离子镀和离子束沉积
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➢ 对薄膜生长的影响
• 在离子镀时，一方面有镀材粒子沉积到基片上，另一方面有高能 离子轰击表面，使一些沉积粒子溅射出来。当前者的速率大于后 者，薄膜就会增厚。这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界 面和薄膜生长具有许多特点。
1）首先是在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子不断增加，在 膜基界面形成“伪扩散层”。这是一种膜基界面存在基片元素和 蒸发膜材元素的物理混合现象。即在基片与薄膜的界面处形成一 定厚度的组分过渡层，缓和了基片和膜材料的不匹配性，可提高 膜基界面的附着强度。
2
离子镀概述
➢ 过程：
• 真空度抽至10-4Pa的髙真空后，通入 惰性气体(如Ar)，使真空度达到1~101Pa。
• 接通高压电源，在蒸发源与基片之间 建立了一个低压气体的等离子体区。
• 使镀材蒸发，蒸发粒子进入Plasma区， 与其中的正离子和被激活的惰性气体 原子及电子发生碰撞，其中一部分蒸 发粒子被电离成正离子，正离子在负 高压电场加速的作用下，到达并沉积 在基片表面成膜；其中一部分获得了 能量的原子，也沉积成膜。
➢ 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。
• 离化率是衡量离子镀特性的一个重要指标。特别在反应离 子镀中更为重要，因为它是衡量活化程度的主要参量，对 镀层薄膜的各种性质产生直接影响。
• 离子能量：在电子束蒸发镀膜中，若蒸发温度为 2000 K， 则蒸发原子的平均能量为 0.2 eV。在离子镀中，轰击离子 的能量与基片加速电压有关，典型的离子能量值为 50~5000 eV。
• 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
E 500 eV E 50 eV
E 500 eV
在Si (111) 基片表面 沉积Ge+
7
离子轰击在离子镀中的作用
➢ 对基片表面的作用（膜层沉积之前）
1）溅射清洗。高能粒子轰击基片表面，引起表面原子射出，产生溅射。 清除吸附气体、溅射掉表面物质、发生化学反应。
2）产生缺陷和位错网。轰击粒子的能量传递给表面的晶格原子。 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
第七章 离子镀和离子束沉积
1
离子镀概述
➢ 定义：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者反应物沉积在基片上。
➢ 特点：
1. 把气体的辉光放电、等离于体技术与真空蒸发镀膜结合 在一起；
2. 附着性好－表面清洗；沉积＋溅射 3. 密度高－离子轰击，形成致密结构 4. 绕射性－离化后的正离子沿电力线方向运动 5. 材料范围宽－金属、非金属、合成材料、敏感材料 6. 易于化合物膜层的形成－活性增加 7. 沉积速率高，成膜速度快
9
离子轰击在离子镀中的作用
➢ 对薄膜生长的影响
2）经离子轰击的表面形貌受到破坏，可能比未破坏的表面提供更 多的成核位置，即使在非反应系统中成核密度也较高。可减少 基片与膜层界面的空隙，使得离子镀具有良好附着力。
3）离子对膜层的轰击作用，对膜的形态和结晶组分也有影响。离 子镀膜时，由于离子的轰击作用，可消除柱状结晶，减轻阴影 效应，形成均匀的颗粒状结晶。
4）对膜层内应力的影响也很明显。内应力是由尚未处于最低能量 状态的原子所产生的。通常，蒸发薄膜具有拉应力，离子镀薄 膜具有压应力。
10
典型的离子镀方式
➢ 活性反应离子镀ARE
• 在离子镀过程中，在真 空室中导入能和金属蒸 气反应的活性气体，如 O2, N2, C2H2, CH4等代 替Ar或将其掺入Ar气中， 并用各种放电方式使金 属蒸气和反应气体的分 子、原子激活离化，促 进其间的化学反应，在 基片表面上就可获得化 合物镀层。
– 电阻加热 – 电子束加热 – 空心阴极放电 – 高频感应 – 弧光放电
5
离子镀方式
➢ 气化分子或原子的离化/激活方式
– 辉光放电 – 电子束 – 热电子 – 离子源 – 弧光放电
6
离子轰击在离子镀中的作用
离子镀膜区别于真空蒸发镀膜的许多特性均与离子、高速中 性粒子参与镀膜过程有关。在离子镀的整个过程中都存在着 离子轰击。
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典型的离子镀方式
➢ 活性反应离子镀ARE
ARE 特点
• 电离增加了反应物的活性பைடு நூலகம்基片温度低。 • 可在任何母材上制备薄膜，如金属、玻璃、陶瓷、
塑料等，并可获得多钟化合物膜。 • 沉积速率高，最高可达75 m/min。 • 化合物的生成反应和沉积物的生长是分开的，可
分别独立控制。
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典型的离子镀方式
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离子束沉积
离子束沉积方法分类： • 直接引出式 • 质量分离式 • 部分离化式（离子镀） • 离化团束沉积 • 离子束辅助沉积
3
离子镀概述
➢ 成膜条件：
淀积作用
＞
溅射剥离效应
n
n
NA
60M
10 4
＞
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
4
离子镀方式
➢ 镀料的气化方式
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。 6）表面形貌变化。表面经离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形
貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率。 7）温度升高。因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能。
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离子轰击在离子镀中的作用
➢ 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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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。
• 在离子镀时，一方面有镀材粒子沉积到基片上，另一方面有高能 离子轰击表面，使一些沉积粒子溅射出来。当前者的速率大于后 者，薄膜就会增厚。这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界 面和薄膜生长具有许多特点。
