在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压-离子真空镀膜机
第八章 气相沉积技术2
8.6.3 特种化学气相沉积方法
• 1、低压化学气相沉积（ LPCVD ） • LPCVD与常压CVD装置类似，不同点是需要增加 真空系统，使反应室的压力低于常压（105Pa）， 一般为（1 ～ 4）× 104Pa。 • LPCVD中的气体分子平均自由程比常压CVD提高 了1000倍，气体分子的扩散系数比常压提高约三 个数量级，这使得气体分子易于达到工件的各个 表面，薄膜均匀性得到了显著的改善。 • 目前LPCVD在微电子集成电路制造中广泛采用， 主要沉积多晶硅、SiO2、Si3N4、硅化物及难熔金 属钨等薄膜。
8.4 离子镀膜
• 离子镀是在真空蒸发镀膜和溅射镀膜的基 础上发展起来的新型镀膜技术。 • 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电离化，在气体离 子或被蒸发物离子轰击作用的同时把蒸发 物或其反应物沉积在基片上。
8.4.1 离子镀膜原理及特点
• 1、离子镀膜原理 • 离子镀膜过程包括镀膜 材料的受热、蒸发、离 子化和电场加速沉积的 过程。
•4、磁控溅射离子镀（MSIP）
• 磁控溅射离子镀是将磁 控溅射和离子镀有机结 合而成的新技术。它是 在一个装置中实现氩离 子对磁控靶材的大面积 稳定的溅射，与此同时， 在基片负偏压的作用下， 高能靶材离子到达基片 进行轰击、溅射、注入 及沉积过程。
• 磁控溅射离子镀特点 • 磁控溅射离子镀可以使膜材/基材界面形成 明显的界面混合层，因此膜层的附着性能 良好； • 能消除柱状晶，形成均匀的颗粒状晶体； • 能使材料表面合金化，提高金属材料的疲 劳强度。
• 2、离子轰击作用 • 1）离子轰击使基片产生溅射，可有效地清除基片 表面所吸附的气体、各类污染物和氧化物； • 2）离子轰击促进共混过渡层的形成。过渡层是由 基片和膜层界面上的镀料原子与基片原子共同构成 的，它可降低在界面上由于基片与膜层膨胀不一致 而产生的应力。如果离子轰击的热效应足以使界面 处产生扩散层，形成冶金结合，则更有利于提高结 合强度。 • 3）离子轰击产生压应力，而膜层的残余应力为拉 应力，所以可抵消一部分拉应力。 • 4）离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移 率，这有利于获得致密的膜层。
第7章 离子镀和离子束沉积
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 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。
• 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
14
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+
a. 电子束蒸镀离子束辅助沉积（IBAD） b. 离子束溅射辅助沉积（IBSAD），又叫双离子束溅射沉积
19
习题
1. 离子镀中采用的蒸发源和离化方式各有哪几种？ 2. 简述离子轰击对基片的作用。 3. 简述离子束辅助沉积的概念及常见的两种工艺。
20
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。
8
离子轰击在离子镀中的作用
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。
《薄膜材料与技术》复习资料总结
《薄膜材料与技术》复习资料总结【讲义总结】1.真空区域的划分：①粗真空(1x105~1x102Pa)。
在粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子间碰撞十分频繁；②低真空(1x102~1x10-1)。
低真空时气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子流状态过度，此时气体分子间碰撞次数与分子跟器壁间碰撞次数差不多；③高真空(1x10-1~1x10-6)。
当达到高真空时，气体分子的流动已经成为分子流状态，以气体分子与容器壁间的碰撞为主，且碰撞次数大大减小，蒸发材料的粒子沿直线飞行；④超高真空(＜1x10-6)。
达到超高真空时，气体分子数目更少，几乎不存在分子间碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。
2.获得真空的主要设备：旋片式机械真空泵，油扩散泵，复合分子泵，分子筛吸附泵，钛生化泵，溅射离子泵和低温泵等，其中前三种属于气体传输泵，后四种属于气体捕获泵，全为无油类真空泵。
