6 第四章 離子鍍膜

1、第四章第四章 離子鍍是在真空條件下，利用離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電氣體放電使氣體使氣體或被或被蒸發(fā)蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊離子轟擊作用的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基作用的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基片上。片上。 離子鍍把離子鍍把氣體的輝光放電、等離子體技術(shù)與真氣體的輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合在一起，不僅明顯地提高了鍍結(jié)合在一起，不僅明顯地提高了鍍層的各種性能，而且大大地?cái)U(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用層的各種性能，而且大大地?cái)U(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。范圍。 近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都得到迅速發(fā)展。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都

2、得到迅速發(fā)展。 離子鍍膜的原理離子鍍膜的原理 離子鍍膜的特點(diǎn)離子鍍膜的特點(diǎn) 離子轟擊的作用離子轟擊的作用 離子鍍膜的類型離子鍍膜的類型本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)q 離子鍍膜系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)離子鍍膜系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 基片為陰極，蒸發(fā)源為陽(yáng)極，基片為陰極，蒸發(fā)源為陽(yáng)極，建立一個(gè)低壓氣體放電的等離建立一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)；子區(qū)； 鍍材被氣化后，蒸發(fā)粒子進(jìn)鍍材被氣化后，蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū)被電離，形成離子，入等離子區(qū)被電離，形成離子，被電場(chǎng)加速后淀積到基片上成被電場(chǎng)加速后淀積到基片上成膜；膜； 淀積和濺射同時(shí)進(jìn)行；淀積和濺射同時(shí)進(jìn)行；離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)q 離子鍍膜的成膜條件離

3、子鍍膜的成膜條件淀積過(guò)程：淀積過(guò)程：濺射過(guò)程：濺射過(guò)程：41060ANnM316219100.63 10/1.6 10jjnj cmsjnnq 實(shí)現(xiàn)離子鍍膜的必要條件實(shí)現(xiàn)離子鍍膜的必要條件 造成一個(gè)氣體放電的空間；造成一個(gè)氣體放電的空間； 將鍍料原子將鍍料原子( (金屬原子或非金屬原子金屬原子或非金屬原子) )引進(jìn)引進(jìn)放電空間，使其部分離化。放電空間，使其部分離化。為淀積原子在基片表面的淀積速率；為淀積原子在基片表面的淀積速率；為薄膜質(zhì)量密度；為薄膜質(zhì)量密度；M M為淀積物質(zhì)的摩為淀積物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；爾質(zhì)量；N NA A阿佛加德羅常數(shù)。阿佛加德羅常數(shù)。j是入射離子形成的電流密度是入射離子形成的

4、電流密度離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 膜層附著性好；膜層附著性好；濺射清洗，偽擴(kuò)散層形成濺射清洗，偽擴(kuò)散層形成 膜層密度高（與塊體材料相同）；膜層密度高（與塊體材料相同）；正離子轟擊正離子轟擊 繞射性能好；繞射性能好； 可鍍材料范圍廣泛；可鍍材料范圍廣泛； 有利于化合物膜層的形成；有利于化合物膜層的形成； 淀積速率高，成膜速率快，可鍍較厚的膜；淀積速率高，成膜速率快，可鍍較厚的膜； 清洗工序簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。清洗工序簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。表表4-1給出了給出了PVD的三種基本鍍膜方法的比較的三種基本鍍膜方法的比較離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 薄膜中的缺陷密度較高，薄膜與基片的過(guò)渡區(qū)較寬，薄膜中的缺陷密

5、度較高，薄膜與基片的過(guò)渡區(qū)較寬，應(yīng)用中受到限制（特別是電子器件和應(yīng)用中受到限制（特別是電子器件和ICIC）。）。 由于高能粒子轟擊，基片溫度較高，有時(shí)不得不對(duì)由于高能粒子轟擊，基片溫度較高，有時(shí)不得不對(duì)基片進(jìn)行冷卻?；M(jìn)行冷卻。 薄膜中含有氣體量較高。薄膜中含有氣體量較高。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的整個(gè)過(guò)程中都存在著離子轟擊。離子鍍膜的整個(gè)過(guò)程中都存在著離子轟擊。q 離化率：是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子的百分?jǐn)?shù)。離化率：是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子的百分?jǐn)?shù)。 中性粒子的能量中性粒子的能量 離子的能量離子的能量 薄膜表面的能量活性系數(shù)薄膜表面的能量活性系數(shù)Wn EiiiWn E

