第8章離子鍍膜20131113

1、第第8章章 離子鍍膜離子鍍膜離子鍍的英文全稱離子鍍的英文全稱Ion Plating,簡稱簡稱IP。它是在真空條件下，應用氣體放電實現(xiàn)鍍膜，即在它是在真空條件下，應用氣體放電實現(xiàn)鍍膜，即在真空室中使氣體或被蒸發(fā)物質電離，在氣體離子或真空室中使氣體或被蒸發(fā)物質電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質離子的轟擊下，將蒸發(fā)物或其反應物蒸被蒸發(fā)物質離子的轟擊下，將蒸發(fā)物或其反應物蒸鍍在基片上。鍍在基片上。離子鍍把輝光放電、等離子體技術與真空蒸發(fā)技術離子鍍把輝光放電、等離子體技術與真空蒸發(fā)技術結合在一起，不但顯著提高了淀積薄膜的各種性能，結合在一起，不但顯著提高了淀積薄膜的各種性能，而且大大擴展了鍍膜技術的應用范圍。

2、而且大大擴展了鍍膜技術的應用范圍。與蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜相比較，除具有二者的特點與蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜相比較，除具有二者的特點外，還特別具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍外，還特別具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等一系列優(yōu)點，因此受到人們的重視。近材料廣泛等一系列優(yōu)點，因此受到人們的重視。近年來，在國內外得到迅速的發(fā)展。年來，在國內外得到迅速的發(fā)展。8.1 離子鍍原理離子鍍原理 結構：熱蒸發(fā)源，直流負高壓，進氣管路，。1.工作原理工作原理 當真空度抽至當真空度抽至10-4Pa的髙真空的髙真空后，通入惰性氣體（后，通入惰性氣體（Ar），使），使真空度達到真空度達到110-1Pa。 接通高壓

3、電源，則在蒸發(fā)源與接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立了一個低氣壓氣基片之間建立了一個低氣壓氣體的等離子體區(qū)。體的等離子體區(qū)。 使鍍材氣化蒸發(fā)，蒸發(fā)粒子進使鍍材氣化蒸發(fā)，蒸發(fā)粒子進入入Plasma區(qū)，與等離子區(qū)中區(qū)，與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體的正離子和被激活的惰性氣體原子及電子發(fā)生碰撞，原子及電子發(fā)生碰撞，:其中一其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，正離子在負高壓電場加速的作正離子在負高壓電場加速的作用下，到達并沉積在表面成膜；用下，到達并沉積在表面成膜；其中一部分獲得了能量的原子，其中一部分獲得了能量的原子，也到達表面并沉積成膜。也到達表面并沉積成膜。

4、2.成膜機理成膜機理1）蒸發(fā)原子與）蒸發(fā)原子與等離子區(qū)中的正離子和被激活的等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子及電子惰性氣體原子及電子發(fā)生碰撞，成為離子，或發(fā)生碰撞，成為離子，或獲得能量的原子沉積在基片表面上成膜；獲得能量的原子沉積在基片表面上成膜；2）成膜前）成膜前Ar離子的濺射清洗基片。由于基片處離子的濺射清洗基片。由于基片處于負高壓，于負高壓，Ar+轟擊表面濺射清洗表面。轟擊表面濺射清洗表面。3）基片在成膜過程中受到）基片在成膜過程中受到Ar+和被電離的蒸發(fā)和被電離的蒸發(fā)原子對基片的濺射。原子對基片的濺射。必須淀積效應優(yōu)于濺射剝離效應，沉積的離子必須淀積效應優(yōu)于濺射剝離效應，沉積的離

5、子原子數(shù)原子數(shù)n大于被濺射的原子大于被濺射的原子nj，即成膜條件，即成膜條件jnn成膜條件分析成膜條件分析只考慮蒸發(fā)原子或離子的沉積作用，則單位時間內入只考慮蒸發(fā)原子或離子的沉積作用，則單位時間內入射到單位面積上淀積的蒸發(fā)原子離子數(shù)射到單位面積上淀積的蒸發(fā)原子離子數(shù)n可用下式表示可用下式表示式中，式中，淀積原子在基片表面的淀積速率淀積原子在基片表面的淀積速率(m/min）；）；薄膜的密度薄膜的密度(g/cm3)；M淀積物質淀積物質的摩爾質量，的摩爾質量，NA=6.0291023，阿伏伽德羅常數(shù)。例如，阿伏伽德羅常數(shù)。例如，對于對于Ag， 當其蒸發(fā)速率為當其蒸發(fā)速率為1m/min時，時， Ag的

6、的 則則 。濺射剝離效應濺射剝離效應設離子電流密度為設離子電流密度為j，則單位時間內轟擊到基片表面的離，則單位時間內轟擊到基片表面的離子數(shù)子數(shù)ni，濺射率為，濺射率為，則單位時間內濺射的原子數(shù)，則單位時間內濺射的原子數(shù)nj,式中，是一價正離子電荷量（只考慮一價正離子），式中，是一價正離子電荷量（只考慮一價正離子），j是是入射離子形成的電流密度。入射離子形成的電流密度。61060ANnM1629.76 10 /(. )ncm s3107.88,10.49 /Mg cm31621910.0.63 10/.1.6 10jijnnj cm s3.離子能量離子能量 離子的濺射、沉積均與離子能量有關離子的

7、濺射、沉積均與離子能量有關 ； Vc為襯底陰極所加的負偏壓，離子的平均為襯底陰極所加的負偏壓，離子的平均能量為能量為eVc/10。當。當Vc為為15kV時，離子的時，離子的平均能量為平均能量為100500 eV 。 這有沉積和濺射作用同時存在。這有沉積和濺射作用同時存在。 D.G.Teer測出金屬的離化率只有測出金屬的離化率只有0.11%。4.中性原子 受到碰撞的中性金屬粒子的數(shù)量大約為金屬離子數(shù)的受到碰撞的中性金屬粒子的數(shù)量大約為金屬離子數(shù)的20倍；倍； 但是，并非所有的高能中性原子都能到達基板。通常，約但是，并非所有的高能中性原子都能到達基板。通常，約有有70%左右可到達基板，其余左右可到

8、達基板，其余30%則到達器壁、夾具等處。則到達器壁、夾具等處。 這些高能中性原子的平均能量為這些高能中性原子的平均能量為eVc/22，當，當Vc為為15kV時，其平均能量為時，其平均能量為45225eV?？紤]到粒子間碰撞幾率不?？紤]到粒子間碰撞幾率不相同，離子和高能中性原子的能量將在零至數(shù)千伏范圍內相同，離子和高能中性原子的能量將在零至數(shù)千伏范圍內變化，個別粒子的能量也能達到變化，個別粒子的能量也能達到15keV。 D.G.Teer測出金屬的離化率只有測出金屬的離化率只有0.11%。中性能量的原。中性能量的原子為離子數(shù)的子為離子數(shù)的20倍。倍。 所以，由于產(chǎn)生了大量高能中性原子，故提高了蒸發(fā)粒

