离子镀膜PPT课件
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第五章 离子溅射镀膜法
Torr，减少了工作气体与溅射原子的散射作 用，提高了沉积速率。 (c) 高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近， 不与基片接触。这样，电离产生的正离子能 有效地轰击靶面；基片又免受等离子体地轰 击，制膜过程中温升较小。
有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。
有效地解决了直流溅射中基片温 升高和溅射速率低两大难题
存在的问题： ➢ 不能实现强磁性材料的低温高速溅射 ➢ 用绝缘材料的靶会使基板温度上升 ➢ 靶子的利用率低(10%-30%)，靶表面
直流溅射沉积装置示意图
已很少用，主要因为沉积速率太低 ~ 0.1mm/min
溅射沉积速率与工作气压间的关系
➢ 溅射原子与气体原子的碰撞导致溅射原子的 散射（方向及能量无序），到达基片的几率 随极板间距增加降低。一般要确保薄膜的均 匀性，极板间距是克鲁克暗区的两倍，阴极 平面面积为基片面积的两倍。
对膜层结构的影响
膜层的晶粒尺 寸和内应力
膜层的晶 面间距
第七节 溅射方法和溅射装置
➢ 直流溅射(二极，三极，四极) ➢ 射频溅射 ➢ 磁控溅射 ➢ 反应溅射
1. 直流溅射（双极型）
电压约1－5 kV，出射 原子的速率约3-6x105 cm/s，能量约 10-40 eV， 到达基板的原子能量约 1-2eV。
第二节 溅射机制 溅射原子的联级碰撞示意图
溅射机制：
局部加热蒸发机制
动能直接传递机制
(1) 从单晶靶材逸出的原子，其分布并不符合正弦 规律，而趋向于晶体密度最高的方向；
(2) 溅射系数不仅决定于轰击离子的能量，同时也 决定于其质量；
(3) 存在其一临界能量，在它之下不能产生溅射； (4) 离子能量很高时，溅射系数减小； (5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍； (6) 没有发现电子轰击产生溅射。
多弧离子镀PPT课件
图12 不同偏压下TiN膜与基体的结合强度
• 总结
基底偏压的变化影响沉积到薄膜膜基结合力。
SUCCESS
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2019/7/22
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和离子相比是很 大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿着直的轨迹运动。如果等离 子体(电子和离子)从阴极表面出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子 体分离，如果没有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是：大颗粒从壁的 反弹，等离子体在过滤器中的大量失去等。
图3 阴极靶表面离化区域示意图
• 离化区域的空间电荷，是导致加 速区强电场的主要原因，该电场 一方面使电子加速离开阴极表面， 另一方面也使得离子回归阴极表 面，该回归的离子流可能导致阴 极表面温度在一定程度上的增加。 此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原 因，按照这种解释，在基片上只 能接收到离子和液滴，而无中性 原子。
2.1.4 提高放电电离度
对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着降低放电功率，也就 是减少阴极熔池深度及熔融金属含量，从而减少液滴发射。在维持一 定的放电电压时，提高真空度，降低残余气体压强可明显地减少残余 气体的碰撞，电荷交换与离子复合等损失，减少发散角以及提高约束 和传输能力也是很有效的方法。
2.1.5 加强阴极冷却措施
• 实验结果
随直流偏压增大，温升速率越快， 最终稳定温度也越高。在相同的脉 冲偏压下，占空比越大，基体的沉 积温度越高。由图中可以看出脉冲 偏压Up下基体温度明显低于相同幅 值时直流偏压Udc下的温度，表明利 用脉冲偏压可以有效降低镀膜过程中 基体的温度。
图10 直流和脉冲偏压下的基体温度变化
• 总结
基底偏压的变化影响沉积到薄膜膜基结合力。
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2019/7/22
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和离子相比是很 大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿着直的轨迹运动。如果等离 子体(电子和离子)从阴极表面出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子 体分离，如果没有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是：大颗粒从壁的 反弹，等离子体在过滤器中的大量失去等。
图3 阴极靶表面离化区域示意图
• 离化区域的空间电荷，是导致加 速区强电场的主要原因，该电场 一方面使电子加速离开阴极表面， 另一方面也使得离子回归阴极表 面，该回归的离子流可能导致阴 极表面温度在一定程度上的增加。 此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原 因，按照这种解释，在基片上只 能接收到离子和液滴，而无中性 原子。
2.1.4 提高放电电离度