3.输运式真空泵分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵。
4.极限压强：指使用标准容器做负载时，真空泵按规定的条件正常工作一段时间后，真空度不再变化而趋于稳定时的最低压强。
5.凡是利用机械运动来获得真空的泵称为机械泵，属于有油类真空泵。
6.旋片式真空泵泵体主要由锭子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。
7.真空测量：指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内的真空度进行测定。
这种仪器或装置称为真空计。
按测量原理分为绝对真空计和相对真空计。
8.物理气相沉积：是利用某种物理过程实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。
特点：①需要使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质；②源物质通过物理过程转变为气相，且在气相中与衬底表面不发生化学反应；③需要相对较低的气体压力环境，这样其他气体分子对于气相分子的散射作用较小，气相分子的运动路径近似直线；④气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。
在物理气相沉积技术中最基本的两种方法是蒸发法和溅射法。
9.蒸发沉积薄膜纯度取决于：①蒸发源物质的纯度；②加热装置、坩埚等可能造成的污染；③真空系统中的残留气体。
第6章离子镀膜ppt课件
3.离子能量
• 离子的溅射、沉积均与离子能量有关 ； • Vc为衬底阴极所加的负偏压，离子的平均
能量为eVc/10。当Vc为1~5kV时，离子的 平均能量为100~500 eV 。 • 这有沉积和溅射作用同时存在。 • D.G.Teer测出金属的离化率只有0.1~1%。
4.中性原子
• 受到碰撞的中性金属粒子的数量大约为金属离子数的20倍； • 但是，并非所有的高能中性原子都能到达基板。通常，约
Ei eUi ，其中Ui 是淀积离子的平均加速电压。
3.薄膜表面的能量活性系数
薄膜表面的能量活性系数 可由下式近似给出
(Wi Wv )/Wv (niEi nvEv )/ nvEv （4
当 nvEv niEi 时，可得
niEi eUi ( ni ) C Ui ( ni )
nvEv 3kTv / 2 nv Tv nv
•则
n 9.76 1016 / cm。2 s
• ②溅射剥离效应
• 设离子电流密度为j，则单位时间内轰击到基片表面的 离子数，溅射率为η，则单位时间内溅射的原子数nj,
nj
nj
103 j
1.6 1019
0.631016
j / cm2
s
• 式中，是一价正离子电荷量（只考虑一价正离子），j
是入射离子形成的电流密度。
• 与溅射镀膜，离子轰击靶（阴极）溅射出原子成膜。而离子镀中，离 子或中性原子直接在负高压（阴极）成膜。
6.2 离子镀的特点
(1）膜层附着性能好。 因为在离子镀过程中，利用辉光放电所产生的大量高能粒子对
基片表面产生阴极溅射效应，对基片表面吸附的气体和污物进行 溅射清洗，使基片表面净化，而且伴随镀膜过程这种净化清洗随 时进行，直至整个镀膜过程完成，这是离子镀获得良好附着力的 主要原因之一。
真空镀膜的三种形式
真空镀膜的三种形式真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀（也是金属反射膜的三种镀膜方式）。
1、蒸发镀膜(evaporation):通过在真空中加热蒸发某种物质使其产生金属蒸气沉积（凝聚）在固体表面成为薄膜，蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。
蒸发源1:电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状，通以电流加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质，电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。
蒸发源2:高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。
蒸发源3:电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000℃）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。