6、iiiWWn En EWn E式中，式中， 單位時(shí)間在單位面積上所淀積的離子數(shù)；單位時(shí)間在單位面積上所淀積的離子數(shù)； 是蒸發(fā)是蒸發(fā)粒子的動(dòng)能；粒子的動(dòng)能； 是單位時(shí)間對(duì)單位面積轟擊的離子數(shù)；是單位時(shí)間對(duì)單位面積轟擊的離子數(shù)； 為為離子的平均能量。離子的平均能量。nEiniE23vvkTE iieUE 離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)當(dāng)當(dāng) 遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于 時(shí)，時(shí)，n Eiin E 離子鍍膜中的活化系離子鍍膜中的活化系數(shù)與離化率、基片加速電數(shù)與離化率、基片加速電壓、蒸發(fā)溫度等因素有關(guān)。壓、蒸發(fā)溫度等因素有關(guān)。32iiiiiin EeUnUnCn EkTnTn離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)q

7、 濺射清洗濺射清洗 薄膜淀積前對(duì)基片的離子轟擊。將產(chǎn)生如下薄膜淀積前對(duì)基片的離子轟擊。將產(chǎn)生如下結(jié)果：結(jié)果： 濺射清洗作用濺射清洗作用 吸附氣體、各種污染物、氧化物吸附氣體、各種污染物、氧化物 產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)網(wǎng)產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)網(wǎng) 入射粒子傳遞給靶材原子的能量超過(guò)靶原子發(fā)生離位的入射粒子傳遞給靶材原子的能量超過(guò)靶原子發(fā)生離位的最低能量時(shí)，晶格原子將會(huì)離位并遷移到晶格的間隙位置上最低能量時(shí)，晶格原子將會(huì)離位并遷移到晶格的間隙位置上去，從而形成去，從而形成空位、間隙原子和熱激勵(lì)空位、間隙原子和熱激勵(lì)。轟擊粒子將大部分。轟擊粒子將大部分能量傳遞給基片使其能量傳遞給基片使其發(fā)熱發(fā)熱，增加淀積原子在基片表面

8、的擴(kuò)散，增加淀積原子在基片表面的擴(kuò)散能力，某些缺陷也可以發(fā)生能力，某些缺陷也可以發(fā)生遷移、聚集遷移、聚集成為位錯(cuò)網(wǎng)。成為位錯(cuò)網(wǎng)。 破壞表面晶格破壞表面晶格 離子轟擊產(chǎn)生的缺陷很穩(wěn)定的話，表面的晶體結(jié)構(gòu)離子轟擊產(chǎn)生的缺陷很穩(wěn)定的話，表面的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞而成為非晶態(tài)就會(huì)被破壞而成為非晶態(tài) 氣體摻入氣體摻入 不溶性氣體的摻入能力決定于遷移率、捕獲位置、不溶性氣體的摻入能力決定于遷移率、捕獲位置、基片溫度及淀積粒子的能量大小基片溫度及淀積粒子的能量大小 非晶材料捕集氣體的能力比晶體材料強(qiáng)。非晶材料捕集氣體的能力比晶體材料強(qiáng)。 表面成分改變表面成分改變 濺射率不同濺射率不同 表面形貌變化表面形貌變化

9、 表面粗糙度增大，濺射率改變表面粗糙度增大，濺射率改變 溫度升高溫度升高離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)q 粒子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響粒子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響 影響薄膜的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、成分、物理性能相許多其它特性。影響薄膜的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、成分、物理性能相許多其它特性。 “ “偽擴(kuò)散層偽擴(kuò)散層”緩解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜緩解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜的附著力。的附著力。成核位置更多，核生長(zhǎng)條件更好。減小了基片和膜層界面成核位置更多，核生長(zhǎng)條件更好。減小了基片和膜層界面的空隙，提高了附著力。的空隙，提高了附著力。離子轟擊能消除柱狀晶粒，形成粒狀晶粒結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)離