1）首先是在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子不断增加，在 膜基界面形成“伪扩散层”。这是一种膜基界面存在基片元素和 蒸发膜材元素的物理混合现象。即在基片与薄膜的界面处形成一 定厚度的组分过渡层，缓和了基片和膜材料的不匹配性，可提高 膜基界面的附着强度。
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离子镀概述
➢ 过程：
• 真空度抽至10-4Pa的髙真空后，通入 惰性气体(如Ar)，使真空度达到1~101Pa。
• 接通高压电源，在蒸发源与基片之间 建立了一个低压气体的等离子体区。
• 使镀材蒸发，蒸发粒子进入Plasma区， 与其中的正离子和被激活的惰性气体 原子及电子发生碰撞，其中一部分蒸 发粒子被电离成正离子，正离子在负 高压电场加速的作用下，到达并沉积 在基片表面成膜；其中一部分获得了 能量的原子，也沉积成膜。
➢ 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。
• 离化率是衡量离子镀特性的一个重要指标。特别在反应离 子镀中更为重要，因为它是衡量活化程度的主要参量，对 镀层薄膜的各种性质产生直接影响。
• 离子能量：在电子束蒸发镀膜中，若蒸发温度为 2000 K， 则蒸发原子的平均能量为 0.2 eV。在离子镀中，轰击离子 的能量与基片加速电压有关，典型的离子能量值为 50~5000 eV。
• 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
E 500 eV E 50 eV
E 500 eV
在Si (111) 基片表面 沉积Ge+
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离子轰击在离子镀中的作用
➢ 对基片表面的作用（膜层沉积之前）
1）溅射清洗。高能粒子轰击基片表面，引起表面原子射出，产生溅射。 清除吸附气体、溅射掉表面物质、发生化学反应。
2）产生缺陷和位错网。轰击粒子的能量传递给表面的晶格原子。 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
第七章 离子镀和离子束沉积
1
离子镀概述
➢ 定义：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者反应物沉积在基片上。
➢ 特点：
1. 把气体的辉光放电、等离于体技术与真空蒸发镀膜结合 在一起；
2. 附着性好－表面清洗；沉积＋溅射 3. 密度高－离子轰击，形成致密结构 4. 绕射性－离化后的正离子沿电力线方向运动 5. 材料范围宽－金属、非金属、合成材料、敏感材料 6. 易于化合物膜层的形成－活性增加 7. 沉积速率高，成膜速度快
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离子轰击在离子镀中的作用
➢ 对薄膜生长的影响
2）经离子轰击的表面形貌受到破坏，可能比未破坏的表面提供更 多的成核位置，即使在非反应系统中成核密度也较高。可减少 基片与膜层界面的空隙，使得离子镀具有良好附着力。
3）离子对膜层的轰击作用，对膜的形态和结晶组分也有影响。离 子镀膜时，由于离子的轰击作用，可消除柱状结晶，减轻阴影 效应，形成均匀的颗粒状结晶。
4）对膜层内应力的影响也很明显。内应力是由尚未处于最低能量 状态的原子所产生的。通常，蒸发薄膜具有拉应力，离子镀薄 膜具有压应力。
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典型的离子镀方式
➢ 活性反应离子镀ARE
• 在离子镀过程中，在真 空室中导入能和金属蒸 气反应的活性气体，如 O2, N2, C2H2, CH4等代 替Ar或将其掺入Ar气中， 并用各种放电方式使金 属蒸气和反应气体的分 子、原子激活离化，促 进其间的化学反应，在 基片表面上就可获得化 合物镀层。
– 电阻加热 – 电子束加热 – 空心阴极放电 – 高频感应 – 弧光放电
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离子镀方式
➢ 气化分子或原子的离化/激活方式
– 辉光放电 – 电子束 – 热电子 – 离子源 – 弧光放电
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离子轰击在离子镀中的作用
离子镀膜区别于真空蒸发镀膜的许多特性均与离子、高速中 性粒子参与镀膜过程有关。在离子镀的整个过程中都存在着 离子轰击。
11
典型的离子镀方式
➢ 活性反应离子镀ARE
ARE 特点
• 电离增加了反应物的活性பைடு நூலகம்基片温度低。 • 可在任何母材上制备薄膜，如金属、玻璃、陶瓷、
塑料等，并可获得多钟化合物膜。 • 沉积速率高，最高可达75 m/min。 • 化合物的生成反应和沉积物的生长是分开的，可
分别独立控制。
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典型的离子镀方式
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离子束沉积
离子束沉积方法分类： • 直接引出式 • 质量分离式 • 部分离化式（离子镀） • 离化团束沉积 • 离子束辅助沉积
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离子镀概述
➢ 成膜条件：
淀积作用
＞
溅射剥离效应
n
n
NA
60M
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＞
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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离子镀方式
➢ 镀料的气化方式
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。 6）表面形貌变化。表面经离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形
貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率。 7）温度升高。因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能。
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离子轰击在离子镀中的作用
➢ 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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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。