溅射对于有效性和可靠性的要求，我们必须首先明白分子的行为和相互作用。因此，我们 第一要讲述的是离子的形成，其次是离子和靶的相互作用，最后是靶材所产生的薄膜的形式。

2.1 电子/分子碰撞

我们的研究从电子和分子撞击的相互作用开始，首先是单个分子和单个自由电子。如果向电子施加能量，它就会开始向分子移动并发生碰撞。

有几种增加电子能量的不同方法：一种是在正负电极上施加电压，从而形成一个电场，使电子向正 电势（电极）加速移动；还有一种是加热，使电子和分子形成热激发；或者是用光线进行照射（电 磁辐射），这种方法也象加热一样可以增加电子和分子的能量。在溅射工艺中，通常采用加载电能的 方法来施加外部能量。

人们一般采用电子伏特（eV）来衡量能量的数量或者能级。一个eV就是任何带有单位电荷的带电粒 子（即一个电子）在电场中迁移一伏特电势差所获得的能量（1eV = 1.6 x 10-12 erg = 1.6 x 10-19 j）。 换言之，一个电子在一伏特的电场中加速所获得的能量就是 1eV。如果电场提高到 100V，电子获得 的能量就是 100eV。现在，我们就假设有一个已知能量级的电子向分子运动并发生碰撞。

在碰撞中，弹性碰撞和非弹性碰撞都会发生。如果碰撞时电子只是简单地弹回并改变方向，而没有 发生速度或能量的损失，即没有动能转化成其它能量形式，那么这种碰撞就叫做弹性碰撞。

如果电子将部分能量传递给了分子并降低了速度，那么发生的就是非弹性碰撞。分子的变化要根据 传递的能量数而定。

2.2 电离Ionization

如果传递的能量超过了离化电势，分子就会发生电离。在撞击的作用下，电子会从分子中脱离出来， 剩下的分子则带有一个正的净电荷（见下图）。

电离

一次电离碰撞会产生一个离子和两个自由电子（一个是原始的电子，另一个是从分子中释放出来的 电子）。这两个电子都是低能电子，但是它们在电场的作用下会重新加速。电离可能是多个电子和分 子碰撞的共同结果。一个撞击到分子上的电子能够传输一些能量，但是这些能量并不足以使分子发 生电离，然后又有其它的电子撞击到分子上，并传递给它足够的能量，从而最终引起电离。

每一种元素的离化电势都不相同。惰性气体、氧气和氮气的离化电势见下表。

离化电势

2.3 复合Recombination

电离的分子不会一直保持着电离的状态。带正电的粒子总是会吸引带负电的粒子（电子），或被带负电的元素吸引。离子和电子的复合可以形成一个和原来一样的中性分子。在这个过程中，会以电磁

波的形式释放出能量。

2.4 激发Excitation

如果电子与原子的碰撞是非弹性的，但是电子传输给原子的能量又不足以引起电离，那么就会发生 一种截然不同的过程：束缚电子不会完全脱离原子，而 是跃迁到原子中能级更高的电子层中（见激发和弛豫图）。这个过程就是激发。氩的激发电势略微小于15.76eV 的离化电势，为11.56eV。原来的电子会损失与激发电势相同的动能，并被反弹回来。

激发和弛豫

2.5 弛豫Relaxation

束缚电子的激发是一种不稳定的状态，电子结构会经过一次或多次的变迁回复到它的初始状态（或变迁都会伴随着电磁辐射（EMR）的发生，即会发射出光子。这些的光而是很多原子发生碰撞，其中某些非弹性碰撞会造成电离，而某些碰撞会造成激蓝色2.3 形基态）。这种现象叫做弛豫。每次光子是一种特殊的能量，它的数值相当于电子结构中两个相关层的能量差。能量在视觉范围内子是可见的。

某些元素（包括惰性气体）在这个激发状态下存在的时间相对比较长。不过，人们一般把这个状态称为亚稳定分子。亚稳定分子之间、亚稳定分子与中性分子之间以及亚稳定分子与电子之间的碰撞都会引起亚稳定分子的电离。例如，如果氩离子处于激发状态，只需要另外再获得4.2eV的能量就会达到离化电势。