9、子所以，由于產(chǎn)生了大量高能中性原子，故提高了蒸發(fā)粒子的總能量。因此，使得離子鍍具有許多優(yōu)點。的總能量。因此，使得離子鍍具有許多優(yōu)點。5.離子入射到固體表面的三種現(xiàn)象 金屬離子照射到固體表面上，根據(jù)入射的離子能量金屬離子照射到固體表面上，根據(jù)入射的離子能量E值的值的大小的不同，一般來說可以產(chǎn)生下述三種現(xiàn)象：大小的不同，一般來說可以產(chǎn)生下述三種現(xiàn)象： （1）沉積現(xiàn)象（）沉積現(xiàn)象（ ） （2）濺射現(xiàn)象（）濺射現(xiàn)象（ ） （3）離子注入現(xiàn)象（）離子注入現(xiàn)象（ ）。）。 沉積現(xiàn)象沉積現(xiàn)象是指照射的金屬離子附著在固體表面上的現(xiàn)是指照射的金屬離子附著在固體表面上的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與離子的動能有關，一般來說，動

10、能小，附象，這一現(xiàn)象與離子的動能有關，一般來說，動能小，附著幾率越大，獲得的沉積速率也高。著幾率越大，獲得的沉積速率也高。 隨著入射離子能量的增加，因離子轟擊作用，基片原子即隨著入射離子能量的增加，因離子轟擊作用，基片原子即會被濺射出并進入到真空室中，這就是會被濺射出并進入到真空室中，這就是濺射作用濺射作用。這時已。這時已經(jīng)附著在表面上的部分金屬原子當受到后續(xù)入射的同種離經(jīng)附著在表面上的部分金屬原子當受到后續(xù)入射的同種離子的濺射作用后還會重新返回到真空室中。子的濺射作用后還會重新返回到真空室中。 而且，如果入射離子能量再進一步增大時，離子還會注入而且，如果入射離子能量再進一步增大時，離子還會注

11、入到表面的原子層中，即產(chǎn)生到表面的原子層中，即產(chǎn)生離子注入離子注入現(xiàn)象?，F(xiàn)象。50EeV50EeV1EKeV 離子能量在離子能量在300eV以下時，沉以下時，沉積現(xiàn)象占優(yōu)勢，積現(xiàn)象占優(yōu)勢，Ge沉積量大沉積量大; 但是隨著入射離子能量的增加，但是隨著入射離子能量的增加，濺射現(xiàn)象逐漸占優(yōu)勢從而使濺射現(xiàn)象逐漸占優(yōu)勢從而使Ge的沉積量呈減少趨勢。從的沉積量呈減少趨勢。從測量測量Ge厚度來看，當離子能厚度來看，當離子能量超過量超過500eV時，時，Ge膜沒有膜沒有發(fā)現(xiàn)沉積。這一能量值，正好發(fā)現(xiàn)沉積。這一能量值，正好 與與Ge的自濺射產(chǎn)額等于的自濺射產(chǎn)額等于1時的時的能量相對應。能量相對應。 當能量超過當

12、能量超過900eV時，時，Ge附附著量又呈現(xiàn)增加的趨勢，即出著量又呈現(xiàn)增加的趨勢，即出現(xiàn)了離子注入現(xiàn)象。表現(xiàn)了離子注入現(xiàn)象。表5-15是是相應于幾種金屬成膜時所需的相應于幾種金屬成膜時所需的最大臨界能量范圍。最大臨界能量范圍?？紤]薄膜沉積過程中基片表面的清潔狀態(tài)時，由于物理吸附氣體分子考慮薄膜沉積過程中基片表面的清潔狀態(tài)時，由于物理吸附氣體分子的能量約為的能量約為0.10.5eV，化學吸附氣體的能量約為，化學吸附氣體的能量約為18eV。因此，只。因此，只要恰當?shù)剡x擇離子的照射能量，要恰當?shù)剡x擇離子的照射能量，入射的離子入射的離子就可以把這兩種分子從基就可以把這兩種分子從基片表面上轟擊掉，從而達

13、到片表面上轟擊掉，從而達到表面清潔表面清潔的目的。的目的。而且如采用而且如采用較高能量的離子對較高能量的離子對固體表面進行照射，不僅會引起基片原固體表面進行照射，不僅會引起基片原子的濺射，而且還能使基片近表面的原子發(fā)生離位，產(chǎn)生缺陷等。這子的濺射，而且還能使基片近表面的原子發(fā)生離位，產(chǎn)生缺陷等。這些原子的離位和缺陷，對于晶體膜的生長，可作為晶體生長所必需的些原子的離位和缺陷，對于晶體膜的生長，可作為晶體生長所必需的晶核。同時，隨著離子的轟擊還會促進表面原子的擴散。晶核。同時，隨著離子的轟擊還會促進表面原子的擴散。因此，束流沉積法與傳統(tǒng)的薄膜沉積法相比較，在相同的基片溫度下因此，束流沉積法與傳統(tǒng)

14、的薄膜沉積法相比較，在相同的基片溫度下產(chǎn)生晶體生長的條件是容易實現(xiàn)的。特別是在團簇離子束沉積中，沉產(chǎn)生晶體生長的條件是容易實現(xiàn)的。特別是在團簇離子束沉積中，沉積粒子更易于在基片表面上移動，這種效果可以認為是表面遷移效果積粒子更易于在基片表面上移動，這種效果可以認為是表面遷移效果所產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的。離子鍍的成膜的粒子與蒸發(fā)鍍的粒子能量主要區(qū)別，蒸發(fā)原子直接到離子鍍的成膜的粒子與蒸發(fā)鍍的粒子能量主要區(qū)別，蒸發(fā)原子直接到達表面，達表面，0.11eV; 離子鍍?yōu)檎舭l(fā)離子或高能原子，能量在幾百離子鍍?yōu)檎舭l(fā)離子或高能原子，能量在幾百幾千幾千eV。與濺射鍍膜，離子轟擊靶（陰極）濺射出原子成膜。而離子鍍中，離