为了沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法，分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜。
2、溅射镀膜(sputtering):用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。
通常将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上，可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。
溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体(O、N等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上，沉积绝缘膜可采用高频溅射法。
新型的溅镀设备几乎都使用强力磁铁将电子成螺旋状运动以加速靶材周围的氩气离子化，造成靶与氩气离子间的撞击机率增加，提高溅镀速率。
一般金属镀膜大都采用直流(DC)溅镀，而不导电的陶瓷材料则使用射频（RF）交流溅镀。
3、离子镀(ion plating):蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。
与溅镀类似，但是将基板与周围保持0.5~2KV的负电压，使基板的前端产生暗区(dark space)，在此状态下由蒸发源放出的金属蒸气在辉光放电的电浆(plasma)中形成离子，再被暗区加速后打到基板形成披覆。
离子镀原理
离子镀原理一、引言离子镀是一种先进的表面处理技术，其基本原理是将气体引入真空镀膜室内，通过气体放电和离子化过程，将气体或固体颗粒离子化，然后将这些离子沉积在基材表面形成薄膜。
与传统的镀膜技术相比，离子镀具有许多独特的优点，如沉积速率高、附着力强、薄膜质量好等。
因此，离子镀在许多领域得到了广泛的应用，如光学、电子、机械、化学等领域。
二、离子镀原理概述离子镀的基本原理主要包括气体放电和离子化过程、基材偏压和离子能量、薄膜沉积过程等几个方面。
1.气体放电和离子化过程气体放电和离子化过程是离子镀的关键环节之一。
在真空镀膜室内，通过辉光放电或弧光放电等方式，使引入的气体或固体颗粒发生电离，形成大量的正离子和负离子。
这些离子在电场的作用下加速向基材表面运动，从而实现沉积。
气体的放电和离子化过程可以通过各种不同的电源和控制方式来实现。
2.基材偏压和离子能量基材偏压和离子能量是影响离子镀的重要因素。
基材偏压是指基材表面相对于镀膜室电极的电位差，它可以影响离子的运动轨迹和能量。
通过调整基材偏压，可以控制离子的沉积速度、薄膜的质量和附着力等。
离子的能量则决定了其与基材表面原子的相互作用程度，从而影响薄膜的结构和性能。
离子的能量可以通过控制放电电压和电流来调节。
3.薄膜沉积过程薄膜沉积过程是离子镀的主要环节之一。
在气体放电和离子化的过程中，正离子和负离子在电场的作用下加速向基材表面运动，并与基材表面碰撞，将能量传递给基材表面的原子或分子，使其脱离基材表面并被蒸发或溅射。
这些被蒸发或溅射的原子或分子在基材表面重新凝结形成薄膜。
在沉积过程中，可以通过控制沉积速率、温度、气体流量等参数来优化薄膜的结构和性能。
三、离子镀的特点离子镀作为一种先进的表面处理技术，具有许多独特的优点。
其主要特点包括：1.沉积速率高：由于气体放电和离子化的过程中可以形成大量的离子，因此离子镀的沉积速率较高，可以大大缩短加工时间和降低生产成本。
2.附着力强：由于离子镀过程中基材表面被高能离子反复轰击和刻蚀，使其表面粗糙度增加，形成“锚定”效应，使得薄膜与基材的附着力更强。
真空镀膜离子轰击原理
真空镀膜离子轰击原理
真空镀膜离子轰击原理主要涉及溅射镀膜过程。
在这个过程中，高速离子束流轰击靶材表面，使靶材表面的原子被溅射出来并进入气相。
这些溅射出来的原子随后沉积在基板上，形成薄膜。
这个原理的关键在于入射离子与靶材之间的相互作用，以及溅射产额（即每个入射离子能溅射出的原子个数）。
溅射产额越高，溅射速度越快。
常用的溅射靶材包括Cu、Au、Ag等，这
些材料的溅射产额较高。
此外，为了实现有效的溅射过程，设备内部需要处于高电压、高真空的工作环境。
由于靶材通常比较软或者具有高脆性，它们需要与背板（或背管）绑定在一起。
背板（或背管）的主要作用是固定溅射靶材，并具备良好的导电、导热性能。
在溅射镀膜过程中，入射离子可以通过直流辉光放电产生。
在一定的真空度（如10-1—10 Pa）下，在两极间加高压产生放电，正离子会轰击负电之靶材而溅射出靶材原子，并最终镀至被镀物上。
如需更多与真空镀膜有关的信息，建议阅读材料科学相关书籍或论文。
真空镀膜偏压的作用原理
