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
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 由于直流放电二极型离子镀设备简单，技术容 起基片温度升高，薄膜表 易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具 面粗糙，质量差；工艺参 有一定实用价值。特别是在附着力方面优于其它的 数难于控制。 离子镀方法。
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
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）。
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
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
104 N A 淀积过程： ρ为薄膜质量密度； M为淀积物质的摩 n 60M 尔质量；N 阿佛加德罗常数。
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 -2 Torr 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
A
μ 为淀积原子在基片表面的淀积速率；
103 j 16 2 nj 0.63 10 j / cm s 溅射过程： 19 1.6 10
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
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）。
近年来在国内外都得到迅速发展。
★ 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，
离子镀膜技术——离子轰击的作用
当 n E 远小于 ni Ei 时，
ni Ei eU i ni n E 3kT 2 n
U i ni C T 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
Ion Plating
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。
离子的能量 Wi ni Ei Ei eUi Wi W ni Ei n E 薄膜表面的能量活性系数 W n E 式中， n 单位时间在单位面积上所淀积的离子数；E 是蒸发
粒子的动能；ni 是单位时间对单位面积轰击的离子数； Ei 为 离子的平均能量。