15、與濺射鍍膜，離子轟擊靶（陰極）濺射出原子成膜。而離子鍍中，離子或中性原子直接在負高壓（陰極）成膜。子或中性原子直接在負高壓（陰極）成膜。8.2 離子鍍的特點離子鍍的特點 (1）膜層附著性能好。）膜層附著性能好。 因為在離子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對基片因為在離子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對基片表面產(chǎn)生陰極濺射效應，對基片表面吸附的氣體和污物進行表面產(chǎn)生陰極濺射效應，對基片表面吸附的氣體和污物進行濺射清洗濺射清洗，使基片表面凈化，而且伴隨鍍膜過程這種凈化清洗隨時進行，直至整使基片表面凈化，而且伴隨鍍膜過程這種凈化清洗隨時進行，直至整個鍍膜過程完成，這是離子鍍獲得

16、個鍍膜過程完成，這是離子鍍獲得良好附著力良好附著力的主要原因之一。的主要原因之一。 另一方面，離子鍍過程中濺射與淀積兩種現(xiàn)象并存，在鍍膜初期，另一方面，離子鍍過程中濺射與淀積兩種現(xiàn)象并存，在鍍膜初期，可在膜基界面形成組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，可在膜基界面形成組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，Mattox 稱稱之為之為“偽擴散層偽擴散層“，能有效改善膜層的附著性能。，能有效改善膜層的附著性能。 （2）膜層的密度高（通常與大塊材料密度相同）。）膜層的密度高（通常與大塊材料密度相同）。 離子鍍過程中，膜材離子和高能中性原子帶有較高的能量到達基片，離子鍍過程中，膜材離子和高能中性原子帶有較

17、高的能量到達基片，可以在基片上擴散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過程中即使形成可以在基片上擴散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過程中即使形成了蒸氣團，到達基片時也能被離子轟擊碎化，形成細小的核心，生長了蒸氣團，到達基片時也能被離子轟擊碎化，形成細小的核心，生長為細密的等軸結晶。為細密的等軸結晶。 在此過程中，高能氬離子對改善膜層的結構，并使之形成接近塊材的在此過程中，高能氬離子對改善膜層的結構，并使之形成接近塊材的密度值，發(fā)揮了重要作用。密度值，發(fā)揮了重要作用。 也可以說，鍍層質量高，主要是由于淀積膜層不斷受到正離子轟擊，也可以說，鍍層質量高，主要是由于淀積膜層不斷受到正離子轟擊，從而引起冷凝物

18、發(fā)生濺射，使膜層致密，針孔和空氣孔大大減少的緣從而引起冷凝物發(fā)生濺射，使膜層致密，針孔和空氣孔大大減少的緣故。故。 （3）繞射性能好。）繞射性能好。 離子鍍過程中，部分膜材離子被離化成正離子后，它們將離子鍍過程中，部分膜材離子被離化成正離子后，它們將沿著電場的電力線方向運動，凡是電力線分布之處，膜材沿著電場的電力線方向運動，凡是電力線分布之處，膜材離子都能到達。在離子鍍中由于工件為陰極，且?guī)ж摳邏?，離子都能到達。在離子鍍中由于工件為陰極，且?guī)ж摳邏?，因此，工件的各個表面（包括孔、槽、面向蒸發(fā)源或背向因此，工件的各個表面（包括孔、槽、面向蒸發(fā)源或背向蒸發(fā)源的表面）都處于電場之中。這樣，膜材的離子

19、就能蒸發(fā)源的表面）都處于電場之中。這樣，膜材的離子就能到達工件的所有表面。到達工件的所有表面。 另外，由于膜材在壓強較高的情況下（另外，由于膜材在壓強較高的情況下（1Pa）被電離，）被電離，氣體分子的平均自由程氣體分子的平均自由程比源基之間的距離比源基之間的距離h小，所以蒸氣小，所以蒸氣的離子或分子在它到達基片的路程中將與惰性氣體分子、的離子或分子在它到達基片的路程中將與惰性氣體分子、電子及其它蒸氣原子之間發(fā)生多次碰撞，產(chǎn)生電子及其它蒸氣原子之間發(fā)生多次碰撞，產(chǎn)生非定向的氣非定向的氣體散射效應，體散射效應，使膜材粒子散射在整個工件周圍。使膜材粒子散射在整個工件周圍。 由于上述原因，離子鍍可以在

20、基片的所有表面上淀積薄膜。由于上述原因，離子鍍可以在基片的所有表面上淀積薄膜。這是真空蒸發(fā)所無法比擬的。這是真空蒸發(fā)所無法比擬的。 (4) 可鍍材質范圍廣泛。可在金屬或非金屬表面上鍍金屬可鍍材質范圍廣泛?？稍诮饘倩蚍墙饘俦砻嫔襄兘饘倩蚍墙饘俨牧?。如塑料、石英、陶瓷和橡膠等材料，以及或非金屬材料。如塑料、石英、陶瓷和橡膠等材料，以及各種金屬、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔點材料各種金屬、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔點材料等。等。 （5） 有利于化合物膜層的形成。有利于化合物膜層的形成。 在離子鍍技術中，在蒸發(fā)金屬的同時，向真空室通入某些在離子鍍技術中，在蒸發(fā)金屬的同時，向真空室通入某些

21、反應性氣體，則可反應生成化合物。由于輝光放電低溫等反應性氣體，則可反應生成化合物。由于輝光放電低溫等離子體中高能電子的作用，將電能變成了金屬粒子的反應離子體中高能電子的作用，將電能變成了金屬粒子的反應活化能，所以可在較低溫度下形成在高溫下靠熱激發(fā)才能活化能，所以可在較低溫度下形成在高溫下靠熱激發(fā)才能形成的化合物。形成的化合物。 （6） 淀積速率高，成膜速度快，可鍍較厚的膜。通常，淀積速率高，成膜速度快，可鍍較厚的膜。通常，離子鍍淀積幾十微米厚的膜層時，其速度較其他鍍膜方法離子鍍淀積幾十微米厚的膜層時，其速度較其他鍍膜方法快。試驗表明：離子鍍鈦每小時約為快。試驗表明：離子鍍鈦每小時約為0.23，

22、鍍不銹鋼約，鍍不銹鋼約為為0.3。8.3 離子轟擊的作用離子轟擊的作用1.離化率離化率 離化率是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子數(shù)的百分比離化率是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子數(shù)的百分比例。是衡量離子鍍特性的一個重要指標。例。是衡量離子鍍特性的一個重要指標。 特別在反應離子鍍中更為重要。因為它是衡量活化程度特別在反應離子鍍中更為重要。因為它是衡量活化程度的主要參量。被蒸發(fā)原子和反應氣體的離化程度對薄膜的主要參量。被蒸發(fā)原子和反應氣體的離化程度對薄膜的各種性質都能產(chǎn)生直接影響。的各種性質都能產(chǎn)生直接影響。 在離子鍍中轟擊離子的能量取決于基片加速電壓，在離子鍍中轟擊離子的能量取決于基片加速電壓，加速