对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着降低放电功率，也就 是减少阴极熔池深度及熔融金属含量，从而减少液滴发射。在维持一 定的放电电压时，提高真空度，降低残余气体压强可明显地减少残余 气体的碰撞，电荷交换与离子复合等损失，减少发散角以及提高约束 和传输能力也是很有效的方法。
2.1.5 加强阴极冷却措施
• 实验结果
随直流偏压增大，温升速率越快， 最终稳定温度也越高。在相同的脉 冲偏压下，占空比越大，基体的沉 积温度越高。由图中可以看出脉冲 偏压Up下基体温度明显低于相同幅 值时直流偏压Udc下的温度，表明利 用脉冲偏压可以有效降低镀膜过程中 基体的温度。
图10 直流和脉冲偏压下的基体温度变化
真空镀膜技术_第10章： 离子镀
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。
离子镀膜技术
Ion Plating
§4.4 离子镀膜技术
★ 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
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。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
当 n E 远小于 ni Ei 时，
ni Ei n E
eUi 3kT
2
ni n
C
Ui T
ni n
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。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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
离子镀膜法
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：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧 光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
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。
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。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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
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。
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 W n E
3kTv Ev 2
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
直流二极型离子镀
第五章 离子溅射镀膜法.
溅射区域）；
F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；
辉 光 放 电 示 意 图
阿斯顿暗区：慢电子区域； 阴极辉光：激发态气体发光； 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降 主要在前面的三个区域：阴极位降区)； 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；
(1)影响溅射率的因素—靶材料
溅射率与靶材料种类的关系可用靶 材料元素在周期表中的位置来说明。在 相同条件下，用同一种离子对不同元素 的靶材料轰击，得到不相同的溅射率， 并且还发现溅射率呈周期性变化，其一 般规律是：溅射率随靶材元素原子序数 增加而增大（同一周期）。
溅射率与靶材元素原子序数的关系曲线
(5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；
(6) 没有发现电子轰击产生溅射。
第三节 溅射参数
溅射参数：溅射阈值，溅射产额(溅射率)，
沉积速率，溅射原子的能量
1. 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入 射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大， 但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小， 20~40eV。
实际的溅射率计算
w 6.022 1023 w m S 9.6352 104 1 mIt It 1.6 1019
式中：W为t时间内靶材的质量损失(g)，m为靶材
的原子量，I离子电流(A)
影响溅射率的因素
溅射率是描述溅射特性的一个最重 要物理参量。 它表示正离子轰击靶阴极时，平均 每个正离子能从阴极上打出的原子数。 又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。 溅射率与入射离子的种类、能量、 入射角度及靶材的类型、晶格结构、表 面状态、升华热大小等因素有关，单晶 靶材还与表面取向有关。
离子镀膜
离子镀膜的原理
离子镀法的基 本原理：将蒸 发了的金属原 子在等离子体 中离子化后在 基体材料中析 出薄膜。另外， 通过输入反应 性气体也能析 出陶瓷等化合 物薄膜
不同的离子镀膜方式
• • • • • • • • • • • 1) 直流二极型(DCIP) 2) 多阴极型 3) 活性反应蒸镀法(ARE) 4)空心阴极离子镀(HCD) 5) 射频离子镀( RFIP ) 6) 增强 ARห้องสมุดไป่ตู้ 型 7) 低压等离子体离子镀( LPPD) 8) 电场蒸发 9) 感应离子加热镀 10) 集团离子束镀 11) 多弧离子镀
多弧离子镀膜设备：
