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1、1,第七章 离子镀和离子束沉积,2,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：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；附着性好表面清洗；沉积溅射密度高离子轰击，形成致密结构绕射性离化后的正离子沿电力线方向运动材料范围宽金属、非金属、合成材料、敏感材料易于化合物膜层的形成活性增加沉积速率高，成膜速度快,3,过程：,离子镀概述,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110-1Pa。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
2、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。,4,成膜条件：,离子镀概述,j：离子电流密度,假设轰击基片的为一价的正离子(Ar+)：淀积速率：膜层密度NA：常数 M：膜材料质量,5,镀料的气化方式,离子镀方式,电阻加热 电子束加热 空心阴极放电 高频感应 弧光放电,6,气化分子或原子的离化/激活方式,离子镀方式,辉光放电 电子束 热电子 离子源 弧光放电,7,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
3、。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505000 eV。,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。,8,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、
4、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。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。,9,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
5、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。,10,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
6、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。,11,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。,12,典型的离子镀
7、方式,活性反应离子镀ARE,ARE 特点电离增加了反应物的活性，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。,13,典型的离子镀方式,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 10-110-4Torr,14,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
8、，对基体进行沉积镀膜。,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,15,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,在Si(111)基片表面沉积Ge+,E 500 eV,E 50 eV,E 500 eV,16,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,可调参数 离子种类 离子能量 离子电流大小 入射角 束斑大小 离子比例 基片温度 真空度,17,离子束沉积,直接引出式和质量分离式,从离子源引出离子束后，再进行质量分离，选择其中的某种离子照射基片,18,离子束沉积,离化团束沉积,膜层致密，附着力强，结晶性好对基板及薄膜损伤小，可用于制备半导体膜和磁性膜等功能薄膜可大量输运蒸镀原子，沉积速率高可独立调节各个实验参数，镀膜过程及薄膜性能可控,19,离子束沉积,离子束辅助沉积,离子束辅助沉积是指在气相沉积镀膜的同时，用具有一定能量的离子束进行轰击，以提高薄膜质量。,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,20,习题 离子镀中采用的蒸发源和离化方式各有哪几种？简述离子轰击对基片的作用。简述离子束辅助沉积的概念及常见的两种工艺。,