23、電壓典型能量值為加速電壓典型能量值為505000eV。離子的平均能。離子的平均能量為量為eVc/10.離子的平均能量為離子的平均能量為5500 eV. 濺射所產(chǎn)生的中性原子也有一定的能量分布，其平濺射所產(chǎn)生的中性原子也有一定的能量分布，其平均能量約為幾個電子伏。均能量約為幾個電子伏。 在普通的電子束蒸發(fā)中，若蒸發(fā)溫度為在普通的電子束蒸發(fā)中，若蒸發(fā)溫度為2000K，則，則蒸發(fā)原子的平均能量為蒸發(fā)原子的平均能量為0.2eV。 各種鍍膜方法所達到的能量活性系數(shù)各種鍍膜方法所達到的能量活性系數(shù)值見表值見表4-2。由表可見，在離子鍍中可以通過改變由表可見，在離子鍍中可以通過改變Ui和和ni/ne,使使值

24、提高值提高23個數(shù)量級。個數(shù)量級。圖4-2 能量活性系數(shù)與離化率、離子平均加速電壓的關系（1800K）如離子的平均加速電壓較低時如離子的平均加速電壓較低時,例如例如Ui=500V，離化率為，離化率為3*10-3時，離時，離子鍍的能量活性系數(shù)則與濺射時相同。因此，在離子鍍過程中離化率子鍍的能量活性系數(shù)則與濺射時相同。因此，在離子鍍過程中離化率的高低非常重要。的高低非常重要。圖圖4-2是在典型的蒸發(fā)溫度時，能量活性系數(shù)與離化率和的關系。從是在典型的蒸發(fā)溫度時，能量活性系數(shù)與離化率和的關系。從該圖可看出，能量活性系數(shù)與加速電壓的關系，在很大程度上受離化該圖可看出，能量活性系數(shù)與加速電壓的關系，在很大

25、程度上受離化率的限制。為了提高離子鍍活性系數(shù)，通常可通過提高離子鍍裝置的率的限制。為了提高離子鍍活性系數(shù)，通常可通過提高離子鍍裝置的離化率來實現(xiàn)。幾種離子鍍裝置的離化率值見表離化率來實現(xiàn)。幾種離子鍍裝置的離化率值見表4-3所示。所示。 離子鍍裝置離子鍍裝置二極型離子鍍二極型離子鍍射頻激勵型射頻激勵型離子鍍離子鍍空心陰極放電空心陰極放電型離子鍍型離子鍍電弧放電型離電弧放電型離子鍍子鍍離化率離化率0.12%10%2240%6080%表表4-3 幾種離子鍍裝置的離化率幾種離子鍍裝置的離化率 2.濺射清洗濺射清洗 在薄膜淀積之前的離子轟擊對基片表面的在薄膜淀積之前的離子轟擊對基片表面的作用如下：作用如

26、下： 1）濺射清洗作用。）濺射清洗作用。 此作用可有效地清除基此作用可有效地清除基片表面所吸附的氣體、各種污染物和氧化片表面所吸附的氣體、各種污染物和氧化物。如入射離子能量高、活性大，還可與物。如入射離子能量高、活性大，還可與基片物質發(fā)生化學反應乃至化學濺射?；镔|發(fā)生化學反應乃至化學濺射。 2）產(chǎn)生缺陷和位錯網(wǎng)。）產(chǎn)生缺陷和位錯網(wǎng)。 3）破壞表面結晶結構。如果離子轟擊產(chǎn)生）破壞表面結晶結構。如果離子轟擊產(chǎn)生的缺陷是很穩(wěn)定的，則表面的晶體結構就的缺陷是很穩(wěn)定的，則表面的晶體結構就會被破壞而變成非晶態(tài)結構。同時，氣體會被破壞而變成非晶態(tài)結構。同時，氣體的摻入也會破壞表面的結晶結構。的摻入也會破

27、壞表面的結晶結構。 4）氣體摻入。）氣體摻入。 低能離子轟擊會造成氣體摻入表面和淀積低能離子轟擊會造成氣體摻入表面和淀積膜之中。不溶性氣體的摻入能力決定于遷移率、捕獲位置、膜之中。不溶性氣體的摻入能力決定于遷移率、捕獲位置、基片溫度及淀積粒子的能量大小。一般，非晶材料捕集氣基片溫度及淀積粒子的能量大小。一般，非晶材料捕集氣體能力比晶體材料強。當然，轟擊加熱作用也會使捕集的體能力比晶體材料強。當然，轟擊加熱作用也會使捕集的氣體釋放。在某種工藝條件下，摻入氣體量可高達百分之氣體釋放。在某種工藝條件下，摻入氣體量可高達百分之幾。幾。 5）表面成分變化。）表面成分變化。 由于系統(tǒng)內各成分的濺射率不同，

28、會由于系統(tǒng)內各成分的濺射率不同，會造成表面成分與整體成分的不同，表面區(qū)的擴散對成分有造成表面成分與整體成分的不同，表面區(qū)的擴散對成分有顯著影響。高缺陷濃度和高溫也會促進擴散。點缺陷易于顯著影響。高缺陷濃度和高溫也會促進擴散。點缺陷易于聚集在表面，缺陷的移動會使溶質發(fā)生偏析并使較小的離聚集在表面，缺陷的移動會使溶質發(fā)生偏析并使較小的離子在表面聚集。子在表面聚集。 6） 表面形貌變化。表面形貌變化。 表面經(jīng)離子轟擊后，無論晶體和非表面經(jīng)離子轟擊后，無論晶體和非晶體基片的表面形貌，將會發(fā)生很大的變化，使表面粗糙晶體基片的表面形貌，將會發(fā)生很大的變化，使表面粗糙度增大，并改變?yōu)R射率。度增大，并改變?yōu)R射

29、率。 7）溫度升高。）溫度升高。 因為轟擊離子的絕大部分能量都變成熱能。因為轟擊離子的絕大部分能量都變成熱能。3.粒子轟擊對薄膜生長的影響粒子轟擊對薄膜生長的影響 在離子鍍時，一方面有鍍材粒子淀積到基片上，另一方面在離子鍍時，一方面有鍍材粒子淀積到基片上，另一方面有高能離子轟擊表面，使一些粒子濺射出來。當前者的速有高能離子轟擊表面，使一些粒子濺射出來。當前者的速率大于后者，薄膜就會增厚。這一特殊的淀積與濺射的綜率大于后者，薄膜就會增厚。這一特殊的淀積與濺射的綜合過程使膜基界面具有許多特點。合過程使膜基界面具有許多特點。 1） 首先是在濺射與淀積混雜的基礎上，由于蒸發(fā)粒子不首先是在濺射與淀積混雜