CDA450—2200系列真空多弧离 子镀膜机CDA450—2200系列真 空多弧离子镀膜机是当今世界上 用于表面涂装PVD膜层的先进专 用设备 之一
真空多弧离子镀膜
参考文献：
• • • • • • [1] 王银川 真空镀膜技术的现状及发展，《现代仪器》2000，6 [2] 杨烈宇,关文铎,顾卓明编著,《材料表面薄膜技术》北京:人民交通出版社出 版,1991 [3] 杨邦朝,王文生。《薄膜物理与技术》,电子科技大学出版社,l994，1 [4] 张小诚编《新型材料与表面改性技术》南京:华南理工大学出版社出 版,1990，12 [5] 金原 果( 日本) 著,杨希光译,《薄膜的基本技术》,北京:科学出版社,1952 [6] D.R.Charles,et al:Advances in Electronics and Electron Physics。,33A ,p279(Academic press ,1972) [7] 胡传. 表面处理技术手册[M ]. 北京: 北京工业大学出版社, 1997 [8] 张九渊.表面工程与失效分析。杭州：浙江大学出版社，2005 [9] 吴玉广, 任德亮, 徐前. 离子镀膜技术在制造业中的应用[ J]. 航空制造技术, 2003, ( 9): 64- 66. [10] 吴玉广, 李荣雪. 多弧离子镀技术在航天航空制造维修业中的应用实例 [ J]. 航空工程与维修, 1999, ( 2):47- 48. [11] 许樵府. 离子镀在航空发动机中的应用[ J]. 航空制造技术, 2002, ( 7): 7172. [12] 杨建宏. 多弧离子镀技术在钟表行业中的应用[ J]. 钟表, 1994, ( 2): 26- 29.
第四章离子镀膜
压应力，离子镀薄膜也具有压应力。
2021/8/6
2222
The End
2021/8/6
23
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
2021/8/6
14 14
分析离子镀的成膜条件
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
n 104 NA
60M
(4-1)
2021/8/6
66
n 104 N A
60M
式中， －－淀积原子在基片表面的淀积速率（m / min ）； －薄膜的密度（ g / cm3 ）；
与蒸发镀膜和溅射镀膜相比较，除具有二者的特点 外，还特别具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材 料广泛等一系列优点，因此受到人们的重视。
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22
§4-1 离子镀原理
图4-1为Mattox采用的直流二极型离子镀装置的示意图。
2021/8/6
33
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4
1. 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 1~10-1 Pa。
15 15
当 nvEv ni Ei 时，可得
ni Ei nv Ev
eUi ( ni ) C Ui
3kTv / 2 nv
Tv
(
ni nv
)（4－7）
式中，ni / nv－离子镀过程中的离化率；C－可调节参数。
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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
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分析离子镀的成膜条件
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
n 104 NA
60M
(4-1)
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n 104 N A
60M
式中， －－淀积原子在基片表面的淀积速率（m / min ）； －薄膜的密度（ g / cm3 ）；
与蒸发镀膜和溅射镀膜相比较，除具有二者的特点 外，还特别具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材 料广泛等一系列优点，因此受到人们的重视。
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§4-1 离子镀原理
图4-1为Mattox采用的直流二极型离子镀装置的示意图。
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1. 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 1~10-1 Pa。
15 15
当 nvEv ni Ei 时，可得
ni Ei nv Ev
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)（4－7）
式中，ni / nv－离子镀过程中的离化率；C－可调节参数。
离子镀和离子束沉积课件
离子镀和离子束沉积在沉积速率、涂 层质量和应用范围等方面存在差异。 离子镀的沉积速率较高，但涂层质量 相对较差；离子束沉积的涂层质量较 好，但沉积速率较慢。此外，两种技 术在应用范围上也有所不同，离子镀 在工业生产中广泛应用，而离子束沉 积则更多应用于科学研究和高技术领 域。
技术发展趋势
随着科技的不断进步和应用需求的不断提高 ，离子镀和离子束沉积技术也在不断发展。
02
离子镀技术
真空镀膜技术
01
02
03
真空技术原理
真空技术是离子镀和离子 束沉积的基础，涉及抽真 空、气体控制和测量等环 节。
真空获得技术
