离子镀及其他PVD方法PPT课件

1、提提 要要 第1页/共39页n 还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的PVD方法，它们针对特定的应用目的，或是将不同的手段结合在一起，或是对上述的某一种方法进行了较大程度的改进，如各种其他的物理气相沉积方法各种其他的物理气相沉积方法u 离子镀u 反应蒸发沉积u 离子束辅助沉积u 离化团束沉积 第2页/共39页离子镀技术的发展历史u 1938年，Berghau 申请了离子镀的第一份专利u 1963年，Mattox 发明了二极离子镀u 1972年，Bunshah发展了活性反应离子镀u 1972年，Morley发明了空心阴极电弧离子镀u 1973年，村山洋一发明了射频放电离子镀u 20世纪80年代初，国

2、内外相继开发了真空阴极电弧离子镀、 多弧离子镀u 如今离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用的一种重要的镀膜技术 第3页/共39页n 定义 离子镀是一种在基片上施加偏压, 即在离子对基片和薄膜发生持续轰击的条件下制备薄膜的PVD技术n 在离子镀的过程中，沉积前和沉积过程中的基片和薄膜表面经受着相当数量的高能离子流和大量的高能中性物质的轰击n 离子镀可以被看成是一种混合型的薄膜制备方法 它兼有蒸发法和溅射法的优点离子镀 引言第4页/共39页最有代表性的 蒸发和溅射法的结合蒸发和溅射法的结合离子镀的两个基本条件：l 要有一个具有偏置电压的气体放电空间l 要使被沉积的物质（金属原子、气体分子）在放电空

3、间内部分离化 电子束蒸发电子束蒸发衬底作为阴极衬底作为阴极真空室作为阳极真空室作为阳极电压电压等离子体等离子体第5页/共39页u 使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质u 以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成一个类似于二极溅射装置的放电系统u 真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气u 在沉积前和沉积中，采用高能量的离子流对衬底和薄膜表面进行持续的轰击 第6页/共39页u 在薄膜沉积前，在阴阳两极之间施加25kV的电压，使气体发生辉光放电，产生等离子体。Ar离子在电压驱动下对衬底进行轰击u 在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相互作用。由于Ar的电离能比被

4、蒸发元素的电离能更高，因而在等离子体内将会发生Ar离子与蒸发原子之间的电荷交换，蒸发原子发生部分的电离u 含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速，并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率 第7页/共39页 离子镀的独特之处在于使用高能离子对基片和薄膜表面进行轰击。因此，离化率 电离原子占全部被蒸发原子的百分数ni / n，是离子镀过程的最重要的参量 常见离子镀过程的粒子离化率为离子镀过程中粒子的离化率离子镀的过程二极直流放电离子镀射频放电 离子镀空心阴极 电弧离子镀真空阴极电弧 离子镀离化率ni / n0.12%10%22-40%60-80%第8页/共39页各种

5、各样的离子镀方法n 二极直流放电离子镀n 活化反应离子镀（或活化反应蒸镀（ARE）n 射频放电离子镀n 溅射离子镀（偏压溅射）n 空心阴极电弧离子镀n 热弧离子镀n 真空阴极电弧离子镀，多弧离子镀等 离子镀可以有很多种形式，其主要区别在于其使源物质蒸发、使其蒸气离化并提高其离化率的方法第9页/共39页n为制备化合物薄膜，早期有所谓的反应蒸发法反应蒸发法，即使金属蒸气通过活性气氛（如O2、NH3、CH4）后，反应沉积成相应的化合物。当时，对活性气体并不施加等离子体激活手段,其结果是化学反应不易进行得很彻底，沉积物的化学成分常偏离化合物的化学计量比n由此，发展了活化反应蒸发法活化反应蒸发法(act

6、ivated reactive evaporation，ARE) ，让金属蒸气通过活性气体形成的等离子体区，使活性气体和金属原子均处于离化态，增加两者的反应活性，在衬底上形成相应的化合物薄膜n在此基础上，即产生了活化反应离子镀活化反应离子镀的由来第10页/共39页活化反应离子镀装置的示意图3 活化极活化极1 等离子体2 基体4 反应气体5 原子射流6 差压板7 蒸发源8 真空室比二极直流放电离子镀时多了一个环状的活化极,它相对于蒸发源取正电压.该电极从蒸发源吸引来来少量的电子，以提高蒸发粒子的离化率第11页/共39页n 衬底温度低在较低的温度下即可获得相应的金属化合物薄膜n 可在任意基底上，包

7、括金属、非金属上获得化合物薄膜n 比溅射沉积法的沉积速率高一个数量级n 化合物的沉积与离子的活化过程相分离，且可分别得到独立控制，并使沉积温度在一定范围内可调活化反应离子镀的优点第12页/共39页n 活化反应离子镀技术可以被用于各种氧化物、碳化物、氮化物薄膜的沉积,如Y2O3, TiN, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC等 n 与后面要介绍的化学气相沉积技术相比，活化反应离子镀方法的优点在于其沉积温度较低，因而可被用于制备各种不能经受高温的耐磨零件的涂层活化反应离子镀其缺点: 离化率和活化程度较低，因此发展了热电子辅助的活化反应离子镀第13页/共39页热电子辅助的 这比活化反应离子