真空镀膜偏压的作用原理一、引言真空镀膜是一种常见的表面处理技术，它通过在材料表面形成一层薄膜来改变材料的性能。
在真空镀膜过程中，偏压是一个重要的参数，它对薄膜的成分、结构和性能有着重要影响。
本文将探讨真空镀膜偏压的作用原理。
二、真空镀膜的基本原理真空镀膜是将一种或多种材料以原子或分子的形式沉积在基底材料表面，形成一层薄膜。
在真空环境中，通过加热源使材料升华或电弧放电使材料离子化，然后沉积在基底材料上。
真空镀膜的基本原理包括蒸发、溅射、离子镀和化学气相沉积等。
三、真空镀膜偏压的作用真空镀膜过程中，偏压是一个重要的参数。
它通过调节电场的强度和方向，对镀膜过程中的离子进行控制，从而影响薄膜的成分、结构和性能。
1. 离子能量调控在真空镀膜过程中，离子在电场的作用下加速，撞击到基底材料表面，产生动能。
偏压可以调节离子的能量，从而控制离子在基底材料表面的沉积行为。
较高的偏压可以增加离子的能量，使其在基底材料表面形成致密的结构，提高薄膜的附着力和硬度。
而较低的偏压则可以使离子能量降低，有利于形成更为均匀的薄膜。
2. 离子轰击清洗真空镀膜过程中，基底材料表面往往存在氧化物、杂质等不良物质，会影响薄膜的质量。
偏压可以调节离子的轰击能量，使其撞击到基底材料表面，清除表面的不良物质，提高薄膜的纯度和质量。
3. 离子辅助沉积在真空镀膜过程中，离子沉积在基底材料表面，可以促进薄膜的生长。
通过调节偏压，可以控制离子在基底材料表面的沉积速度和密度，从而调节薄膜的厚度和致密性。
较高的偏压可以增加离子的沉积速度，加快薄膜的生长速率。
而较低的偏压则可以使离子沉积更为均匀，改善薄膜的致密性。
四、真空镀膜偏压的选择在真空镀膜过程中，偏压的选择应根据不同的材料和要求进行调整。
一般来说，较高的偏压可以得到致密、硬度高的薄膜，适用于要求较高的应用场景。
而较低的偏压则可以得到较为均匀的薄膜，适用于要求较高均匀性的应用场景。
偏压还受到其他因素的影响，如离子束的能量、斜角度、沉积速率等。
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
离子轰击在离子镀过程中的作用
离子轰击在离子镀过程中的作用•一、离子轰击基片表面所产生的各种效果•1. 离子溅射对基片表面产生清洗作用•这一作用可清除基片表面上的污染层和氧化物。
如果轰击粒子能量高，化学活性大，则可与基片发生化学反应，其产物是易挥发或易溅射的，还可发生化学溅射从而会增加其溅射率。
•2. 产生缺陷作用•轰击粒子传递给晶格原子的能量决定于粒子的相对质量，若入射粒子传递给靶原子的能量超过离位阈（约25ev），则晶格原子就会产生离位并迁移到间隙位置中去，从而形成了空位和间隙原子等缺陷。
这些缺陷的凝聚会形成位错网络。
尽管有缺陷的凝聚，但在离子轰击的表面层区域仍然保留着级高残余浓度的点缺陷。
•3. 破坏表面结晶结构•如果离子轰击产生缺陷是充分稳定的，则表面的晶体结构会被破坏而变成非晶态结构。
同时，气体的掺入也会破坏表面结晶的结构。
•4. 改变表面形貌•无论对晶态基片还是非晶态基片，离子的轰击作用都会使表面形貌发生很大的变化，使表面粗糙度增加。
•5. 离子掺入•低能离子轰击会造成气体掺入表面和沉积膜之中。
不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕集位置、温度以及沉积粒子的能量。
一般说来，非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。
当然，轰击加热作用也会引起捕集气体的释放。
•6. 温度升高•轰击粒子能量的大部分变成表面热。
•7. 表面成分变化•由于溅射作用去造成表面成分与整体材料成分的不同，表面区域的扩散会对成分产生明显的影响。
高缺陷浓度和高温会增强扩散。
点缺陷易于在表面富集，缺陷的流动会使溶质偏析并使较小的离子在表面富集。
二、离子轰击对膜基界面的影响•当膜材原子开始沉积时，离子轰击对基片和镀层交界面会产生如下几•点影响：•1. 物理混合•这一混合可使膜基界面形成“伪扩散层”。
这是由于离子镀膜的膜基界面存在基片元素和膜材元素的物理混合现象。
因为高能粒子注入，被溅射原子的被溅射以及表面原子的反冲注入都将引起近表面区的非扩散型的混合，这种混合效果将有利于形成“伪扩散层”界面。
真空离子镀原理
真空离子镀原理
真空离子镀是一种利用离子轰击物体表面并在其上形成一层薄膜的技术。
其基本原理是利用离子的能量转移和相互作用来改变物体表面的性质。
在真空离子镀过程中，首先将待镀物置于真空室内，通过抽取真空将室内气体压力降至一定范围，以确保离子的运动自由度。
接下来，通过加热或电子束加热的方式将镀膜材料转换为气态或离子态。
镀膜材料可以是金属、合金或化合物等。
然后，在真空室中引入惰性气体（如氩气），通过高压电场或射频电场加速气体中的离子。