包括机械泵、扩散泵、油 扩散泵和涡轮分子泵等， 用于获得高真空环境。
真空测量技术
通过测量各种气体压力参 数，如真空度、漏率等， 确保镀膜过程的稳定性和 可控性。
目前，技术发展的趋势主要包括提高涂层质 量、降低成本、开发新材料和拓展应用领域 等方面。例如，采用新型的电源技术和控制 系统可以提高涂层质量和沉积速率，同时降 低能耗和生产成本；开发新型的靶材和气体 源可以扩展技术的应用范围；探索与其他表 面处理技术的结合可以创造出更优异的表面
性能。
未来展望
离子镀和离子束沉积技术作为先进的表面处理技术，在未来仍具有广阔的发展前景和应用潜力。
离子束沉积工作原理
通过高能离子束轰击固体靶材，使靶材表面的原子或分子获得足够的能量而脱 离靶材表面，并沉积在基材表面形成涂层。
应用领域
离子镀应用领域
广泛应用于航空航天、汽车、电子、 光学等领域，用于提高材料表面的硬 度、耐磨性、耐腐蚀性以及附着性等 。
离子束沉积应用领域
主要用于制备高品质的薄膜材料，如 硬质涂层、光学薄膜、磁性薄膜等。 在微电子、光电子、生物医学等领域 有广泛应用。
第7章 离子镀和离子束沉积PPT课件
3
离子镀概述
➢ 成膜条件：
淀积作用
＞
溅射剥离效应
n
n N6A0M 104
＞
nj
nj=0.63×1016 j/cm2•s
淀积原子、离子数/单位时间
入射离子数/单位时间
j：离子电流密度 , 假设轰击基片的为一价的正离子 (Ar+)
µ：淀积速率 ρ：膜层密度
NA：常数
M：膜材料质量
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4
离子镀方式
12
典型的离子镀方式
➢ 空心阴极放电离子镀HCD
HCD是利用空心热阴极放电产生等离子体的镀膜技术。
• 热阴极离子电子束 数十eV，数百A
• 离化率22-40%＋大 量高速中性粒子
• 工作压力宽，沉积 压力范围 10-1－104Torr
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13
典型的离子镀方式
➢ 多弧离子镀
把金属蒸发源（靶源）作为阴极，通过它与阳极壳体之间的弧 光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，对基体进行 沉积镀膜。
• 从阴极直接产生等离子体 • 入射粒子能量高、离化率60-80% • 蒸镀速度快，绕镀性好
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离子束沉积
离子束沉积法是利用离化的粒子作为蒸镀物质，在较低的 基片温度下形成薄膜。
金属离子入射固体表面的效应：
沉积；溅射；注入
3）破坏表面结晶结构。稳定的缺陷造成表面晶体结构的破坏变成非晶态 结构。同时，气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。
4）气体掺入。低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中，掺入气 体量可高达百分之几。
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 基体成分的不同。
离子镀膜PPT课件
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。
但在工艺实现比较困难，因为不易产生足够数量 的固态物质离子，并能将它们引出和聚焦成束。
2. 分子束外延制膜法(MBE) 外延工艺：合适的条件下，在适当的衬底上生成
一层晶格结构完整的新单晶层外延层的制膜工艺。
同质外延：外延层与衬底材料在结构和性质上 相同，但纯度可控等。
异质外延：外延层与衬底材料在结构和性质不同。
离子镀膜技术
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§4.4 离子镀膜技术
★ 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
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。
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：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
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。
离子镀膜技术概述
图14阴极自然冷却电弧光蒸发源示意图1真空室2基板3阳极4火花间隙5阴极6绝缘7引弧电源8dc电源图15阴极强制冷却的电弧光蒸发源示意图1直流电源2磁场线圈3绝缘体4阳极5阴极6引弧电源7复位弹簧8冷却水图16离子枪型多弧离子镀蒸发源1气体2屏蔽3阳极4阴极5气体喷嘴6水套图17受控电弧蒸发源1线圈2冷却水3点弧源4钛阴极56导磁环7磁轭图14为阴极自然冷却用电启动器进行引弧的电弧发源示意图
a
b
图 1.9 磁场控制电弧斑点的两种表现形式 a—在阴极表面形成环拱型磁场；b—改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀斜交，通过漂
8
移运动使电弧转移到烧蚀面
1.3.2.2 真空阳极电弧沉积技术 为改善膜层表面出现的大颗粒缺陷， 以及弧斑对阴极表面的腐蚀不均所造成 靶面局部穿孔从而使靶材浪费的缺陷， 提出了阳极弧设想， 即被镀材料作为阳极， 可有效解决上述问题。该技术利用电子轰击阳极靶材，经过电弧等离子体，可使 蒸发出来的靶材与背底气体之间发生化学反应， 因而在各种化合物薄膜及多元合 金膜层的制备方面有很大应用前景。
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流在工件负压的作用下加速到达工件表面， 与反应气体离子化合并沉积形成涂层。 该设备金属离化率较高，操作简便，蒸发源没有固定熔池，阴极电弧源可以任意 安放，镀膜均匀区大，对工件转架要求低，得到广泛使用。