30、的基礎上，由于蒸發(fā)粒子不斷增加，在膜基面形成斷增加，在膜基面形成“偽擴散層偽擴散層”。這是一種膜基界面。這是一種膜基界面存在基片元素和蒸發(fā)膜材元素的物理混合現(xiàn)象。即在基片存在基片元素和蒸發(fā)膜材元素的物理混合現(xiàn)象。即在基片與薄膜的界面處形成一定厚度的組分過渡層。與薄膜的界面處形成一定厚度的組分過渡層。 這種過渡層，可以使基片和膜材料的不匹配性分散在一個這種過渡層，可以使基片和膜材料的不匹配性分散在一個較寬的厚度區(qū)域內，從而緩和了這種不匹配程度。這對提較寬的厚度區(qū)域內，從而緩和了這種不匹配程度。這對提高膜基界面的附著強度十分有利。直流二極型離子鍍、銀高膜基界面的附著強度十分有利。直流二極型離子鍍、

31、銀膜與鐵基界面間可形成膜與鐵基界面間可形成100nm厚的過渡層。而且負偏壓越厚的過渡層。而且負偏壓越高，過渡層越厚。高，過渡層越厚。 2） 離子轟擊的表面形貌受到破壞，可能比未破離子轟擊的表面形貌受到破壞，可能比未破壞的表面提供更多的成核位置，即使在非反應系壞的表面提供更多的成核位置，即使在非反應系統(tǒng)中成核密度也較高。統(tǒng)中成核密度也較高。 由于這種特有的微觀結構（形貌粗糙、缺陷密度由于這種特有的微觀結構（形貌粗糙、缺陷密度高），加之表面沾污物的清除以及阻礙擴散和反高），加之表面沾污物的清除以及阻礙擴散和反應成核的障礙層的破壞，也將為淀積粒子提供良應成核的障礙層的破壞，也將為淀積粒子提供良好的核

32、生長條件。好的核生長條件。 此外，膜料粒子注入表面也可成為成核位置。顯此外，膜料粒子注入表面也可成為成核位置。顯然，較高的成核密度對于減少基片與膜層界面的然，較高的成核密度對于減少基片與膜層界面的空隙十分有利。無疑，這也是離子鍍具有良好附空隙十分有利。無疑，這也是離子鍍具有良好附著力的原因之一。著力的原因之一。 3）離子對膜層的轟擊作用，對膜的形態(tài)和結晶）離子對膜層的轟擊作用，對膜的形態(tài)和結晶組分也有影響。在蒸發(fā)中由于幾何陰影效應，峰組分也有影響。在蒸發(fā)中由于幾何陰影效應，峰區(qū)的擇優(yōu)生長使淀積膜呈柱狀結構，導致島溝的區(qū)的擇優(yōu)生長使淀積膜呈柱狀結構，導致島溝的出現(xiàn)。出現(xiàn)。 而離子鍍膜時，由于離子

33、的轟擊作用，使島上的而離子鍍膜時，由于離子的轟擊作用，使島上的粒子向島溝轉移，能消除柱狀結晶，減輕陰影效粒子向島溝轉移，能消除柱狀結晶，減輕陰影效應，而且，隨著基片負偏壓的增高，轟擊基片離應，而且，隨著基片負偏壓的增高，轟擊基片離子能量也將增加，這種消除結晶的效應就越顯著，子能量也將增加，這種消除結晶的效應就越顯著，這時，代之而形成的將是均勻的顆粒狀結晶。這時，代之而形成的將是均勻的顆粒狀結晶。 4）內應力受離子轟擊的影響也很明顯。）內應力受離子轟擊的影響也很明顯。 內應力是由那些尚未處于一種最低能量狀態(tài)的原子所產(chǎn)生內應力是由那些尚未處于一種最低能量狀態(tài)的原子所產(chǎn)生的。的。 粒子的轟擊一方面迫

34、使一部分原子離開平衡位置而處于一粒子的轟擊一方面迫使一部分原子離開平衡位置而處于一種較高的能量狀態(tài)，從而引起內應力的增加，種較高的能量狀態(tài)，從而引起內應力的增加， 另一方面，粒子轟擊使基片表面所產(chǎn)生的自加熱效應又有另一方面，粒子轟擊使基片表面所產(chǎn)生的自加熱效應又有利于原子的擴散。因此，恰當?shù)睦棉Z擊的熱效應或進行利于原子的擴散。因此，恰當?shù)睦棉Z擊的熱效應或進行適當?shù)耐獠考訜幔环矫婵墒箖葢p小，適當?shù)耐獠考訜?，一方面可使內應力減小， 另外，也對提高膜層組織的結晶性能有利。通常，蒸發(fā)薄另外，也對提高膜層組織的結晶性能有利。通常，蒸發(fā)薄膜具有張應力，濺射淀積的薄膜具有壓應力，離子鍍薄膜膜具有張

35、應力，濺射淀積的薄膜具有壓應力，離子鍍薄膜也具有壓應力。也具有壓應力。4. 離子鍍膜工藝參數(shù)離子鍍膜工藝參數(shù) 為了獲得附著力好，鍍層均勻的離子鍍鍍?yōu)榱双@得附著力好，鍍層均勻的離子鍍鍍層，選擇好離子鍍工藝參數(shù)十分重要。層，選擇好離子鍍工藝參數(shù)十分重要。 直接影響離子鍍鍍層的因素較多，主要包直接影響離子鍍鍍層的因素較多，主要包括：氣體壓力、膜材的蒸發(fā)速率、蒸距、括：氣體壓力、膜材的蒸發(fā)速率、蒸距、基片的電壓和電流、基片的幾何形狀和尺基片的電壓和電流、基片的幾何形狀和尺寸以及基片溫度等。下面分別討論這些因寸以及基片溫度等。下面分別討論這些因素。素。 1) 氣體壓力和膜材的蒸發(fā)速率氣體壓力和膜材的蒸發(fā)