这些离子通过碰撞和散射与镀膜材料的原子或分子相互作用，从而将能量转移给镀膜材料表面的原子或分子。
这种能量转移会导致表面的原子或分子从基态跃迁至激发态或离解态。
当原子或分子处于激发态时，它们会自发地从能级较高的激发态返回到较低的基态，并释放出能量。
这些能量以各种形式散发出去，如光辐射、热辐射等。
同时，离子轰击还会引起原子或分子的离子化，从而改变其化学性质。
通过持续的离子轰击和原子或分子的能级跃迁，在待镀物表面逐渐形成一层致密、致密、均匀的薄膜。
薄膜的厚度可以通过调节离子能量、离子通量和镀膜时间来控制。
最终得到的镀膜具有良好的附着力、高硬度和优异的耐磨性能。
总而言之，真空离子镀利用离子的能量转移和相互作用来改变
物体表面的性质。
通过控制离子的能量和通量，可以获得具有良好性能的薄膜。
这种技术在电子、光学、材料等领域具有重要的应用价值。
离子镀膜原理
离子镀膜原理
离子镀膜是一种常见的表面处理技术，它通过在材料表面沉积一层薄膜来改善
材料的性能。
离子镀膜原理主要包括离子源、靶材、基底材料和真空室四个主要部分。
首先，离子源产生高能离子束，这些离子在真空条件下被加速并聚集成束。
离
子源通常采用的是离子轰击法或者放电法，通过电场或者磁场将气体离子化并加速，形成高速离子束。
其次，靶材是离子镀膜的原料，它可以是金属、合金、氧化物等不同材料。
靶
材被置于离子源的正对位置，当高能离子束轰击靶材时，靶材表面的原子、离子被激发、碰撞并释放出来，形成蒸气或者离子流。
然后，基底材料是需要进行镀膜的材料，它被放置在离子源和靶材之间的位置。
当蒸气或者离子流到达基底材料表面时，它们会在表面重新结晶并沉积，形成一层薄膜。
这一过程通常需要在真空条件下进行，以确保薄膜的成分和结构的稳定性。
最后，真空室是离子镀膜过程中的重要环境条件，它提供了稳定的真空环境以
保证离子束和蒸气的传输和沉积。
真空室内通常包括真空泵、真空计、气体控制系统等设备，以确保离子镀膜过程的稳定性和可控性。
总的来说，离子镀膜原理是通过离子源产生高能离子束，靶材释放蒸气或者离
子流，基底材料沉积薄膜，并在真空条件下进行的一种表面处理技术。
离子镀膜可以改善材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能，广泛应用于电子、光学、机械等领域。
通过对离子镀膜原理的了解，我们可以更好地理解离子镀膜技术的工作原理和
应用范围，为相关领域的研究和应用提供有力支持。
同时，离子镀膜技术也在不断发展和完善中，相信在未来会有更广泛的应用前景和更深入的研究价值。
真空离子镀膜原理
真空离子镀膜，也称为真空离子涂层或离子束镀膜，是一种高级表面处理技术，用于在固体材料表面沉积一层均匀、致密的薄膜。
该技术基于离子束在低压高真空环境中的物理沉积过程。
以下是真空离子镀膜的基本原理：
1. 创建离子束：
在真空离子镀膜系统中，首先需要创建一个高真空环境。
然后，将蒸发源（通常是固体或液体材料）置于真空室内，并通过电子枪或其他加热方法使其蒸发。
蒸发材料释放的蒸汽中的原子或分子在高温下获得足够的动能，部分原子或分子被蒸发源表面的电离场电离，形成带电的离子。
2. 加速离子：
带电的离子在电场的作用下被加速，形成高能离子束。
离子的能量通常在几十到几百电子伏特（eV）之间，足以使离子穿透蒸发材料并克服气体阻力。
3. 沉积薄膜：
高能离子束在经过蒸发材料时，会与材料表面相互作用，一部分离子会被反射，而另一部分离子会穿过蒸发材料并与基底材料表面碰撞。
这些离子与基底表面的原子发生碰撞，将能量传递给基底原子，导致原子迁移并重新排列，从而在基底表面形成一层新的薄膜。
4. 控制沉积过程：
整个过程可以通过控制蒸发源的材料、温度、蒸发速率、离子束的加速电压、束流密度和真空度等参数来实现，以获得具有特定成分、结构和性能的薄膜。
5. 后处理：
沉积完成后，薄膜可能需要经过后续的热处理或其他工艺步骤，以改善其结构和性能。
真空离子镀膜技术可以用于制备各种类型的薄膜，如金属薄膜、合金薄膜、氧化物薄膜等，广泛应用于半导体制造、光学元件、耐磨涂层、生物医学等领域。
离子镀
4—3 离子轰击的作用
离子镀膜区别于普通真空蒸发的许 多特性均与离子、高速中性粒子参与镀 膜过程有关。而且，在离子镀的整个过 程中都存在着离子轰击。因此，必须了 解离子轰击的作用。
参1、《薄膜物理与技术》杨邦朝等， 第四章 第三节 参2、《薄膜物理》薛增泉等，（0484/X85）
4—3 离子轰击的作用
2．离子的能量
离子的能量Wi，主要由阴极加速电 压决定，其值为: Wi=ni Ei ……(4-2) 式中，ni—单位时间对单位面积轰击的离子数; Ei—离子的平均能量， Ei≈eUi，
其中，Ui是淀积离子的平均加速电压。
3．薄膜表面的能量活性系数