如果不是一个原子发。换言之，电离的气体会发出辉光，每种气体的辉光都具有一种特征颜色。纯氩气的辉光是的，氮气是红色的，而氧气则是白色的。

三、形成等离子体的其他要素

形成和保持等离子体所必须的另一个要素是气体压强。如果电极距离和加载电压确定，那么相应的维持等离子体的气体压强范围也就确定了。在我们的应用中，辉光放电所必须的气压范围是10-2 ~ 10-4 torr。低于这个气压就没有足够的原子来提供持续的电离所必须的大量碰撞。如果高于这个气压，电子/分子的平均自由程就会过短，从而对产品（膜层）造成负面的影响。

四、等离子体特性

充入室体的气体的上部。两个电极用于加载外为了维持等离子体，我们需要较低的气体压强和外部能量来保持适当的平均自由程，外部能量一般是通过电压和电流来加载的。充入室体的气体的上部。两个电极用于加载外部能量：作为原始电子发射源的负电极就是阴极，吸引电子的正电极就是阳极。阴极和阳极之间的空间布满了等离子体。其它的气体分子则充斥在室体的其它部分内。在施加电压的加速下，电子离开阴极并进入充斥在室体中的气体里，并在这里与气体分子发生碰撞。某些分子被电离，而另外一些被激发，并最终集结到阳极上。离化作用不断生成着离子–电子对（每一次电离的结果就会产生一个新的自由电子和一个正离子），同时复合作用也消耗着离子–电子对。由于这些离子–电子对不断重复着这两个过程，所以充斥在空间中的等离子体保持着总（净）的电中性。

辉光放电与电场强度

有两个独立的发光等离子体区域。离阴极最近的辉光叫做阴极辉光；另外一个发光等离子体区域叫阳极发光区。 靠近阴极和阳极而比较暗的区域叫做暗区。阴极附近的暗区叫做克鲁克 Kruck 暗区，而阴极和阳极够的能量（eV）去电离分子，只有在电子进入室体并飞行一段距离之后才会发生电离过程。由于在靠近阴极的第一个区域几乎没有几个受激分子，因此这里很暗。因为整个等离子体

在等离子体中没有电势差，就是说没有任何电场。在这种情况下，等离子体中的辉光之间的另一个暗区叫做法拉第Farady暗区。辉光区、暗区、贯穿整个室体纵长的电势以及电极之间的电场密度都是密切相关的。就是一个长辉光放电管的电势分布图。阴极和阳极之间的电场密度并不均匀。根据发现，阴极附近的暗区（即克鲁克暗区）处的电场密度是最强的。电子和离子这些带电粒子就是在这个区域得到最大的加速度的。电子必须经过一个足够长的距离才能获得足呈现电中性，所以电子不会受到加速。除非发生碰撞，否则它们只是按照原来的路径飞行而不会获得能量。 这就是说只有靠近等离子体边缘附近的电子和离子会受到加速，使它们向对应的电极移动：电子向阳极、离子向阴极。电极附近的加速最强，或者说在阴极和阳极附近电场对它们的加速最强烈。如果缩短电极之间的距离，阳极光区和暗区就会消失，只剩下阴极和阳极暗区以及阴极辉光。这就是通常发生在溅射过程中的情况。在很短的发光室体中，通过等离子体的电流量是由施加的电压来控制的，这对于我们来说非常重要。如果电流非常低，仅仅够形成等离子，就会出现很暗的放电，只能看见很淡的辉光。这就要求一个非常高的电压来起辉。如果提高电流（通常叫做正常辉光），由于离子撞击阴极并引起二次电子辐射，则用来维持电流的电压就可以比较低（详情见后面的章节）。继续提高电流，穿过放电的电压就会再次开始提高。习惯上把这叫做异常辉光，是溅射中的正常操作。

短（溅射）辉光放电管

空间电荷如前所述，等离子体的总体电荷表现为中性，同时在整个等离子体上不会产生空间电荷。可是在等离子体的区域内，确实产生会空间电荷。例如，如果插入等离子体的基片没有接地，就会带电。正离子和负电子都会对基片进行轰击。由于又小又快的电子在数量上超过又重又慢的离子，基片相对于等离子体就会积累上负电荷。这个负电荷会排斥其它的电子，所以电荷会达到某一个值就不再会 增加了。一般来说，这个值相对于等离子体大约有几伏特。

由于等离子体中靠近基片的电子受到排斥，基片附近的空间电荷（即势垒）就会变成正电位。由于 等离子体辉光依赖于电流，而该区域缺乏电子，所以这个区域变得比较暗。这就是暗区。除非具有 足够穿过暗区的能量，否则所有通过等离子体并接近基片的电子都会受到排斥。

（待续）