1前言

從實(shí)際或者理論上來說，最簡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)律可以通過建立氣體動(dòng)力學(xué)模型來計(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)備制造來說，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，此公司開發(fā)了發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)品，應(yīng)用于現(xiàn)在隨處可見的紅綠燈上。90年代后期，該公司還開發(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。
從理論上來說，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。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)的厚膜來滿足不同的需要，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