薄膜表面的能量活性系数近似为： =(Wi +W)/ W =( niEi+ nE)/ nE ……(4-3) 当 nE《 niEi时，可得 ≈niEi/ nE=(ni/ n ) • eUi/(3kT /2 ) =C (ni/ n ) Ui/T ……(4-4) 式中， ni/ n —离子镀过程中的离化率； C —可调节参数。
(2)在基片表面产生缺陷和位错网。
若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(约为25eV)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(短时间微区 的高温化)。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扩散的能 力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成位错网。 (轰击过的表面尽管有缺陷的聚集，但仍将有大 量的点缺陷在表面层留下来)。
此图是 在典型的蒸 发温度T＝ 1800K时， 能量活性系 数与离化率 ni/ n和离子 的平均加速 电压Ui的关 系。
从图(4-2)可看出，能量活性系数与 加速电压的关系，在很大程度上受离化 率的限制。为了提高离子镀活性系数， 通常可通过提高离子镀装置的离化率来 实现。 几种离子镀装置的离化率值见表4— 2所示。
镀膜机离子源工作原理
镀膜机离子源工作原理
镀膜机离子源是一种常见的表面处理设备，它通过将金属或化合物材料蒸发成蒸汽，并在真空环境下离子化，然后沉积在基材表面，从而形成一层薄膜。
那么，镀膜机离子源是如何工作的呢？接下来，我们将详细介绍镀膜机离子源的工作原理。
首先，镀膜机离子源通过加热金属或化合物材料，使其升华成蒸汽。
这些蒸汽分子在真空环境中自由运动，并向基材表面扩散。
在这个过程中，蒸汽分子会与气体分子碰撞，与之相互作用，并最终沉积在基材表面上。
其次，镀膜机离子源通过引入离子化的气体，如氩气或氮气，将蒸汽分子离子化。
这些离子化的蒸汽分子具有更高的能量，能够更容易地穿透基材表面，并在表面形成更加致密、均匀的薄膜。
同时，离子化的蒸汽分子还能够提高薄膜的附着力和耐腐蚀性能。
最后，镀膜机离子源还可以通过调节离子轰击能量和角度，控制薄膜的成分和微观结构。
通过改变离子轰击能量和角度，可以调节薄膜的厚度、粗糙度、晶粒大小等性能。
这种精确的控制能够满足不同应用对薄膜性能的要求，如光学薄膜、导电薄膜、防腐蚀薄
膜等。
总的来说，镀膜机离子源通过加热材料、离子化蒸汽、控制离
子轰击能量和角度等步骤，实现对基材表面的薄膜沉积。
它具有高效、精确、可控的特点，广泛应用于光学、电子、航空航天等领域。
希望本文能够帮助您更好地了解镀膜机离子源的工作原理。
镀膜机离子源工作原理
镀膜机离子源工作原理
镀膜机离子源是一种关键的设备，用于提供离子束，用于表面镀膜或材料改性等应用。
它的工作原理如下：
1. 电离：首先，通过对气体进行电离，将气体中的原子或分子转化为带正电荷的离子，这可以通过不同的方法实现，如电子轰击、射频辐射等。
2. 加速：接下来，这些正离子通过电场受到加速，使其获得较高的运动能量。
加速可以通过电场的建立和调节来实现，以确保离子的能量达到所需的水平。
3. 焦点化：离子束在加速过程中往往会发生扩散，为了使离子束能够集中在一个较小的区域内，需要使用适当的磁场来进行聚焦。
这可以通过设置磁铁或电磁线圈来实现。
4. 传输：离子束从离子源中传输到需要进行镀膜或改性的材料表面。
这可能需要使用真空系统来确保充分的传输效果，并避免离子与气体分子的碰撞和丢失。
5. 反应：离子束到达材料表面后，通过与表面的原子或分子发生靶击或吸附等反应，实现所需的镀膜或改性效果。
反应过程中，离子的能量和电荷状态可以引起物质的结构和性质发生变化。
通过上述步骤，镀膜机离子源能够提供高能离子束，用于实现各种表面处理和材料改性的应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、对膜基界面的影响--可提高膜基界面的附着强度
（2/4）
例： 直流二极型离子镀：银膜与铁基界 面间可形成100nm厚的过渡层。 磁控溅射离子镀：铝膜铜基时，过 渡层厚度为1-4m。 而且负偏压越高，过渡层越厚。
1、对膜基界面的影响--可提高膜基界面的附着强度
（3/4）
（2）离子轰击使基片表面形貌受到破坏， 可能比未破坏的表面提供更多的成核位 置，成核密度较高。由于这种特有的微 观结构(形貌粗糙、缺陷密度高)，加之 表面沾污物的清除以及阻碍扩散和反应 成核的障碍层的破坏，也将为淀积的粒 子提供良好的核生长条件。
由表4-1可见，在离子镀中可以通过改 变Ui和ni/ n ，使值提高2-3个数量级。 例如离子的平均加速电压Ui＝500V， 离化率ni/ n 为3×10-3时，离子镀的能量活 性系数则与溅射时有相同的量级。 因此，在离子镀过程中离化率的高低 非常重要。