10、子轟擊能消除柱狀晶粒，形成粒狀晶粒結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)影響薄膜的內(nèi)應(yīng)力。離子轟擊強(qiáng)迫原子處于非平衡位置，影響薄膜的內(nèi)應(yīng)力。離子轟擊強(qiáng)迫原子處于非平衡位置，使內(nèi)應(yīng)力增加。利用轟擊熱效應(yīng)或外部加熱減小內(nèi)應(yīng)力。使內(nèi)應(yīng)力增加。利用轟擊熱效應(yīng)或外部加熱減小內(nèi)應(yīng)力。 可提高金屬薄膜的疲勞壽命（成倍提高）?？商岣呓饘俦∧さ钠趬勖ǔ杀短岣撸?。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)按薄膜材料氣化方式分類：按薄膜材料氣化方式分類：按原子或分子電離和激活方式分類：按原子或分子電離和激活方式分類： 電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、陰極弧電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、陰極弧光放電加熱等。光放電加熱等。 輝光放電型、電子束型、

11、熱電子型、電弧放電型、輝光放電型、電子束型、熱電子型、電弧放電型、以及各種離子源。以及各種離子源。 一般情況下，離于鍍膜設(shè)備要由一般情況下，離于鍍膜設(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源真空室、蒸發(fā)源(或或氣源、濺射源等氣源、濺射源等)、高壓電源、離化裝置、放置基片的陰、高壓電源、離化裝置、放置基片的陰極極等部分組成。等部分組成。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 直流二極型離子鍍直流二極型離子鍍 直流二極型離子鍍的直流二極型離子鍍的特征是利用二極間的輝光特征是利用二極間的輝光放電產(chǎn)生離子、并由基板放電產(chǎn)生離子、并由基板所加的負(fù)電壓對(duì)其加速。所加的負(fù)電壓對(duì)其加速。 轟擊離子能量大，引轟擊離子能量大，引起基片溫度升高，薄

12、膜表起基片溫度升高，薄膜表面粗糙，質(zhì)量差；工藝參面粗糙，質(zhì)量差；工藝參數(shù)難于控制。數(shù)難于控制。 由于直流放電二極型離子鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)容由于直流放電二極型離子鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，用普通真空鍍膜機(jī)就可以改裝，因此也具易實(shí)現(xiàn)，用普通真空鍍膜機(jī)就可以改裝，因此也具有一定實(shí)用價(jià)值。特別是在有一定實(shí)用價(jià)值。特別是在附著力附著力方面優(yōu)于其它的方面優(yōu)于其它的離子鍍方法。離子鍍方法。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 三極和多陰極型離子鍍（二極型改進(jìn)）三極和多陰極型離子鍍（二極型改進(jìn)）離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) （1）二陰極法中放電開始的氣壓為）二陰極法中放電開始的氣壓為10-2Torr左右，而左右，而多陰極法為多

13、陰極法為10-3Torr左右，可實(shí)現(xiàn)低氣壓下的離子鍍膜。真左右，可實(shí)現(xiàn)低氣壓下的離子鍍膜。真空度比二級(jí)型離子鍍的真空度大約高一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，空度比二級(jí)型離子鍍的真空度大約高一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，鍍膜質(zhì)量好，光澤致密鍍膜質(zhì)量好，光澤致密 （2） 二極型離子鍍膜技術(shù)中，隨著陰極電壓降低，放二極型離子鍍膜技術(shù)中，隨著陰極電壓降低，放電起始?xì)鈮鹤兊酶撸欢诙嚓帢O方式中，陰極電壓在電起始?xì)鈮鹤兊酶?；而在多陰極方式中，陰極電壓在200V就能在就能在10-3 Torr左右開始放電。左右開始放電。特點(diǎn)：特點(diǎn)：離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) （3）在多陰極方式中，即使氣壓保持不變，只改變）在多陰極方式中，即使氣壓保

14、持不變，只改變作為熱電子發(fā)射源的燈絲電流，放電電流就會(huì)發(fā)生很大的作為熱電子發(fā)射源的燈絲電流，放電電流就會(huì)發(fā)生很大的變化，因此可通過(guò)改變輔助陰極變化，因此可通過(guò)改變輔助陰極(多陰極多陰極)的燈絲電流來(lái)控的燈絲電流來(lái)控制放電狀態(tài)。制放電狀態(tài)。 （4）由于主陰極）由于主陰極(基板基板)上所加維持輝光放電的電壓上所加維持輝光放電的電壓不高，而且多陰極燈絲處于基板四周，擴(kuò)大了陰極區(qū)、改不高，而且多陰極燈絲處于基板四周，擴(kuò)大了陰極區(qū)、改善了繞射性，減少了高能離子對(duì)工件的轟擊作用，避免了善了繞射性，減少了高能離子對(duì)工件的轟擊作用，避免了直流二極型離子鍍?yōu)R射嚴(yán)重、成膜粗糙、溫升高而難以控直流二極型離子鍍?yōu)R射嚴(yán)

