6 第四章 离子镀膜

1、第四章第四章 离子镀是在真空条件下，利用离子镀是在真空条件下，利用气体放电气体放电使气体使气体或被或被蒸发蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基片上。片上。 离子镀把离子镀把气体的辉光放电、等离子体技术与真气体的辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术空蒸发镀膜技术结合在一起，不仅明显地提高了镀结合在一起，不仅明显地提高了镀层的各种性能，而且大大地扩充了镀膜技术的应用层的各种性能，而且大大地扩充了镀膜技术的应用范围。范围。 近年来在国内外都得到迅速发展。近年来在国内外都

2、得到迅速发展。 离子镀膜的原理离子镀膜的原理 离子镀膜的特点离子镀膜的特点 离子轰击的作用离子轰击的作用 离子镀膜的类型离子镀膜的类型本章主要内容本章主要内容离子镀膜技术离子镀膜技术q 离子镀膜系统典型结构离子镀膜系统典型结构 基片为阴极，蒸发源为阳极，基片为阴极，蒸发源为阳极，建立一个低压气体放电的等离建立一个低压气体放电的等离子区；子区； 镀材被气化后，蒸发粒子进镀材被气化后，蒸发粒子进入等离子区被电离，形成离子，入等离子区被电离，形成离子，被电场加速后淀积到基片上成被电场加速后淀积到基片上成膜；膜； 淀积和溅射同时进行；淀积和溅射同时进行；离子镀膜技术离子镀膜技术q 离子镀膜的成膜条件离

3、子镀膜的成膜条件淀积过程：淀积过程：溅射过程：溅射过程：41060ANnM316219100.63 10/1.6 10jjnj cmsjnnq 实现离子镀膜的必要条件实现离子镀膜的必要条件 造成一个气体放电的空间；造成一个气体放电的空间； 将镀料原子将镀料原子( (金属原子或非金属原子金属原子或非金属原子) )引进引进放电空间，使其部分离化。放电空间，使其部分离化。为淀积原子在基片表面的淀积速率；为淀积原子在基片表面的淀积速率；为薄膜质量密度；为薄膜质量密度；M M为淀积物质的摩为淀积物质的摩尔质量；尔质量；N NA A阿佛加德罗常数。阿佛加德罗常数。j是入射离子形成的电流密度是入射离子形成的

4、电流密度离子镀膜技术离子镀膜技术 膜层附着性好；膜层附着性好；溅射清洗，伪扩散层形成溅射清洗，伪扩散层形成 膜层密度高（与块体材料相同）；膜层密度高（与块体材料相同）；正离子轰击正离子轰击 绕射性能好；绕射性能好； 可镀材料范围广泛；可镀材料范围广泛； 有利于化合物膜层的形成；有利于化合物膜层的形成； 淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜；淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜； 清洗工序简单、对环境无污染。清洗工序简单、对环境无污染。表表4-1给出了给出了PVD的三种基本镀膜方法的比较的三种基本镀膜方法的比较离子镀膜技术离子镀膜技术 薄膜中的缺陷密度较高，薄膜与基片的过渡区较宽，薄膜中的缺陷密

5、度较高，薄膜与基片的过渡区较宽，应用中受到限制（特别是电子器件和应用中受到限制（特别是电子器件和ICIC）。）。 由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不对由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不对基片进行冷却。基片进行冷却。 薄膜中含有气体量较高。薄膜中含有气体量较高。离子镀膜技术离子镀膜技术离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。q 离化率：是指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。离化率：是指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。 中性粒子的能量中性粒子的能量 离子的能量离子的能量 薄膜表面的能量活性系数薄膜表面的能量活性系数Wn EiiiWn E

6、iiiWWn En EWn E式中，式中， 单位时间在单位面积上所淀积的离子数；单位时间在单位面积上所淀积的离子数； 是蒸发是蒸发粒子的动能；粒子的动能； 是单位时间对单位面积轰击的离子数；是单位时间对单位面积轰击的离子数； 为为离子的平均能量。离子的平均能量。nEiniE23vvkTE iieUE 离子镀膜技术离子镀膜技术当当 远小于远小于 时，时，n Eiin E 离子镀膜中的活化系离子镀膜中的活化系数与离化率、基片加速电数与离化率、基片加速电压、蒸发温度等因素有关。压、蒸发温度等因素有关。32iiiiiin EeUnUnCn EkTnTn离子镀膜技术离子镀膜技术离子镀膜技术离子镀膜技术q

7、 溅射清洗溅射清洗 薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下结果：结果： 溅射清洗作用溅射清洗作用 吸附气体、各种污染物、氧化物吸附气体、各种污染物、氧化物 产生缺陷和位错网产生缺陷和位错网 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，从而形成去，从而形成空位、间隙原子和热激励空位、间隙原子和热激励。轰击粒子将大部分。轰击粒子将大部分能量传递给基片使其能量传递给基片使其发热发热，增加淀积原子在基片表面

8、的扩散，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能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集迁移、聚集成为位错网。成为位错网。 破坏表面晶格破坏表面晶格 离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构就会被破坏而成为非晶态就会被破坏而成为非晶态 气体掺入气体掺入 不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、基片温度及淀积粒子的能量大小基片温度及淀积粒子的能量大小 非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。 表面成分改变表面成分改变 溅射率不同溅射率不同 表面形貌变化表面形貌变化