36、速率 離子鍍工藝過程中氣體壓力和蒸發(fā)速率這兩個參數(shù)強烈地影響著鍍離子鍍工藝過程中氣體壓力和蒸發(fā)速率這兩個參數(shù)強烈地影響著鍍層的物理性能。蒸發(fā)速率一般用蒸發(fā)源的功率來表示。層的物理性能。蒸發(fā)速率一般用蒸發(fā)源的功率來表示。 氣體壓力與鍍層均勻性的關系如表氣體壓力與鍍層均勻性的關系如表5-4。當其他條件保持不變的情。當其他條件保持不變的情況下，氣體壓力從況下，氣體壓力從710-1Pa增加到增加到3.33Pa時，基片鍍層的均勻性可時，基片鍍層的均勻性可以從以從0增加到增加到100。 實驗證明，當膜材的蒸發(fā)速率增大時，基片鍍層的均勻性反而會降低實驗證明，當膜材的蒸發(fā)速率增大時，基片鍍層的均勻性反而會降低

37、。這是由于未散射的非電離原子在基片上沉積，并且沉積在正對蒸發(fā)。這是由于未散射的非電離原子在基片上沉積，并且沉積在正對蒸發(fā)源一面的傾向增大的原故。因此，當膜材蒸發(fā)速率增加時，氣體壓力源一面的傾向增大的原故。因此，當膜材蒸發(fā)速率增加時，氣體壓力和其他工藝條件也應隨之變化，以保持鍍層良好的均勻性。和其他工藝條件也應隨之變化，以保持鍍層良好的均勻性。氣體壓力對于沉積速率和鍍層均勻性的影響如圖氣體壓力對于沉積速率和鍍層均勻性的影響如圖5-6圖中曲線表明，圖中曲線表明，欲得到最大沉積速率，氣體壓力應有一個最佳的范圍，氣壓越高前后欲得到最大沉積速率，氣體壓力應有一個最佳的范圍，氣壓越高前后兩面的鍍層越趨于均

38、勻，當達到兩面的鍍層越趨于均勻，當達到5.3310-1Pa后，工件前后面的均勻后，工件前后面的均勻性幾乎處于相同的情況。蒸發(fā)速率越小，前后兩面鍍層越均勻。性幾乎處于相同的情況。蒸發(fā)速率越小，前后兩面鍍層越均勻。圖圖5-6 平板形基片離子鍍過程中沉積速率與氣體壓力之間的關系條件平板形基片離子鍍過程中沉積速率與氣體壓力之間的關系條件，電子束功率，電子束功率鍍金時鍍金時7.2kW，鍍不銹鋼時，鍍不銹鋼時6kW，蒸距，蒸距140mm；工件電壓工件電壓2000V。2) 蒸發(fā)源與基片間的距離蒸發(fā)源與基片間的距離 離子鍍對氣體壓力的變化是較為敏感的。離子鍍對氣體壓力的變化是較為敏感的。 為了使基片的前面和背

39、面的鍍層厚度均勻，一般不采用增加氣體壓為了使基片的前面和背面的鍍層厚度均勻，一般不采用增加氣體壓力的方法，而是采用增加蒸發(fā)源到基片間距離的方法。力的方法，而是采用增加蒸發(fā)源到基片間距離的方法。圖圖5-7為基片前面和背面鍍層厚度的比率與蒸發(fā)源到基片為基片前面和背面鍍層厚度的比率與蒸發(fā)源到基片間的距離的間的距離的關系。該試驗是在氬氣壓力為關系。該試驗是在氬氣壓力為4.310-1Pa、空心陰極等離子電子、空心陰極等離子電子束束功率為功率為5.lkW、基片直流電壓為、基片直流電壓為2kV的的304號不銹鋼膜材上進行的；號不銹鋼膜材上進行的； 圖圖5-7表明，當蒸距為表明，當蒸距為200mm以上時，即已

40、達到所希望的膜厚均勻以上時，即已達到所希望的膜厚均勻牲?？梢?，鍍層的均勻性可從適當增加蒸距的距離中獲得牲?？梢姡儗拥木鶆蛐钥蓮倪m當增加蒸距的距離中獲得。 如果在實際應用中，對鍍層的均勻性要求如果在實際應用中，對鍍層的均勻性要求不高時，則可以采用較高的沉積速率。在不高時，則可以采用較高的沉積速率。在通常情況下，當氣體壓力增加時，沉積速通常情況下，當氣體壓力增加時，沉積速率下降，但鍍層的均勻性將得到改善。而率下降，但鍍層的均勻性將得到改善。而氣體壓力下降，沉積速率會增加，但會導氣體壓力下降，沉積速率會增加，但會導致鍍層均勻性的下降。致鍍層均勻性的下降。 3）沉積速率）沉積速率 沉積速率是確定工藝

41、過程的生產(chǎn)能力和沉積性能沉積速率是確定工藝過程的生產(chǎn)能力和沉積性能的重要因素。的重要因素。 試驗證明，沉積速率與電子束功率、蒸距、氣體試驗證明，沉積速率與電子束功率、蒸距、氣體壓力以及膜材種類和尺寸等許多因素有關。壓力以及膜材種類和尺寸等許多因素有關。 用熱絲電子束來蒸發(fā)任何特定材料時，在蒸距以用熱絲電子束來蒸發(fā)任何特定材料時，在蒸距以及氣體壓力保持不變的情況下，影響沉積速率的及氣體壓力保持不變的情況下，影響沉積速率的決定因素是決定因素是電子束功率電子束功率，也就是電子束的電壓和，也就是電子束的電壓和放電電流。放電電流。圖圖5-9是在蒸距及膜材毛坯規(guī)格不變的情況下，不同材料和不同電子是在蒸距及

42、膜材毛坯規(guī)格不變的情況下，不同材料和不同電子束功率時的不同的沉積速率。束功率時的不同的沉積速率。鎂的曲線表明，只要在電子束功率方面發(fā)生很小的變化，就能在沉積鎂的曲線表明，只要在電子束功率方面發(fā)生很小的變化，就能在沉積速率方面獲得很大的變化。鎢的特性則相反，即或在很大的電子束功速率方面獲得很大的變化。鎢的特性則相反，即或在很大的電子束功率下也只能獲得較低的沉積速率。率下也只能獲得較低的沉積速率。6.4 離子鍍的類型離子鍍的類型 根據(jù)膜材不同的氣化方式和離化方式，可根據(jù)膜材不同的氣化方式和離化方式，可構成不同類型的離子鍍膜方式。靶材的氣構成不同類型的離子鍍膜方式。靶材的氣化方式有：電阻加熱、電子束

43、加熱、等離化方式有：電阻加熱、電子束加熱、等離子電子束加熱、高頻感應加熱、陰極弧光子電子束加熱、高頻感應加熱、陰極弧光放電加熱等放電加熱等. 直流二極型離子鍍的結構原理直流二極型離子鍍的結構原理如圖如圖4-1所示。其特征是利用所示。其特征是利用二電極間輝光放電產(chǎn)生離子，二電極間輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的負偏壓對離并由基板上所加的負偏壓對離子加速。按巴邢定律和氣體放子加速。按巴邢定律和氣體放電理論，其輝光放電的氣壓只電理論，其輝光放電的氣壓只能維持在能維持在 。 由于工作壓強較高，故對蒸鍍由于工作壓強較高，故對蒸鍍熔點在熔點在1400以下的金屬如以下的金屬如 等多采用電等多采用電阻加熱式

