超高真空技术在表面处理系统中的应用

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1前言

从实际或者理论上来说，最简单的表面处理超高真空系统是1968年由贝尔实验室的A．Y．CHO和J．R．Arthur发明的分子束外延(MBE)设备，并且由物理电子公司的Arthuretal进一步发展完善(图1)。
在超高真空亚稳态热环境中，原子或分子的运动规律可以通过建立气体动力学模型来计算。为了进一步研究的需要，基底表面须达到原子级清洁，以获得高质量的样品。
20世纪七十年代，IBM公司的LeoEsaki通过使用多源分子束外延系统，最先研制出多层薄膜的电子设备。为获得所需精度，改进了计算机过程控制技术。
对于今天的电子、光子、光电子和磁电子设备制造来说，多层膜结构的形成仍采用传统工艺，每层薄膜的厚度可在1nm到100nm之间。
磁随机存储目前正处于研发中，使用物理气相沉积法制备多层金属薄膜(图2)，而超高真空环境有利于制备金属薄膜。在超高真空系统中钽层的形成显然是一个关键过程(图3)。
Tohoku大学ERATO实验室(1981～1986)的J.NISHIZAWA利用游离于基底表面的热气体合成出了完美的分层Ga—As—Ga—As晶体表面，气体组分为((CH3)3Ga)和(AsH3)或((C2H5)3Ga)和(AsH3)。实验室将此技术转让给某工业公司，此公司开发了发光二极管(LED)产品，应用于现在随处可见的红绿灯上。90年代后期，该公司还开发了蓝色光二极管(OaN)。由于发光二极管系列的节约能源等各方面优势，它们已经普遍取代了普通灯泡。
通过化学气相逐层沉积得到的单层膜，现在已被广泛应用到半导体工业的原子层沉积(ALD)技术上。
从理论上来说，化学气相沉积可应用于大面积基片上，此基片应充分均匀，并且三维微结构表面缺陷很少。反应时，充入适当比例的混合蒸气，使游离气体发生化学反应，在表面形成单层沉积膜。蒸气的注入和抽气过程的控制应该十分迅速精确，以避免任何途径的污染：对于单层膜形成(CVD—ALD)过程，编程控制的短时间间隔单元处理应该可重复操作。
在活性材料的处理中采用超高真空是由于这一系列过程中都要求极清洁的环境。典型超高真空的测量采用全压力真空规。CVD和其它多层薄膜制备过程都要求真空环境中完全不含原子、分子和其它粒子等污染物，这种比超高真空更清洁的环境称为超清洁环境，其污染物检测需使用分析仪器。使用超高真空残余气体分析仪是一种检测方法，但目前在很多应用场合下仍有不完善之处。
1960年中期DonMattox发明了基于离子镀过程的PVD方法，大约在1970年初期市场上出现了刀具的PVD硬质镀层和耐用商品的PVD装饰镀膜。其它的等离子体过程，如扩散电弧和溅射技术发展了PVD工艺，使之应用到各种产品上来。当日本真空(Hayashi)在60年代后期首先使离子镀商品化时，考虑到在真空处理过程中的可靠性和再生产，他们选用氮化物(TiN，CrN)。如果在等离子体中充入碳氢化合物蒸气，将会生成不确定的碳氢化合物分子，最终这些分子会堆积在真空室器壁上，这些污染物解吸并返回到真空室内，改变了等离子体的组成。因此，实现操作的首要条件是在真空系统的内壁获得物化性能稳定的表面。经验证，在大多数情况下，硬质薄膜的最适宜厚度都在几个微米范围，膜层边界不必像在MBE和ALD处理中要求的达到原子和原子之间或单层结构那样严格。在全面考虑市场反馈信息时，硬质薄膜或装饰薄膜必须要设计各种结构的厚膜来满足不同的需要，比如要提高颜色敏感度就要采用特殊结构的膜。通过改变处理参数，可在表面生成硬度、韧性和抗腐蚀性都较好的合成膜或多层膜。
产生单色软X-射线等光束的大型电子储存环使用的高场强磁铁上镀有无缺陷TiN薄膜。储存环在极高真空中工作。TiN薄膜(利用空心阴极放电制备)能很好阻止稀土材料大量放气。
不管是PVD还是CVD方法，真空中表面边界层的形成都应该建立在分子或原子的排列上，尤其是在边界处，从表面分析仪器得