离子电镀

离子电镀

A．离子电镀的原理

离子电镀是于1964年由美国的Mattox提出的。这是一种，像真空电镀一样将金属在真空中蒸发从而形成薄膜，在这一过程中，通过将蒸发粒子离子化，增加粒子运动的能量，从而使薄膜的特性、密着性、反应性等都提高的手法。因此，也可以说离子电镀是真空电镀与运用了“喷镀法”及电子技术的离子发生技术的结合。

真空中，被离子化的蒸发粒子到达基板上时，根据运动能量的大小会发生各种各样的现象。将这些现象按顺序排列的话如下：

1、运动能量小的粒子，就像下雪一样在基板上堆积，形

成薄膜。

2、运动能量稍大的粒子，到达基板时会在基板上自由的

移动，然后再最安定的位置上安静下来并形成薄膜。

3、运动能量再大一点的话，就像夏季傍晚的雷阵雨，如

同大雨打在地面上会溅起泥水一样，离子冲撞，基板上的原子、分子被溅起来，形成喷镀现象。

4、被离子化的蒸发粒子的运动能量更大一点的话，就会

进入基板内部，形成离子注入现象。

在离子电镀中的蒸发粒子含有：离子，原子团（激起状态粒子），中性粒子。这些含有不同运动能量的粒子的存在，使得上面提到的1~4的现象在离子电镀发生时同时发生并成膜。这是离子电镀能得到优质且拥有良好密着性的薄膜的重要原因。

离子注入效果被认为是只有极少部分发生，它与喷镀现象一起将薄膜与基板融合在一起，即通过产生相互原子（原子组）的浓度斜面从而给予了薄膜良好的密着性。

即使是离子电镀也并不是说，所有的蒸发粒子全部被离子化并到达基板。离子化的比率根据离子化方法不同而不同。运用等离子体的情况下，很难把等离子区中的气体粒子与由蒸发而得来的金属离子分开，要测定正确的数值也很困难。而利用了不活泼气体的等离子体中的气体粒子会在基板表面发生喷镀清理现象，这一现象因为能在成膜前通过无力的形式来提供一个清洁的基板表面而被广泛运用，这样的前

处理工序是全体离子电镀共通的重大优点。

B．离子电镀的种类

目前，在世界上存在着多种离子电镀的装置，在这里我们根据离子电镀发展过程来简单罗列一下：

1、多阴极热电子照射法

2、高频波励起法（RF法）：我公司所用方法。

3、HCD（hollow cathode discharge）法

4、离子群法（ICB法）

5、活性化反应蒸着法（ARE法）

6、电弧放电，AIP法

7、离子束助攻蒸着

8、电子束励起等离子体离子电镀

这里介绍一下高频波励起法（RF法）：这是一种在蒸发源的正上方放置交流电圈，再加以高频交流电场来使其放电，将导入的气体和蒸发粒子离子化的方法。这种方法最大的特长是：在10-2~10-3Pa的低气压中也能轻松的维持放电，成膜在本来的高真空中也成为可能。而且，在等离子气体中使用反应性气体的话，能做反应性离子电镀，而由于等离子体中的温度也难以上升，于是能完全对应塑料基板。

近来，因为有机单一气体也被用作等离子体，因而被用来形成各种有机无机的复合膜。

反应性离子电镀

离子电镀最大的特征之一是：蒸发粒子、反应性气体通过等离子区而被离子化或被励起，变成原子团，使粒子的化学反应性增大的现象。利用这一点，在等离子气体中使用反应性气体或有机单体气体的反应性离子电镀正在成为主流。比如：导入像氮气、氧气、碳氢化合物并引起等离子状态，再把这之中的Ti、Cr、Al等反应性高的金属蒸发，合成TiN、TiC、CrN、Al2O3 等或者硅酸盐化合物薄膜。这一手法被专门用来成膜。利用上述蒸发金属离子与有反应性离子气体的化学反应形成各种化合物薄膜。

等离子区的现象很复杂，通过各种方法引起的等离子区中有励起分子、离子，这些是化学性的活性。而蒸发金属粒

子和气体相冲突，变成金属离子或是励起粒子。这些反应过程一般做如下考虑：

离子化的过程主要是通过电子：M+e- M++2e-

正离子与中性粒子相撞后被离子化：

M+A+ M++A（或者A*）

（M*+A+e-）

M+A* M++A+e-

但是其实在现实复杂离子举动的等离子区内，发生着更加复杂的反应也是一个事实。

比如，像Al2O3这样的氧化物的成膜是在等离子区中蒸发Al，一般就可以得到无色透明的Al2O3膜。金属的蒸气和氧气的各个成分在等离子区中被励起。因变成离子和励起分子以后就变得有化学活性了。金属粒子与气体的化学结合就变得容易多了。

像这样的现象，用别的气体也是可以达成的。如氮气、甲醇、氨气、硫化氢等也经常被用作反应气体。如果在这些气体中蒸发各种金属的话就能个到各种各样的氮化物、碳化物，硫化物的膜。

通过这种方式得来的膜有很多特征。而利用化学反应来成膜的话又有无需热量和其他能量的优点。而且，如果在有机单一气体中蒸发无机物的话，就能得到有机无机复合膜，

从而得到有新机能的膜。在最近被广泛使用。

D、离子电镀能得到的膜的构造

利用真空的成膜，不论方法，尽可能的在高真空（低气压）中成膜是最重要且基本的条件。在实验中，高真空得到的膜非常硬非常密。所以，离子电镀的情况下能否在高真空中放电就成了问题。

虽然所得到的膜的构造、物性，通常是根据它的使用目的来探讨的。但是，基本上，多数情况下在成膜初期就已经决定膜的构造和物性了。

比如，通过真空电镀和高频波离子电镀，在该过程的初期阶段时，用“透过电子显微镜”的图片来分析的话，从极薄极薄的时候开始，离子电镀的膜的粒子就细腻且高密度的分布着了。真空中形成的膜的结晶性也和非真空中成的膜截然不同。实验证明它们在成膜初期就有着鲜明的不同的表现。

离子的效果在比较厚的莫上也有所表现。在基板垂直方向上加上直流电场，在水平方向上加上交流电场。用“走查电子显微镜”观察膜的截面的话，能发现：在直流电场的作用下粒子在基板上作垂直于基板方向的柱状成长。另一方面，交流电场的作用下的粒子不是柱状组织而是呈现出一个光滑的截面。将两者相比较，分析离子相对于电场运动的折