1.3.2 国外设备进展
1.3.2.1 阴极电弧斑点的控制 在真空电弧技术中， 弧源的性能无疑是决定真空电弧沉积设备整体性能的关 键。设法稳定放电过程，实现对电弧的稳定控制具有重要作用。阴极斑点以很高 的速度做无规则的运动， 常常因此而跑向阴极发射表面以外的部位。这一现像尤 其易发生在初始放电阶段， 发射表面的氧化物等其他杂质的存在诱发了放电过程 的不稳定， 导致杂质气体的产生，因此限制和控制阴极斑点的运动成为问题的关 键。 小电流真空电弧的运动受磁场的影响较大， 所以可以利用磁场限制电弧并控 制阴极斑点的运动轨迹。 当磁场平行于阴极表面时， 电弧斑点作所谓的反向运动， 即运动方向与安培力方向相反。 当磁场与阴极表面相交时，则在反向运动上还叠 加一个漂移运动， 漂移运动的方向指向磁力线与阴极表面所夹的锐角区域，此即 为锐角定则。上述规律用于真空电弧沉积阴极弧源设计时，有两种表现形式：一 是在阴极表面形成环拱型磁场。 根据反向运动原理和锐角法则，电弧将沿着磁力 线与阴极表面的切线作环绕运动。调整切线的位置，可以将阴极斑点限制在某一 区域内；二是改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀面斜交，通过漂移运动使 电弧转移至烧蚀面，如图 1.9 所示
a
b
图 1.9 磁场控制电弧斑点的两种表现形式 a—在阴极表面形成环拱型磁场；b—改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀斜交，通过漂
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移运动使电弧转移到烧蚀面
1.3.2.2 真空阳极电弧沉积技术 为改善膜层表面出现的大颗粒缺陷， 以及弧斑对阴极表面的腐蚀不均所造成 靶面局部穿孔从而使靶材浪费的缺陷， 提出了阳极弧设想， 即被镀材料作为阳极， 可有效解决上述问题。该技术利用电子轰击阳极靶材，经过电弧等离子体，可使 蒸发出来的靶材与背底气体之间发生化学反应， 因而在各种化合物薄膜及多元合 金膜层的制备方面有很大应用前景。
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流在工件负压的作用下加速到达工件表面， 与反应气体离子化合并沉积形成涂层。 该设备金属离化率较高，操作简便，蒸发源没有固定熔池，阴极电弧源可以任意 安放，镀膜均匀区大，对工件转架要求低，得到广泛使用。
1.3.2 国外设备进展
1.3.2.1 阴极电弧斑点的控制 在真空电弧技术中， 弧源的性能无疑是决定真空电弧沉积设备整体性能的关 键。设法稳定放电过程，实现对电弧的稳定控制具有重要作用。阴极斑点以很高 的速度做无规则的运动， 常常因此而跑向阴极发射表面以外的部位。这一现像尤 其易发生在初始放电阶段， 发射表面的氧化物等其他杂质的存在诱发了放电过程 的不稳定， 导致杂质气体的产生，因此限制和控制阴极斑点的运动成为问题的关 键。 小电流真空电弧的运动受磁场的影响较大， 所以可以利用磁场限制电弧并控 制阴极斑点的运动轨迹。 当磁场平行于阴极表面时， 电弧斑点作所谓的反向运动， 即运动方向与安培力方向相反。 当磁场与阴极表面相交时，则在反向运动上还叠 加一个漂移运动， 漂移运动的方向指向磁力线与阴极表面所夹的锐角区域，此即 为锐角定则。上述规律用于真空电弧沉积阴极弧源设计时，有两种表现形式：一 是在阴极表面形成环拱型磁场。 根据反向运动原理和锐角法则，电弧将沿着磁力 线与阴极表面的切线作环绕运动。调整切线的位置，可以将阴极斑点限制在某一 区域内；二是改变阴极的形状，使磁场与阴极的非烧蚀面斜交，通过漂移运动使 电弧转移至烧蚀面，如图 1.9 所示
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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。
近年来在国内外都得到迅速发展。
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；
离子镀膜技术——离子镀膜的原理
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：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
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。
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
W n E
Ev
3k Tv 2
离子的能量
Wi ni Ei
薄膜表面的能量活性系数
Ei eUi
Wi W ni Ei n E
W
n E
式积轰中击，的单离位n子时数间；在单为位离面子积的上平所均淀能积量的。离子数； 是蒸发粒子的动能； 是单位E时间对单位面
ni
Ei
离子镀膜技术——离子轰击的作用
当 n 远E小于 时，ni Ei
ni Ei n E
eUi 3kT
2
ni n
C
Ui T
ni n
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。
Hale Waihona Puke 离子镀膜技术——离子轰击的作用
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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）
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
特点：