15、重、成膜粗糙、溫升高而難以控制的弱點(diǎn)。制的弱點(diǎn)。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 活性反應(yīng)離子鍍膜（活性反應(yīng)離子鍍膜（ARE）Activated Reactive Evaporation 在離子鍍膜基礎(chǔ)上，若導(dǎo)入與金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，在離子鍍膜基礎(chǔ)上，若導(dǎo)入與金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，如如O2、N2、C2H2、CH4等代替等代替Ar或摻入或摻入Ar之中，并用各之中，并用各種不同的放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激種不同的放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化、使其活化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面活、離化、使其活化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面就可以獲得化合物薄膜，這種方法稱為活

16、性反應(yīng)離子鍍法。就可以獲得化合物薄膜，這種方法稱為活性反應(yīng)離子鍍法。 由于各種離子鍍膜裝置都可以改裝成活性反應(yīng)離子鍍，由于各種離子鍍膜裝置都可以改裝成活性反應(yīng)離子鍍，因此，因此，ARE的種類較多。的種類較多。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)電子束熱電子束熱絲發(fā)射室絲發(fā)射室蒸發(fā)室蒸發(fā)室防止蒸發(fā)飛防止蒸發(fā)飛濺物進(jìn)入電濺物進(jìn)入電子槍工作室子槍工作室攔截一次電子，減攔截一次電子，減小對(duì)基片的轟擊小對(duì)基片的轟擊離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù)特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）電離增加了反應(yīng)物的活性，在溫度較低的情況下）電離增加了反應(yīng)物的活性，在溫度較低的情況下就能獲得附著性能良好的碳化物就能獲得附著性能良好的碳化物、氮化物薄膜。氮化

17、物薄膜。 采用采用CVD法要加熱到法要加熱到1000左右，而左右，而ARE側(cè)法只需把側(cè)法只需把基片加熱到基片加熱到500左右。左右。 （2）可以在任何材料上制備薄膜，并可獲得多種化）可以在任何材料上制備薄膜，并可獲得多種化合物薄膜。合物薄膜。 （3）淀積速率高。）淀積速率高。 一般每分鐘可達(dá)幾個(gè)微米，最高一般每分鐘可達(dá)幾個(gè)微米，最高可達(dá)可達(dá)50 m。而且可以通過(guò)改變電子槍的功率、基片而且可以通過(guò)改變電子槍的功率、基片蒸蒸發(fā)源的距離、反應(yīng)氣體壓力等實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率的有效發(fā)源的距離、反應(yīng)氣體壓力等實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率的有效控制?？刂?。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) （4） 調(diào)節(jié)或改變蒸發(fā)速率及反應(yīng)氣體壓

18、力可以十分方調(diào)節(jié)或改變蒸發(fā)速率及反應(yīng)氣體壓力可以十分方便地制取不同配比、不同結(jié)構(gòu)、不同性質(zhì)的同類化合物。便地制取不同配比、不同結(jié)構(gòu)、不同性質(zhì)的同類化合物。 （5）由于采用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，）由于采用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，幾乎可以蒸鍍所有金屬和化合物。幾乎可以蒸鍍所有金屬和化合物。 （6）清潔，無(wú)公害。）清潔，無(wú)公害。 ARE的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)：電予槍發(fā)出的高能電子除了加熱蒸發(fā)薄膜電予槍發(fā)出的高能電子除了加熱蒸發(fā)薄膜材料之外，同時(shí)還要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸氣以及反應(yīng)氣體的離化。材料之外，同時(shí)還要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸氣以及反應(yīng)氣體的離化。因此，因此，ARE法在低的沉積速率下，很難維持等離子體。法在低的沉積速率下，很難維持等離子體。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜技術(shù) 射頻離子鍍膜技術(shù)射頻離子鍍膜技術(shù)三個(gè)區(qū)域：三個(gè)區(qū)域：（1）以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)）以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)；區(qū)；（2）以線圈為中心的離化區(qū)；）以線圈為中心的離化區(qū)；（3）以基板為中心，使生成）以基板為中心，使生成的離子加速，并沉積在基板。的離子加速，并沉積在基板。 通過(guò)分別調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈的激勵(lì)功率、基板偏通過(guò)分別調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈的激勵(lì)功率、基板偏壓等，可以對(duì)上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的控制，由此可以在壓等，可以對(duì)上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行