8、镀又多了一个发射热电子的热阴极(辅助极)，从而可降低气体压力，提高过程的可调节性第14页/共39页n 热电子辅助的活化反应离子镀法在蒸发源与衬底之间喂入活性气体，利用热阴极方法使之在阴极、阳极之间发生辉光放电而形成等离子体，提高蒸气粒子、反应气体原子的离化率，强化电离作用n 利用热阴极的好处是可降低气体放电的压力（10-2Pa） ，减少气体对蒸发原子的散射。被蒸发物质的原子在通过等离子体区时会发生部分的离化，它们与活性气体离子一起被偏压加速至衬底表面并形成化合物薄膜热电子辅助的活化反应离子镀第15页/共39页n 蒸发和等离子体的产生不仅可以独立地调节.且可在沉积速率保持恒定时,大幅度增强等离子

9、体,提高蒸发物质的离化率n 发射极提供的热电子可独立产生等离子体，因而电阻和激光蒸发也可作为蒸发手段，而不必一定采用电子束加热热电子辅助的活化反应离子镀的特点第16页/共39页溅射离子镀(sputtering ion plating)是在溅射沉积法的基础上，在基片上施加偏压，并可通入反应气体，形成薄膜的方法。在溅射一讲中,我们将其称为偏压溅射。根据溅射过程中放电的特征，又分为直流溅射离子镀、射频溅射离子镀和磁控溅射离子镀等。溅射离子镀(偏压溅射)第17页/共39页空心阴极电弧离子镀装置的示意图HCD电子枪电子枪 反应气体 真空室工件 电源 蒸发源 使用45或90偏转型HCD电子枪HCD: ho

10、llow cathode discharge活化极 第18页/共39页n 用空心阴极电子枪代替了普通的电子枪,即构成了空心阴极离子镀。空心阴极与坩埚间构成了蒸发源，与活化极间构成了离化源n 空心阴极在电弧放电的情况下发出高达数百安培的电子束, 比其他离子镀方法高100倍；使其偏转后即可用于热蒸发。浓度极高的蒸气流通过蒸发源上方的等离子区时被激发和电离，形成大量的离子和高能中性粒子，不仅可形成密度达1015/cm2.s的离子流，还携带了比其他离子镀方法高2-3数量级的高能中性粒子，飞向施加负偏压的基底，沉积形成薄膜。物质的蒸发速率高，薄膜的沉积速率快。空心阴极电弧离子镀第19页/共39页n 空心

11、阴极离子镀的最大特点是电流大,所蒸发的物质离化率高。被蒸发物质的离子将造成对衬底的高强度的轰击，形成高致密度的薄膜n 其放电气压为0.1-1Pa，不再需要电子束蒸发时所需的压力隔离n 电压低，装置简单可靠空心阴极电弧离子镀的特点该技术自1972年出现后，获得广泛应用，已成功地被用于装饰、耐磨等薄膜沉积第20页/共39页工业上大量采用，右图是其使用的电弧源是以阴极直接作为蒸发源的离子镀技术第21页/共39页n 以被蒸发的物质为阴极，而真空室为阳极n 使触发极与阴极短接，在其相互脱离的瞬间，引发电弧放电。弧光放电的电压只有20V左右，电流则达100A量级n 作为冷阴极的金属表面并不形成大的熔池；放

12、电不依靠气体，而是依靠向真空中喷发的物质蒸气来维持。阴极上将形成阴极上将形成为数众多，为数众多，在阴极表面迅速无规跳动在阴极表面迅速无规跳动的的微小的阴极弧斑微小的阴极弧斑，弧斑的电流密度高达105-107A/cm2n 放电过程将在局部释放出巨大的热能，使局部的阴极物质大量喷发出来。它一方面可维持气体的放电过程，另一方面则可提供离子镀所需的源物质，即阴极本身既是蒸发源，又是离化源真空阴极电弧离子镀的工作原理第22页/共39页n 阴极斑点在其经过的地方留下放电蒸发的痕迹，其直径只有1-100m。斑点的数量与放电电流强度成正比，但流过的电流密度极高且每个斑点能够持续的时间很短，只有几十微秒n 由于

13、放电电流密度很大，蒸发出大量的金属蒸气，使阴极附近气压增高，分子自由程缩短，金属原子在电弧等离子体中大量离化。由于形成了强电弧放电等离子体，因而粒子的离化率可达60-90%n 工件接50-1000V的负偏压，吸引大量高能离子轰击工件与薄膜表面真空阴极电弧离子镀的工作原理（续）第23页/共39页 磁场将电子以及等离子体约束在阴极表面附近，磁场将电子以及等离子体约束在阴极表面附近，且起着推动阴极斑点不断移动的作用。且起着推动阴极斑点不断移动的作用。无磁场时，弧斑汇集成一个大弧斑。加磁场后，增加了弧斑的运动速度和弧斑的数量，加大微弧的分散程度，使大弧斑被分散成许多小弧斑。但若磁场过强，弧斑过度集中于

