第四讲 薄膜材料制备的离子镀 及其他PVD方法 Preparation of thin films b ion plating and other Pvd methods
第四讲 薄膜材料制备的离子镀 及其他PVD方法 Preparation of thin films by ion plating and other PVD methods
◆离子镀方法的原理和特点 ◆各种各样的离子镀方法 ◆其他制备薄膜的PVD方法
提 要 ◆ 离子镀方法的原理和特点 ◆ 各种各样的离子镀方法 ◆ 其他制备薄膜的PVD方法
各种其他的物理气相沉积方法 还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的PVD方 法,它们针对特定的应用目的,或是将不同的 手段结合在一起,或是对上述的某一种方法进 行了较大程度的改进,如 ◆离子镀 ◆反应蒸发沉积 离子束辅助沉积 离化团束沉积
◼ 还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的PVD方 法，它们针对特定的应用目的，或是将不同的 手段结合在一起，或是对上述的某一种方法进 行了较大程度的改进，如 各种其他的物理气相沉积方法 ◆ 离子镀 ◆ 反应蒸发沉积 ◆ 离子束辅助沉积 ◆ 离化团束沉积 ……
离子镀技术的发展历史 1938年, Berghaus申请了离子镀的第一份专利 1963年, Mattox发明了二极离子镀 1972年, Bunshah发展了活性反应离子镀 1972年, Morley发明了空心阴极电弧离子镀 1973年,村山洋一发明了射频放电离子镀 20世纪80年代初,国内外相继开发了真空阴极 电弧离子镀、多弧离子镀 ◆如今离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用 的一种重要的镀膜技术
离子镀技术的发展历史 ◆ 1938年，Berghau 申请了离子镀的第一份专利 ◆ 1963年，Mattox 发明了二极离子镀 ◆ 1972年，Bunshah发展了活性反应离子镀 ◆ 1972年，Morley发明了空心阴极电弧离子镀 ◆ 1973年，村山洋一发明了射频放电离子镀 ◆ 20世纪80年代初，国内外相继开发了真空阴极 电弧离子镀、 多弧离子镀 ◆ 如今离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用 的一种重要的镀膜技术
离子镀 引言 定义 离子镀是一种在基片上施加偏压, 即在离子对基片和薄膜发生持续轰击的条件 下制备薄膜的PVD技术 在离子镀的过程中,沉积前和沉积过程中的 基片和薄膜表面经受着相当数量的高能离子 流和大量的高能中性物质的轰击 离子镀可以被看成是一种混合型的薄膜制备 方法—它兼有蒸发法和溅射法的优点
◼ 定义 ⎯⎯ 离子镀是一种在基片上施加偏压, 即在离子对基片和薄膜发生持续轰击的条件 下制备薄膜的PVD技术 ◼ 在离子镀的过程中，沉积前和沉积过程中的 基片和薄膜表面经受着相当数量的高能离子 流和大量的高能中性物质的轰击 ◼ 离子镀可以被看成是一种混合型的薄膜制备 方法 ⎯⎯ 它兼有蒸发法和溅射法的优点 离子镀 —— 引言
最有代表性的 二极直流放 工作体 电离子镀装 置的示意图 调子体 离子镀的两个基本条 直:2 件 ●要有一个具有偏 置电压的气体放 电空间 ●要使被沉积的物 质(金属原子、 样国 气体分子)在放 子发 古弹 电空间内部分离 和射法的结合
最有代表性的 二极直流放 电离子镀装 置的示意图 蒸发和溅射法的结合 离子镀的两个基本条 件： ⚫ 要有一个具有偏 置电压的气体放 电空间 ⚫ 要使被沉积的物 质（金属原子、 气体分子）在放 电空间内部分离 化 —— ——
二极直流放电离子镀的操作环境 ◆使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质 ◆以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成 个类似于二极溅射装置的放电系统 ◆真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar ◆在沉积前和沉积中,采用高能量的离子流对衬 底和薄膜表面进行持续的轰击
◆ 使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质 ◆ 以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极组成一 个类似于二极溅射装置的放电系统 ◆ 真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气 ◆ 在沉积前和沉积中，采用高能量的离子流对衬 底和薄膜表面进行持续的轰击 二极直流放电离子镀的操作环境
二极直流放电离子镀的操作环境(续) ◆在薄膜沉积前,在阴阳两极之间施加2~5kV的电 压,使气体发生辉光放电,产生等离子体。Ar 离子在电压驱动下对衬底进行轰击 ◆在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉 积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相 互作用。由于A的电离能比被蒸发元素的电离 能更高,因而在等离子体内将会发生Ar离子与 蒸发原子之间的电荷交换,蒸发原子发生部分 的电离 含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速 并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产 生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率
◆ 在薄膜沉积前，在阴阳两极之间施加25kV的电 压，使气体发生辉光放电，产生等离子体。Ar 离子在电压驱动下对衬底进行轰击 ◆ 在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉 积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相 互作用。由于Ar的电离能比被蒸发元素的电离 能更高，因而在等离子体内将会发生Ar离子与 蒸发原子之间的电荷交换，蒸发原子发生部分 的电离 ◆ 含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速 ，并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产 生的溅射速率要低于蒸发沉积的速率 二极直流放电离子镀的操作环境（续）
离子镀时发生的微观效应 离子镀过程中,离子轰击将导致发生多个重要 的物理效应: (1)表面物质的溅射效应 (2)离子注入、在薄膜中诱发缺陷 (3)使薄膜形貌与成分发生变化 (4)使界面成分混杂 (5)气体原子的溶入 (6)基片温度升 (7)改变薄膜的应力状态,等
离子镀过程中，离子轰击将导致发生多个重要 的物理效应: （1）表面物质的溅射效应 （2）离子注入、在薄膜中诱发缺陷 （3）使薄膜形貌与成分发生变化 （4）使界面成分混杂 （5）气体原子的溶入 （6）基片温度升高 （7）改变薄膜的应力状态，等 离子镀时发生的微观效应
离子镀时发生的微观效应(续) (1)溅射效应 离子轰击会引发表面原子的溅射,尤其是会优先除 去结合松散的原子,使吸附的气体杂质从基片表面脱附 而清洁化 (2)在薄膜中诱发缺陷 轰击离子向薄膜中的晶格原子传递大量的能量,使 其迁移到间隙位置上,在薄膜表层形成高密度的点缺陷, 有时甚至使表面的结晶相转变为非晶相 (3)薄膜形貌与成分发生变化 离子轰击后,会增加基底和薄膜的表面粗糙度;轰击 会造成较小的晶粒、促进较薄厚度的薄膜形成连续薄膜 形成亚稳态的结构,以及形成非化学计量比的化合物 等。如在放电时引入活性气体,则可使活性粒子进入薄 膜中,形成诸如碳化物、氮化物等
（1）溅射效应 离子轰击会引发表面原子的溅射，尤其是会优先除 去结合松散的原子，使吸附的气体杂质从基片表面脱附 而清洁化 （2）在薄膜中诱发缺陷 轰击离子向薄膜中的晶格原子传递大量的能量，使 其迁移到间隙位置上,在薄膜表层形成高密度的点缺陷, 有时甚至使表面的结晶相转变为非晶相 （3）薄膜形貌与成分发生变化 离子轰击后,会增加基底和薄膜的表面粗糙度；轰击 会造成较小的晶粒、促进较薄厚度的薄膜形成连续薄膜 ；形成亚稳态的结构，以及形成非化学计量比的化合物 等。如在放电时引入活性气体，则可使活性粒子进入薄 膜中，形成诸如碳化物、氮化物等。 离子镀时发生的微观效应（续）