6-第四章-离子镀膜.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,离子镀膜技术,Ion Plating,1,离子镀是在真空条件下，利用,气体放电,使气体或被,蒸发,物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质,离子轰击,作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基片上。,离子镀把,气体的辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术,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范围。,近年来在国内外都得到迅速发展。,2,离子镀膜的原理,离子镀膜的特点,离子轰击的作用,离子镀膜的类型,本章主要内容,3,离子镀膜技术,离子镀膜的原理,离子镀膜的原理,离子镀膜系统典型结构,基片为阴极，蒸发源为阳极，建立一个低压气体放电的等离子区；,镀材被气化后，蒸发粒子进入等离子区被电离，形成离子，被电场加速后淀积到基片上成膜；,淀积和溅射同时进行；,4,离子镀膜技术,离子镀膜的原理,离子镀膜的成膜条件,淀积过程：,溅射过程：,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。,为淀积原子在基片表面的淀积速率；,为薄膜质量密度；,M,为淀积物质的摩尔质量；,N,A,阿佛加德罗常数。,j,是入射离子形成的电流密度,5,离子镀膜技术,离子镀膜的特点,离子镀膜的优点,膜层附着性好；,溅射清洗，伪扩散层形成,膜层密度高（与块体材料相同）；,正离子轰击,绕射性能好；,可镀材料范围广泛；,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；,清洗工序简单、对环境无污染。,表4-1给出了,PVD,的三种基本镀膜方法的比较,6,离子镀膜技术,离子镀膜的特点,离子镀膜的缺点,薄膜中的缺陷密度较高，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,IC）。,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。,薄膜中含有气体量较高。,7,离子镀膜技术,离子轰击的作用,离子轰击的作用,离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。,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,离子的能量,薄膜表面的能量活性系数,式中，单位时间在单位面积上所淀积的离子数；是蒸发粒子的动能；是单位时间对单位面积轰击的离子数；为离子的平均能量。,8,离子镀膜技术,离子轰击的作用,当 远小于 时，,离子镀膜中的活化系数与离化率、基片加速电压、蒸发温度等因素有关。,9,离子镀膜技术,离子轰击的作用,10,离子镀膜技术,离子轰击的作用,溅射清洗,薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下结果：,溅射清洗作用,吸附气体、各种污染物、氧化物,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。,11,破坏表面晶格,离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构就会被破坏而成为非晶态,气体掺入,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,非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。,表面成分改变,溅射率不同,表面形貌变化,表面粗糙度增大，溅射率改变,温度升高,离子镀膜技术,离子轰击的作用,12,离子镀膜技术,离子轰击的作用,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。,“,伪扩散层,”,缓解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜的附着力。,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,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。,可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）。,13,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,离子镀膜的类型,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。,14,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,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。,15,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,三极和多阴极型离子镀（二极型改进）,16,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,（1）二阴极法中放电开始的气压为10,-2,Torr,左右，而多阴极法为10,-3,Torr,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200,V,就能在10,-3,Torr,左右开始放电。,特点：,17,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,（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。,18,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,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，如,O,2,、N,2,、C,2,H,2,、CH,4,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。,19,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,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,20,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,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薄膜。,（3）淀积速率高。一般每分钟可达几个微米，最高可达50,m。,而且可以通过改变电子枪的功率、基片蒸发源的距离、反应气体压力等实现对薄膜生长速率的有效控制。,21,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,（4）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。,（5）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。,（6）清洁，无公害。,ARE,的缺点：,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。因此，,ARE,法在低的沉积速率下，很难维持等离子体。,22,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,射频离子镀膜技术,三个区域：,（1）以蒸发源为中心的蒸发区；,（2）以线圈为中心的离化区；,（3）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板。,通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层的物性。,23,离子镀膜技术,离子镀膜的类型,综上所述，射频放电离子镀具有下述特点：,a.,蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，而不是靠加速直流电场，基板周围不产生阴极暗区。,b.,在10,-,1,-l0,-3,Pa,的较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好。,c.,容易进行反应离子镀。,d.,和其它离子镀方法相比，基板温升低而且较容易控制。,24,缺点是：,由于工作真空度较高，故镀膜的绕射性差,射频对人体有害,离子镀技术可以制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装饰薄膜。,25,离子镀膜技术,习题和思考题,离子镀膜系统工作的必要条件？,离子镀膜的原理及薄膜形成条件？,离子镀膜技术的分类？,直流二极离子镀、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？,26,