44、蒸發(fā)源。阻加熱式蒸發(fā)源。 如用電子束蒸發(fā)源，必須利用如用電子束蒸發(fā)源，必須利用壓差板把電子槍室和離子鍍膜壓差板把電子槍室和離子鍍膜室分開，并采用兩套真空系統(tǒng)，室分開，并采用兩套真空系統(tǒng)，以保證電子槍工作所需的高真以保證電子槍工作所需的高真空度?？斩?。16.67 101Pa,Au Ag Cu Cr 1.直流二極型離子鍍直流二極型離子鍍的放電空間電荷密直流二極型離子鍍的放電空間電荷密度較低，陰極電流密度僅度較低，陰極電流密度僅0.250.4，離化率較低，一般為百分之零點幾，離化率較低，一般為百分之零點幾，最高也只有最高也只有2%。用它鍍制的膜層均勻、具有較好的附用它鍍制的膜層均勻、具有較好的附著力

45、和較強的繞射性，設備也比較簡著力和較強的繞射性，設備也比較簡單，鍍膜工藝容易實現(xiàn)，可用普通的單，鍍膜工藝容易實現(xiàn)，可用普通的鍍膜機改裝，因此目前仍具有較強一鍍膜機改裝，因此目前仍具有較強一定的實用價值。定的實用價值。其缺點是由于轟擊粒子能量大，對形其缺點是由于轟擊粒子能量大，對形成的膜層有剝離作用，同時會引起基成的膜層有剝離作用，同時會引起基片的溫升，結果使膜層表面粗糙，質片的溫升，結果使膜層表面粗糙，質量差，量差，另外，由于工作真空度低會對膜層造另外，由于工作真空度低會對膜層造成污染，特別是輝光放電電壓和離子成污染，特別是輝光放電電壓和離子加速電壓不易分別調整，因此工藝參加速電壓不易分別調整

46、，因此工藝參數(shù)較難控制。數(shù)較難控制。2.三極和多陰極型離子鍍三極和多陰極型離子鍍 利用熱陰極利用熱陰極6發(fā)射大量熱電子，在收集極發(fā)射大量熱電子，在收集極4的作用下橫向穿的作用下橫向穿過蒸發(fā)粒子流，發(fā)生碰撞電離。和二極型相比，三極型的過蒸發(fā)粒子流，發(fā)生碰撞電離。和二極型相比，三極型的離化率可明顯提高，基板電流密度可提高離化率可明顯提高，基板電流密度可提高1020倍。倍。 多陰極型是把被鍍基片作為陰極（主陰極），在其旁側配置幾個熱陰多陰極型是把被鍍基片作為陰極（主陰極），在其旁側配置幾個熱陰極（多陰極），利用熱陰極發(fā)出的電子促進氣體電離，實際上是在熱極（多陰極），利用熱陰極發(fā)出的電子促進氣體電離，

47、實際上是在熱陰極與陽極的電壓下維持放電，見圖陰極與陽極的電壓下維持放電，見圖4-6。因這種方式可在低氣壓下。因這種方式可在低氣壓下維持放電，故可實現(xiàn)低氣壓下的離子鍍。維持放電，故可實現(xiàn)低氣壓下的離子鍍。這兩種方式也屬于直流放電型，是二極型的改進。在直流放電離子鍍這兩種方式也屬于直流放電型，是二極型的改進。在直流放電離子鍍中，將低能電子引入等離子區(qū)中的平均自由程增加，則可顯著地提高中，將低能電子引入等離子區(qū)中的平均自由程增加，則可顯著地提高蒸鍍粒子的離化效果。蒸鍍粒子的離化效果。 由于主陰極（基板）上所加的維持輝光放電的電由于主陰極（基板）上所加的維持輝光放電的電壓不高，而且多陰極燈絲處于基板四

48、周，擴大了壓不高，而且多陰極燈絲處于基板四周，擴大了陰極區(qū)，改善了繞射性，減少了高能離子對基板陰極區(qū)，改善了繞射性，減少了高能離子對基板的轟擊作用。從而避免了二極型離子鍍?yōu)R射嚴重、的轟擊作用。從而避免了二極型離子鍍?yōu)R射嚴重、成膜粗糙、升溫快而且難以控制的缺點。成膜粗糙、升溫快而且難以控制的缺點。 由于在低氣壓下也可以維持穩(wěn)定的放電，比二極型的真空度由于在低氣壓下也可以維持穩(wěn)定的放電，比二極型的真空度高一個數(shù)量級，所以鍍膜質量好，光澤而致密。同時，因低高一個數(shù)量級，所以鍍膜質量好，光澤而致密。同時，因低能電子的引入使離化率有較大提高，可達能電子的引入使離化率有較大提高，可達10%左右。這種鍍左右

49、。這種鍍膜方式已成功地用于活性反應離子鍍上，并在手表外殼上得膜方式已成功地用于活性反應離子鍍上，并在手表外殼上得到了較為理想的到了較為理想的TiN鍍層。鍍層。 另外，通過調節(jié)多陰極燈絲的負電位，可調節(jié)其接收的離子另外，通過調節(jié)多陰極燈絲的負電位，可調節(jié)其接收的離子量，從而調節(jié)到達基片的離子數(shù)量，這也有利于控制基片的量，從而調節(jié)到達基片的離子數(shù)量，這也有利于控制基片的溫度。如果基片為絕緣體，也可通過多陰極燈絲的電子發(fā)射溫度。如果基片為絕緣體，也可通過多陰極燈絲的電子發(fā)射消除基片上的電荷積累，使鍍膜工藝得以進行。因此，多陰消除基片上的電荷積累，使鍍膜工藝得以進行。因此，多陰極式擴展了離子鍍的應用領

50、域。極式擴展了離子鍍的應用領域。3.活性反應離子鍍活性反應離子鍍 在離子鍍過程中，若在真空室中導入能和在離子鍍過程中，若在真空室中導入能和金屬蒸氣反應的氣體，如金屬蒸氣反應的氣體，如 等代替等代替Ar或將其摻入或將其摻入Ar氣中，并用各種放氣中，并用各種放電方式使金屬蒸氣和反應氣體的分子、原電方式使金屬蒸氣和反應氣體的分子、原子激活離化，促進其間的化學反應，在基子激活離化，促進其間的化學反應，在基片表面上就可獲得化合物薄膜。片表面上就可獲得化合物薄膜。 2,2224,O N C HCH 這種裝置的蒸發(fā)源通常采用這種裝置的蒸發(fā)源通常采用“e”型槍。真空室結構分上下兩室，型槍。真空室結構分上下兩室

