1前言

從實(shí)際或者理論上來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的表面處理超高真空系統(tǒng)是1968年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的A．Y．CHO和J．R．Arthur發(fā)明的分子束外延(MBE)設(shè)備，并且由物理電子公司的Arthuretal進(jìn)一步發(fā)展完善(圖1)。
在超高真空亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境中，原子或分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以通過(guò)建立氣體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)計(jì)算。為了進(jìn)一步研究的需要，基底表面須達(dá)到原子級(jí)清潔，以獲得高質(zhì)量的樣品。
20世紀(jì)七十年代，IBM公司的LeoEsaki通過(guò)使用多源分子束外延系統(tǒng)，最先研制出多層薄膜的電子設(shè)備。為獲得所需精度，改進(jìn)了計(jì)算機(jī)過(guò)程控制技術(shù)。
對(duì)于今天的電子、光子、光電子和磁電子設(shè)備制造來(lái)說(shuō)，多層膜結(jié)構(gòu)的形成仍采用傳統(tǒng)工藝，每層薄膜的厚度可在1nm到100nm之間。
磁隨機(jī)存儲(chǔ)目前正處于研發(fā)中，使用物理氣相沉積法制備多層金屬薄膜(圖2)，而超高真空環(huán)境有利于制備金屬薄膜。在超高真空系統(tǒng)中鉭層的形成顯然是一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程(圖3)。
Tohoku大學(xué)ERATO實(shí)驗(yàn)室(1981～1986)的J.NISHIZAWA利用游離于基底表面的熱氣體合成出了完美的分層Ga—As—Ga—As晶體表面，氣體組分為((CH3)3Ga)和(AsH3)或((C2H5)3Ga)和(AsH3)。實(shí)驗(yàn)室將此技術(shù)轉(zhuǎn)讓給某工業(yè)公司，此公司開(kāi)發(fā)了發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)品，應(yīng)用于現(xiàn)在隨處可見(jiàn)的紅綠燈上。90年代后期，該公司還開(kāi)發(fā)了藍(lán)色光二極管(OaN)。由于發(fā)光二極管系列的節(jié)約能源等各方面優(yōu)勢(shì)，它們已經(jīng)普遍取代了普通燈泡。
通過(guò)化學(xué)氣相逐層沉積得到的單層膜，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用到半導(dǎo)體工業(yè)的原子層沉積(ALD)技術(shù)上。
從理論上來(lái)說(shuō)，化學(xué)氣相沉積可應(yīng)用于大面積基片上，此基片應(yīng)充分均勻，并且三維微結(jié)構(gòu)表面缺陷很少。反應(yīng)時(shí)，充入適當(dāng)比例的混合蒸氣，使游離氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在表面形成單層沉積膜。蒸氣的注入和抽氣過(guò)程的控制應(yīng)該十分迅速精確，以避免任何途徑的污染：對(duì)于單層膜形成(CVD—ALD)過(guò)程，編程控制的短時(shí)間間隔單元處理應(yīng)該可重復(fù)操作。
在活性材料的處理中采用超高真空是由于這一系列過(guò)程中都要求極清潔的環(huán)境。典型超高真空的測(cè)量采用全壓力真空規(guī)。CVD和其它多層薄膜制備過(guò)程都要求真空環(huán)境中完全不含原子、分子和其它粒子等污染物，這種比超高真空更清潔的環(huán)境稱(chēng)為超清潔環(huán)境，其污染物檢測(cè)需使用分析儀器。使用超高真空殘余氣體分析儀是一種檢測(cè)方法，但目前在很多應(yīng)用場(chǎng)合下仍有不完善之處。
1960年中期DonMattox發(fā)明了基于離子鍍過(guò)程的PVD方法，大約在1970年初期市場(chǎng)上出現(xiàn)了刀具的PVD硬質(zhì)鍍層和耐用商品的PVD裝飾鍍膜。其它的等離子體過(guò)程，如擴(kuò)散電弧和濺射技術(shù)發(fā)展了PVD工藝，使之應(yīng)用到各種產(chǎn)品上來(lái)。當(dāng)日本真空(Hayashi)在60年代后期首先使離子鍍商品化時(shí)，考慮到在真空處理過(guò)程中的可靠性和再生產(chǎn)，他們選用氮化物(TiN，CrN)。如果在等離子體中充入碳?xì)浠衔镎魵猓瑢?huì)生成不確定的碳?xì)浠衔锓肿樱罱K這些分子會(huì)堆積在真空室器壁上，這些污染物解吸并返回到真空室內(nèi)，改變了等離子體的組成。因此，實(shí)現(xiàn)操作的首要條件是在真空系統(tǒng)的內(nèi)壁獲得物化性能穩(wěn)定的表面。經(jīng)驗(yàn)證，在大多數(shù)情況下，硬質(zhì)薄膜的最適宜厚度都在幾個(gè)微米范圍，膜層邊界不必像在MBE和ALD處理中要求的達(dá)到原子和原子之間或單層結(jié)構(gòu)那樣嚴(yán)格。在全面考慮市場(chǎng)反饋信息時(shí)，硬質(zhì)薄膜或裝飾薄膜必須要設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)的厚膜來(lái)滿(mǎn)足不同的需要，比如要提高顏色敏感度就要采用特殊結(jié)構(gòu)的膜。通過(guò)改變處理參數(shù)，可在表面生成硬度、韌性和抗腐蝕性都較好的合成膜或多層膜。
產(chǎn)生單色軟X-射線等光束的大型電子儲(chǔ)存環(huán)使用的高場(chǎng)強(qiáng)磁鐵上鍍有無(wú)缺陷TiN薄膜。儲(chǔ)存環(huán)在極高真空中工作。TiN薄膜(利用空心陰極放電制備)能很好阻止稀土材料大量放氣。
不管是PVD還是CVD方法，真空中表面邊界層的形成都應(yīng)該建立在分子或原子的排列上，尤其是在邊界處，從表面分析儀器得