图4—2 能量活性系数与离化率、离子平均 加速电压的关系
(7)使基片表面温度升高。
因为轰击离子的绝大部分能量都转变成 热能。
4—3 离子轰击的作用
三、粒子轰击对薄膜生长的影响
在离子镀时，一方面有镀材粒子淀积到基 片上，另一方面由于高能离子轰击表面，使一 些粒子溅射出来。当淀积的速率大于溅射的时， 薄膜就会增厚。是一特殊的淀积与溅射的综合 过程。 粒子轰击对薄膜生长的影响主要有： 1、使膜基界面具有许多特点。 2、对薄膜的形态和结晶组分等有影响。 3、对薄膜内应力有影响。
表4-2 几种离子镀装置的离化率
4—3 离子轰击的作用
二、溅射清洗
在薄膜淀积之前的离子轰击对 基片表面的作用： （ 1/6 ） (1)对基片表面溅射清洗作用。
此作用可有效地清除基片表面所吸 附的气体、各种污染物和氧化物。 如入射离子能量高、活性大，还可与 基片物质发生化学反应乃至发生化学溅射。
镀膜前离子轰击的作用（ 2/6 ）
此图是 在典型的蒸 发温度T＝ 1800K时， 能量活性系 数与离化率 ni/ n和离子 的平均加速 电压Ui的关 系。
从图(4-2)可看出，能量活性系数与 加速电压的关系，在很大程度上受离化 率的限制。为了提高离子镀活性系数， 通常可通过提高离子镀装置的离化率来 实现。 几种离子镀装置的离化率值见表4— 2所示。
镀膜前离子轰击的作用（ 5/6 ） (5)使基片表面成分变化。
由于系统内各成分的溅射率不同，会造 成表面成分与整体成分的不同。
镀膜前离子轰击的作用（ 6/6 ） (6)使基片表面形貌变化。
表面经受离子轰击后，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。
pass
离子镀原理(2/4)
与此同时，镀材气化蒸发后，蒸 发粒子进入等离子区，与等离子区中 的正离子和被激活的惰性气体原子以 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 电场加速作用下，淀积到基片表面成 膜。
pass
离子镀原理(3/4)
由此可见，离子镀膜层的成核与 生长所需的能量，不是靠加热方式获 得，而是由离子加速的方式来激励的。 被电离的镀材离子和气体离子一起受 到电场的加速，以较高的能量轰击基 片或镀层表面，这种轰击作用一直伴 随着离子镀的全过程。
图(4-1)
离子镀原理
pass
4—1 离子镀原理(1/4)
当真空室抽至10-4Pa 的高真空后，通入 惰性气体(如氩)，使真空度达到1-10-1 Pa 。 接通高压电源，则在蒸发源与基片之 间建立起一个低压气体放电的等离子区。 由于基片处于负高压并被等离子体包围， 不断受到正离子的轰击，因此可有效地清 除基片表面的气体和污物，使成膜过程中 膜层表面始终保持清洁状态。
(2)在基片表面产生缺陷和位错网。
若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(约为25eV)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(短时间微区 的高温化)。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扩散的能 力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成位错网。 (轰击过的表面尽管有缺陷的聚集，但仍将有大 量的点缺陷在表面层留下来)。
表4-1 不同镀膜工艺的表面能量活性系数
镀膜工艺 能量活性系数 真空蒸发 溅射 离子镀 1.2 3.5 25 250 2500 1 5 ～ 10 参数 蒸发粒子所具有的能量 E ≌ 0.2eV 溅射粒子所具有的能量 Es ≌ 1～10eV 离化率 ni/ n 10-3 10-2～10-4 10-1～10-3 10-1～10-2 10-1～10-2 50V ～ 5000V 50V～5000V 500V～5000V 500V～5000V 平均加速电压Ui
3、离子轰击对薄膜内应力的影响
薄膜内应力受离子轰击的影响也很明显。内 应力是由那些尚未处于最低能量状态的原子所产 生的。离子的轰击一方面迫使一部分原子离开平 衡位置而处于一种较高的能量状态，从而引起内 应力的增加；另方面，离子轰击使基片表面所产 生的自加热效应又有利于原子的扩散。 因此，恰当地利用离子轰击的热效应或适当 地进行外部加热，可使内应力减小，同时也对提 高膜层组织的结晶性能有利。 通常，蒸发薄膜具有张应力；溅射淀积的薄 膜具有压应力；离子镀薄膜也具有压应力。
4—2 离子镀的特点(之缺点1/2)
