离子镀膜

2020/1/241第四章离子镀膜§4-1离子镀原理§4-2离子镀的特点§4-3离子轰击的作用2020/1/242离子镀膜技术（简称离子镀）是美国Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出来的。离子镀的英文全称IonPlating,简称IP。2使蒸发粒子在等离子体（利用辉光放电产生）中运动，通过动量及电荷交换成为高能粒子，在基板表面形成薄膜。蒸发＋溅射相结合2020/1/2432020/1/244§4-1离子镀原理4离子镀装置示意图基片作阴极，加负高压坩埚或灯丝作阳极2020/1/2451.真空室抽至10－4Pa的高真空后，通入惰性气体（如氩气），使真空度达到1~10-1Pa。2.接通高压电源，在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。3.由于基片处于负高压并被等离子体包围，不断受到正离子的轰击，因此可有效地清除基片表面的气体和污物，使成膜过程中膜层表面始终保持清洁状态。4.紧接着，镀材气化蒸发后，蒸发粒子进入等离子区，与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子以及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，正离子在负高压电场加速作用下，淀积到基片表面成膜。由此可见，离子镀膜层的成核与生长所需的能量，不是靠加热方式获得，而是由离子加速的方式来激励的。52020/1/246实现离子镀膜的必要条件造成一个气体放电的空间；将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。离子镀膜的成膜条件在膜材原子淀积过程的同时，还存在着正离子（Ａｒ＋或被电离的蒸发离子）对基片的溅射作用。显然，只有当淀积作用超过溅射剥离作用时，才能发生薄膜的淀积过程。2020/1/247如果考虑剥离效应，则应引入溅射率概念。如轰击基片为一价正离子（如Ａｒ＋），则单位时间内轰击基片表面的离子数为式中，1.6*10-19是一价正离子的电荷量（C）；j是入射离子形成的电流密度（mA/cm2）。316219100.6310/1.610jjnjcms7若辉光空间只有金属蒸发物质，且只考虑蒸发原子的淀积作用，则单位时间内入射到单位表面上淀积的金属原子数n可用下式表示41060ANnM2020/1/248比较上面两式知，离子镀过程中，要想得到淀积薄膜，必须使淀积效应优于溅射剥离效应。即离子镀的成膜条件。而且中应包括在有附加气体时所产生的离子数。设正离子在到达基片的过程中与中性粒子的碰撞次数为时，D.G.Teer给出了离子镀过程中，由离子带到基片表面能量的近似表达式式中，－－离开负辉光区的离子数；－－基片偏压。jnnjn20222[]icKKENeVdd/Kd0NcV82020/1/249在离子镀系统中，因此，离子的平均能量为。当为1~5KV时，离子的平均能量为100~500eV。D.G.Teer测出金属的离化率只有0.1~1%，但是，由于产生了大量高能中性原子，故提高了蒸发粒子的总能量。因此，使得离子镀具有许多优点。/10ceVcV9/1/20Kd2020/1/2410§4-2离子镀的特点与蒸发和溅射相比，离子镀有如下几个特点：（1）膜层附着性好。a.在离子镀过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒子对基片表面产生阴极溅射效应，对基片表面吸附的气体和油污进行溅射清洗，使基片表面净化，直至整个镀膜过程完成。b.镀膜初期，溅射与沉积并存，可在膜基界面形成组分过渡层或膜材与基材的成分混合层，称之为“伪扩散层”，能有效改善膜层附着性能。102020/1/2411（2）膜层的致密度高（通常与大块材料密度相同）。离子镀过程中，膜材离子和高能中性原子带有较高的能量到达基片，可以在基片上扩散、迁移。而且膜材原子在空间飞行过程中即使形成蒸汽团，到达基片时也能被离子轰击碎化，形成细小的核心，生长为细密的等轴晶体。（3）绕射性能好。离子镀过程中，部分膜材原子被离化成正离子后，沿着电场的电力线方向运动，凡是电力线分布之处，膜材离子都能到达。膜材在较高压强下被电离，平均自由程小于源-基距，蒸气分子或离子在到达基片前多次碰撞，产生非定向的气体散射效应，使膜材粒子散射在整个工件周围。112020/1/2412（4）可镀材质范围广泛。可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料。（5）有利于化合物膜层的形成。在蒸发金属的同时，向真空室通入某些反应气体，则可反应生成化合物。辉光放电低温等离子体中高能电子的作用，将电能变成金属粒子的反应活化能，可在较低温下形成在高温下靠热激发才能形成的化合物。（6）淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜。通常离子镀淀积几十纳米至数微米厚膜层时，其速度较其他方镀膜法快。2020/1/2413表4-1PVD的三种基本镀膜方法比较2020/1/2414142020/1/2415§4-3离子轰击的作用离子镀膜区别于普通真空蒸发的许多特性均与离子、高速中性粒子参与镀膜过程有关。而且，在离子镀的整个过程中都存在着离子轰击。一．离化率离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一个重要指标，也是衡量活化程度的主要参量。特别在反应离子镀中更为重要。被蒸发原子和反应气体的离化程度对薄膜的各种性质都能产生直接影响。1．中性粒子的能量中性粒子所具有的能量Wv主要取决于蒸发温度高低152020/1/2416(3/2)vvEkTvvvWNE()iiiiiWNEEeU()/()/ivviivvvviW2．离子的动能离子的能量主要由阴极加速电压决定，其值为3．薄膜表面的能量活性系数薄膜表面的能量活性系数ε可由下式近似给出162020/1/2417式中，－离子镀过程中的离化率；C－可调节参数。离子镀过程中由于基片加速电压的存在，即使离化率很低也会影响离子镀的能量活性系数。在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压，其典型能量值为50～5000eV。溅射所产生的中性原子也有一定的能量分布，其平均能量约为几个电子伏。在普通的电子束蒸发中，若蒸发温度为2000K，则蒸发原子的平均能量为0.2eV。