14、轴线附近，不利于阴极表面的均匀烧蚀。真空阴极电弧离子镀中的磁场第24页/共39页u 工作真空度高，气体杂质污染少u 薄膜沉积速率高（10-1000m/hr）u 蒸发粒子的离化率高（可高达80%）u 离子的能量高（数百至数千电子伏特量级）u 向真空室内通人反应气体，调整压力至10-1-102Pa，则可进行化合物薄膜的沉积，如TiN、TiC、CrN、ZrN等等，并在实际生产中获得了广泛应用，成为制备硬质薄膜的主流技术真空阴极电弧离子镀的优点第25页/共39页 利用多个阴极电弧蒸发源的阴极电弧离子镀被称为多弧离子镀 多弧离子镀已成为获得广泛应用的薄膜制备方法阴极电弧蒸发源阴极电弧蒸发源第26页/共3

15、9页n 阴极电弧离子镀的不足之处是其在阴极发射出金属蒸气的同时，还会产生物质的微粒飞微粒飞溅溅，其粒径可达m级。大量微粒沉积在工件表面，将影响薄膜的质量将影响薄膜的质量。n 解决微粒飞溅问题有两种基本途径：减少微粒的产生、在其输运过程中将其滤除。n 前者包括电弧电源的改进和阴极结构的改进等。这些方法虽能减少微粒的数量，但并不能完全避免其出现。阴极电弧离子镀控制宏观粒子的方法第27页/共39页n 第二种方法，即采用过滤的方法利用了磁场对带电粒子的偏转作用,可较为彻底地清除微粒n 但这一方法的缺点是阴极电弧离子镀控制宏观粒子的方法u 可提供的束流直径小，通常在200mm以下u 不易组成多弧源阵列，

16、不宜大面积和大批量生产u 对离子源的传输效率有待提高。目前弯管结构最高的传输效率仅为25左右第28页/共39页弯管过滤式真空阴极电弧源的示意图 第29页/共39页离子镀的主要优点在于它所制备的薄膜结构致密，且薄膜与衬底之间具有良好的附着力离子镀的优点n 离子镀具有上述优点的原因在于: 在薄膜沉积前及沉积的同时,用离子轰击衬底和薄膜表面，可在薄膜与衬底之间形成粗糙、洁净的界面；形成均匀致密的薄膜结构。其作用与偏压溅射的作用相类似第30页/共39页离子镀的另一个优点是它可以提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力，或称为薄膜沉积过程的绕射能力离子镀的优点n 离子镀具备这一特性的原因在于： 与纯粹的蒸发、

17、溅射沉积相比，在离子镀进行的过程中，沉积原子将从与离子的碰撞中获得一定的能量，加上离子本身对薄膜的轰击，这些均会使得原子在沉积至衬底表面时具有更高的动能和迁移能力。第31页/共39页n 由离子镀的讨论我们知道，偏压下离子对衬底、薄膜的轰击是一个常用的薄膜制备手段。但在许多情况下，等离子体放电的过程不易控制，因而离子的方向、能量、密度等条件很难得到综合优化。为了克服离子轰击方法的这一问题，人们发展了离子束辅助沉积技术n 在离子束辅助沉积技术（IAD）中，使用单独的离子源来完成对于衬底表面的轰击其他的PVD: 离子束辅助沉积(IAD) 第32页/共39页离子源离子源电子束蒸发电子束蒸发第33页/共

18、39页n离子束辅助沉积系统离子束辅助沉积系统 使用一个离子源对衬底进行轰击，而欲沉积的物质则来自于一个蒸发源。它结合了高速蒸发沉积和偏压溅射离结合了高速蒸发沉积和偏压溅射离子轰击的特点子轰击的特点，同时又具有离子束的能量、方向可调的优点n还有所谓的双离子束沉积系统双离子束沉积系统 分别使用两个离子源，一个被用来对靶材进行溅射个被用来对靶材进行溅射从而提供沉积所需要的物质原子，另一个则被用来另一个则被用来对衬底施行离子轰击对衬底施行离子轰击。对于两个离子源进行分别的控制，即可以实现对于薄膜沉积速率和轰击离子流的独立调整离子束辅助沉积 第34页/共39页从对蒸发、溅射、离子镀三种物理气相沉积方法的主要特性参数的比较可以看出，从参与沉积的粒子的能量范围来看，离子镀技术有不同于蒸发、溅射两种方法的特点；从沉积速率来看，离子镀的从沉积速率来看，离子镀的沉积速率与蒸发法的沉积速率相当；从薄膜质量方沉积速率与蒸发法的沉积速率相当；从薄膜质量方面来看，离子镀方法制备的薄膜接近或优于溅射法面来看，离子镀方