二、缺点 (1)离子镀的应用有一定限制。由于高能离 子和中性粒子的轰击，使沉积的薄膜中 缺陷密度大大增加，且在膜与基体之间 存在较宽的过渡界面层，在有些情况下， 特别是在一些电子器件和集成电路的生 产中，都是不允许的。
离子镀的特点(之缺点2/2)
(2)由于高能粒子的轰击，基片温度较高， 在需要低温成膜的场合，须另加基片的 冷却装置。 (3)淀积的薄膜中含气较高。由于到达基片 的不仅有中性气体分子，还有气体正离 子。气体分子会吸附在膜的表面，而正 离子还能渗入薄膜中一定的深度(如能量为 1keV的Ar+能够在固体铜中渗入1nm)。
2．离子的能量
离子的能量Wi，主要由阴极加速电 压决定，其值为: Wi=ni Ei ……(4-2) 式中，ni—单位时间对单位面积轰击的离子数; Ei—离子的平均能量， Ei≈eUi，
其中，Ui是淀积离子的平均加速电压。
Hale Waihona Puke 3．薄膜表面的能量活性系数
薄膜表面的能量活性系数近似为： =(Wi +W)/ W =( niEi+ nE)/ nE ……(4-3) 当 nE《 niEi时，可得 ≈niEi/ nE=(ni/ n ) • eUi/(3kT /2 ) =C (ni/ n ) Ui/T ……(4-4) 式中， ni/ n —离子镀过程中的离化率； C —可调节参数。
与蒸发和溅射相比，离子镀特点如下： 一、优点 (1)膜层附着力强。 (2)膜层组织致密，耐蚀性好。 (3)具有绕镀性能，能够在形状复杂的零件 表面镀膜。
离子镀的特点(之优点2/2)
(4)可用来制备各种材料的薄膜，特别 是可采用反应离子镀制备各种化合 物薄膜。 (5) 成膜速率高，可与蒸发镀膜的速 率相当；且可镀厚膜（达30m）。
pass
离子镀原理(4/4)
但是，由于基片是阴极，蒸发源为阳 极，通常在两极间有1—5kV的负高压， 因此，在膜材原子淀积过程的同时，还 存在着正离子(氩离子或被电离的蒸发离 子)对基片的溅射作用。 显然，离子镀作为一种镀膜工艺， 最基本的要求是：在基片上薄膜的淀积 速率要大于被溅射的速率。
4—2 离子镀的特点(之优点1/2)
1、对膜基界面的影响--可提高膜基界面的附着强度
（1/4）
（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”。即膜基界面存在基片 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。这种过渡层，可以使基 片和膜层材料的不匹配性分散在一个较 宽的厚度区域内，从而缓和了这种不匹 配程度。对提高膜基界面的附着强度十 分有利。
一、离化率
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。 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。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W主要取决 于蒸发温度的高低，其值为： W=n E ……(4-1) 式中，n—单位时间在单位面积上所淀积 的粒子数; E—蒸发粒子的动能， E=3kT /2 其中，k为波耳兹曼常数， T为蒸发物质的温度。
概述(2/2)
离子镀把辉光放电、等离子体技术 与真空蒸发技术结合在一起，不但显著 提高了淀积薄膜的各种性能，而且大大 扩展了镀膜技术的应用范围。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，在国内外得到迅 速的发展。
几种镀膜方法中粒子能量值的比较
从式 =C (ni/ n ) Ui/T 可以看出，离子镀过 程中因基片加速电压Ui的存在，即使离化率很低 也会影响离子镀的薄膜表面的能量活性系数。 在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压， 其典型能量值为50～5000eV。 溅射所产生的中性原子也有一定的能量分布，其 平均能量约为几个电子伏。 在普通的电子束蒸发中，若蒸发温度为2000K， 则蒸发原子的平均能量为0.2eV。 各种镀膜方法所达到的能量活性系数值见 表4-1。
镀膜前离子轰击的作用（ 3/6 ） (3)破坏基片表面结晶结构。
若离子轰击产生的缺陷是很稳定的， 则表面的晶体结构就会被破坏而变成非晶 态结构。（同时，气体的掺入也会破坏表 面的结晶结构）。
镀膜前离子轰击的作用（ 4/6 ） (4)基片表面气体掺入。
低能离子轰击会造成气体掺入基片表面 以及已淀积的膜之中。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。一般，非晶材料捕集气体能力 比晶体材料强。(轰击加热作用也会使捕集的气体释放) 在某种工艺条件下，掺入气体量可高达百 分之几。