iivvEnEn/ivnn()()3/2iiiiiivvvvvvnEeUnUnCnEkTnTniU当时，可得172020/1/2418182020/1/2419二．离子轰击对基片表面的作用在薄膜淀积之前的离子轰击对基片表面的作用如下：（1）溅射清洗作用。清除基片表面所吸附的气体、各种污染物和氧化物。如入射离子能量高、活性大，还可与基片物质发生化学反应乃至发生化学溅射。（2）产生缺陷和位错网。入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶原子发生离位的最低能量时，晶格原子将会离位并迁移到晶格的间隙位置上去，从而形成空位、间隙原子和热激励。轰击粒子将大部分能量传递给基片使其发热，增加淀积原子在基片表面的扩散能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成为位错网。192020/1/2420（3）破坏表面结晶结构。如果离子轰击产生的缺陷是很稳定的，则表面的晶体结构就会被破坏而变成非晶态结构。气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。（4）气体掺入。非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。（5）表面成分变化。由于系统内各成分的溅射率不同，会造成表面成分与整体成分的不同，表面区的扩散对成分有显著的影响。高缺陷浓度和高温也会促进扩散。点缺陷易于聚集在表面，缺陷的移动会使溶质发生偏析并使较小的离子在表面聚集。202020/1/2421（6）表面形貌变化。表面经受离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率。（7）温度升高。因为轰击离子的绝大部分能量都转化成热能。2020/1/2422三．粒子轰击对薄膜生长的影响影响薄膜的形态、晶体结构、成分、物理性能相许多其它特性。（1）在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子不断增加，在膜基面形成“伪扩散层”，可以使基片和膜层材料的不匹配性分散在一个较宽的厚度区域内，缓和不匹配程度，对提高膜基界面的附着强度十分有利。（2）离子轰击的表面提供更多的成核位置，即使在非反应性系统中成核密度也较高。由于这种特有的微观结构（形貌粗糙、缺陷密度高），加之表面沾污物的清除以及阻碍扩散和反应成核的障碍层的破坏，将为淀积的粒子提供良好的核生长条件。2020/1/2423此外，膜料粒子注入表面也可成为成核位置。较高的成核密度对于减少基片与膜层界面的空隙十分有利。这也是离子镀具有良好附着力的原因之一。（3）对膜的形态和结晶组分等也有影响。离子的轰击作用，使岛上的粒子向岛沟转移，能消除柱状结晶，减轻阴影效应。而且，随着基片负偏压的增高，轰击基片离子能量也将增加，这种消除柱状结晶的效应就越显著，形成的将是均匀的颗粒状结晶。（4）内应力受到离子轰击的影响也很明显。粒子的轰击一方面迫使一部分原子离开平衡位置而处于一种较高的能量状态，从而引起内应力的增加，另一方面，粒子轰击使基片表面所产生的自加热效应又有利于原子的扩散而减小内应力。232020/1/2424因此，恰当的利用轰击的热效应或进行适当的外部加热，一方面可使内应力减小，另外，也对提高膜层组织的结晶性能有利。通常，蒸发薄膜具有张应力，溅射淀积的薄膜具有压应力，离子镀薄膜也具有压应力。（5）可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）242020/1/2425§4-3离子镀的类型按薄膜材料气化方式分类：按原子或分子电离和激活方式分类：电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、以及各种离子源。一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源(或气源、溅射源等)、高压电源、离化装置、放置基片的阴极等部分组成。2020/1/2426直流二极型离子镀直流二极型离子镀的特征是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。由于直流放电二极型离子镀设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具有一定实用价值。特别是在附着力方面优于其它的离子镀方法。2020/1/2427三极和多阴极型离子镀（二极型改进）利用热阴极发出的低能电子促进气体电离，提高蒸镀粒子的离化效果2020/1/2428（1）二阴极法中放电开始的气压为10-2Torr左右，而多阴极法为10-3Torr左右，可实现低气压下的离子镀膜。真空度比二级型离子镀的真空度大约高一个数量级。所以，镀膜质量好，光泽致密（2）二极型离子镀膜技术中，随着阴极电压降低，放电起始气压变得更高；而在多阴极方式中，阴极电压在200V就能在10-3Torr左右开始放电。特点：2020/1/2429（3）在多阴极方式中，即使气压保持不变，只改变作为热电子发射源的灯丝电流，放电电流就会发生很大的变化，因此可通过改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态。（4）由于主阴极(基板)上所加维持辉光放电的电压不高，而且多阴极灯丝处于基板四周，扩大了阴极区、改善了绕射性，减少了高能离子对工件的轰击作用，避免了直流二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。2020/1/2430活性反应离子镀膜（ARE）ActivatedReactiveEvaporation在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或掺入Ar之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种方法称为活性反应离子镀法。由于各种离子镀膜装置都可以改装成活性反应离子镀，因此，ARE的种类较多。2020/1/2431电子束热丝发射室蒸发室防止蒸发飞溅物进入电子枪工作室拦截一次电子，减小对基片的轰击2020/1/2432特点：（1）电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。采用CVD法要加热到1000℃左右，而ARE侧法只需把基片加热到500℃左右。（2）可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物