（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10-3 Torr左右开始放电。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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
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。
溅射过程：
nj
103 j 1.6 1019
0.631016
j / cm2
s
j是入射离子形成的电流密度
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。
温度升高
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）。
离子镀膜技术
Ion Plating
§4.4 离子镀膜技术
★ 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
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。
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。
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 n n j
淀积过程：
n 104 N A
60M
μ为淀积原子在基片表面的淀积速率； ρ为薄膜质量密度；M为淀积物质的摩 尔质量；NA阿佛加德罗常数。
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。
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。
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。
近年来在国内外都得到迅速发展。
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；
离子镀膜技术——离子镀膜的原理
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：
电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。
按原子或分子电离和激活方式分类：
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。
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
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离子的能量
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薄膜表面的能量活性系数
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式积轰中击，的单离位n子时数间；在单为位离面子积的上平所均淀能积量的。离子数； 是蒸发粒子的动能； 是单位E时间对单位面
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离子镀膜技术——离子轰击的作用
当 n 远E小于 时，ni Ei
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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。
Hale Waihona Puke 离子镀膜技术——离子轰击的作用
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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）
离子镀膜技术——离子镀膜的类型
特点：
（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10-3 Torr左右开始放电。
离子镀膜技术——离子轰击的作用
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
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。
溅射过程：
nj
103 j 1.6 1019
0.631016
j / cm2
s
j是入射离子形成的电流密度
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。
温度升高
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）。
离子镀膜技术
Ion Plating
§4.4 离子镀膜技术
★ 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
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。
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。
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 n n j
淀积过程：
n 104 N A
60M
μ为淀积原子在基片表面的淀积速率； ρ为薄膜质量密度；M为淀积物质的摩 尔质量；NA阿佛加德罗常数。
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。
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。