9、 表面粗糙度增大，溅射率改变表面粗糙度增大，溅射率改变 温度升高温度升高离子镀膜技术离子镀膜技术离子镀膜技术离子镀膜技术q 粒子轰击对薄膜生长的影响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。影响薄膜的形态、晶体结构、成分、物理性能相许多其它特性。 “ “伪扩散层伪扩散层”缓解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜缓解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜的附着力。的附着力。成核位置更多，核生长条件更好。减小了基片和膜层界面成核位置更多，核生长条件更好。减小了基片和膜层界面的空隙，提高了附着力。的空隙，提高了附着力。离子轰击能消除柱状晶粒，形成粒状晶粒结构的显微结构离

10、子轰击能消除柱状晶粒，形成粒状晶粒结构的显微结构影响薄膜的内应力。离子轰击强迫原子处于非平衡位置，影响薄膜的内应力。离子轰击强迫原子处于非平衡位置，使内应力增加。利用轰击热效应或外部加热减小内应力。使内应力增加。利用轰击热效应或外部加热减小内应力。 可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）。可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）。离子镀膜技术离子镀膜技术按薄膜材料气化方式分类：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：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、阴极弧电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。光放电加热等。 辉光放电型、电子束型、

11、热电子型、电弧放电型、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。以及各种离子源。 一般情况下，离于镀膜设备要由一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源真空室、蒸发源(或或气源、溅射源等气源、溅射源等)、高压电源、离化装置、放置基片的阴、高压电源、离化装置、放置基片的阴极极等部分组成。等部分组成。离子镀膜技术离子镀膜技术 直流二极型离子镀直流二极型离子镀 直流二极型离子镀的直流二极型离子镀的特征是利用二极间的辉光特征是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。所加的负电压对其加速。 轰击离子能量大，引轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄

12、膜表起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。数难于控制。 由于直流放电二极型离子镀设备简单，技术容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。特别是在有一定实用价值。特别是在附着力附着力方面优于其它的方面优于其它的离子镀方法。离子镀方法。离子镀膜技术离子镀膜技术 三极和多阴极型离子镀（二极型改进）三极和多阴极型离子镀（二极型改进）离子镀膜技术离子镀膜技术 （1）二阴极法中放电开始的气压为）二阴极法中放电开始的气压为10-2Torr左右，而左右，而多阴极法为多

13、阴极法为10-3Torr左右，可实现低气压下的离子镀膜。真左右，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，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就能在就能在10-3 Torr左右开始放电。左右开始放电。特点：特点：离子镀膜技术离子镀膜技术 （3）在多阴极方式中，即使气压保持不变，只改变）在多阴极方式中，即使气压保

14、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变化，因此可通过改变辅助阴极(多阴极多阴极)的灯丝电流来控的灯丝电流来控制放电状态。制放电状态。 （4）由于主阴极）由于主阴极(基板基板)上所加维持辉光放电的电压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、温升高而难以控直流二极型离子镀溅射严

15、重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。制的弱点。离子镀膜技术离子镀膜技术 活性反应离子镀膜（活性反应离子镀膜（ARE）Activated Reactive Evaporation 在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，如如O2、N2、C2H2、CH4等代替等代替Ar或掺入或掺入Ar之中，并用各之中，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

16、性反应离子镀法。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，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，因此，ARE的种类较多。的种类较多。离子镀膜技术离子镀膜技术电子束热电子束热丝发射室丝发射室蒸发室蒸发室防止蒸发飞防止蒸发飞溅物进入电溅物进入电子枪工作室子枪工作室拦截一次电子，减拦截一次电子，减小对基片的轰击小对基片的轰击离子镀膜技术离子镀膜技术特点：特点： （1）电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下）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就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。氮化

17、物薄膜。 采用采用CVD法要加热到法要加热到1000左右，而左右，而ARE侧法只需把侧法只需把基片加热到基片加热到500左右。左右。 （2）可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化）可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜。合物薄膜。 （3）淀积速率高。）淀积速率高。 一般每分钟可达几个微米，最高一般每分钟可达几个微米，最高可达可达50 m。而且可以通过改变电子枪的功率、基片而且可以通过改变电子枪的功率、基片蒸蒸发源的距离、反应气体压力等实现对薄膜生长速率的有效发源的距离、反应气体压力等实现对薄膜生长速率的有效控制。控制。离子镀膜技术离子镀膜技术 （4） 调节或改变蒸发速率及反应气体压

18、力可以十分方调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物。便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物。 （5）由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，）由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物。几乎可以蒸镀所有金属和化合物。 （6）清洁，无公害。）清洁，无公害。 ARE的缺点：的缺点：电予枪发出的高能电子除了加热蒸发薄膜电予枪发出的高能电子除了加热蒸发薄膜材料之外，同时还要用来实现对蒸气以及反应气体的离化。材料之外，同时还要用来实现对蒸气以及反应气体的离化。因此，因此，ARE法在低的沉积速率下，很难维持等离子体。法在低的沉积速率下，很难维持等离子体。离子镀膜技术离子镀膜技术 射频离子镀膜技术射频离子镀膜技术三个区域：三个区域：（1）以蒸发源为中心的蒸发）以蒸发源为中心的蒸发区；区；（2）以线圈为中心的离化区；）以线圈为中心的离化区；（3）以基板为中心，使生成）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板。的离子加速，并沉积在基板。 通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在压等，可以对上述三个区域进行