51、， 上面為蒸發(fā)室，下面為電子束源上面為蒸發(fā)室，下面為電子束源的熱絲發(fā)射室，兩室之間設有壓的熱絲發(fā)射室，兩室之間設有壓差孔，差孔， 由電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)壓差孔由電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)壓差孔偏轉聚焦在坩堝中心使膜材加熱偏轉聚焦在坩堝中心使膜材加熱蒸發(fā)。蒸發(fā)。 采用這種槍既可加熱蒸發(fā)高熔點采用這種槍既可加熱蒸發(fā)高熔點金屬，又為激活金屬蒸氣粒子提金屬，又為激活金屬蒸氣粒子提供了電子，為高熔點金屬化合物供了電子，為高熔點金屬化合物的制備提供了良好的熱源。的制備提供了良好的熱源。 選擇不同的反應氣體，可得到不選擇不同的反應氣體，可得到不同的化合物薄膜。同的化合物薄膜。ARE法鍍膜的特法鍍膜的特點是：點是：

52、 1)基片加熱溫度低?；訜釡囟鹊?。 由于電離增加由于電離增加了反應物的活性，故容易在較低的了反應物的活性，故容易在較低的溫度下獲得附著力良好的碳化物、溫度下獲得附著力良好的碳化物、氮化物等膜層。若采用了氮化物等膜層。若采用了CVD法，法，基板則要加熱到基板則要加熱到1000左右。左右。 2)可在任何基材上制備薄膜，如金可在任何基材上制備薄膜，如金屬、玻璃、陶瓷、塑料等，并可獲屬、玻璃、陶瓷、塑料等，并可獲得多鐘化合物膜，這是得多鐘化合物膜，這是ARE離子鍍離子鍍的一個十分顯著的特點。的一個十分顯著的特點。 3)淀積速率高。淀積速率高。 每分鐘可達數(shù)微米，每分鐘可達數(shù)微米，比濺射淀積速率至少

53、高一個數(shù)量級，比濺射淀積速率至少高一個數(shù)量級，而且可制備厚膜。而且可制備厚膜。 4)調整或改變蒸發(fā)速度及反應氣體調整或改變蒸發(fā)速度及反應氣體的壓力，可十分方便地制取不同性的壓力，可十分方便地制取不同性質的同類化合物。質的同類化合物。 5)清潔無公害。清潔無公害。4.射頻離子鍍射頻離子鍍 這種離子鍍技術放電穩(wěn)定，能在這種離子鍍技術放電穩(wěn)定，能在髙真空下鍍膜。髙真空下鍍膜。 因為采用了射頻激勵方式，所以因為采用了射頻激勵方式，所以被蒸鍍物質氣化發(fā)展的離化率可被蒸鍍物質氣化發(fā)展的離化率可達達10%左右，工作壓力一般為左右，工作壓力一般為10-1-10-3Pa，僅為直流二極型的，僅為直流二極型的1%，

54、 一般射頻線圈為一般射頻線圈為7圈，高度為圈，高度為7，用直徑，用直徑3的銅絲繞制而成，的銅絲繞制而成，安裝在蒸發(fā)源和基板之間，基板安裝在蒸發(fā)源和基板之間，基板與蒸發(fā)源的距離為與蒸發(fā)源的距離為20，射頻，射頻頻率為頻率為13.56MHz或或18MHz，功，功率多為率多為12kw,直流偏壓為直流偏壓為0-1500V。 射頻離子鍍的特點是：射頻離子鍍的特點是： 1）蒸發(fā)、離化和加速三種過程可分）蒸發(fā)、離化和加速三種過程可分別獨立控制；離化率介于直流放電型別獨立控制；離化率介于直流放電型與空心陰極型之間。與空心陰極型之間。 2）在）在10-1-10-3Pa的髙真空下也能穩(wěn)的髙真空下也能穩(wěn)定放電，且離

55、化率高，鍍層質量好。定放電，且離化率高，鍍層質量好。 3）易進行反應離子鍍膜。）易進行反應離子鍍膜。 4）和其它離子鍍相比，基片溫升低，）和其它離子鍍相比，基片溫升低，且容易控制。且容易控制。 但是，這種方法由于工作真空度較高，但是，這種方法由于工作真空度較高，故鍍膜的繞射性差，射頻對人體有害，故鍍膜的繞射性差，射頻對人體有害，應進行屏蔽盒防護。應進行屏蔽盒防護。 /除此以外，還有磁控濺射離子鍍、除此以外，還有磁控濺射離子鍍、真空電弧離子鍍、空心陰極離子鍍裝真空電弧離子鍍、空心陰極離子鍍裝置等。目前，離子鍍技術已在制備敏置等。目前，離子鍍技術已在制備敏感、耐熱、耐磨、抗蝕和裝飾薄膜等感、耐熱、

56、耐磨、抗蝕和裝飾薄膜等方面，得到日益廣泛的應用。方面，得到日益廣泛的應用。5、空心陰極放電離子鍍、空心陰極放電離子鍍 空心陰極放電離子鍍空心陰極放電離子鍍(Hollow Cathode Discharge)技術技術(簡稱簡稱HCD法法)是在空心熱是在空心熱陰極離子電子束技術和離子鍍技術的基礎陰極離子電子束技術和離子鍍技術的基礎上發(fā)展起來的一種薄膜沉積工藝。上發(fā)展起來的一種薄膜沉積工藝。 該技術從該技術從1972年年Moley和和Smith首創(chuàng)后，目首創(chuàng)后，目前已成功地用于裝飾、刀具、模具、超高前已成功地用于裝飾、刀具、模具、超高真空部件等特種鍍層工藝中。真空部件等特種鍍層工藝中。1）空心陰極放

57、電離子鍍的原理及特點）空心陰極放電離子鍍的原理及特點 空心陰極放電離子鍍，是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子電子束空心陰極放電離子鍍，是利用空心熱陰極放電產(chǎn)生等離子電子束對膜材熔化，使其蒸發(fā)電離而進行制備薄膜的。對膜材熔化，使其蒸發(fā)電離而進行制備薄膜的。它是由真空鍍膜室、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空和膜厚測量、電氣控它是由真空鍍膜室、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空和膜厚測量、電氣控制及電源等幾部分所組成。制及電源等幾部分所組成。裝置的主體部分真空鍍膜室是由一個水平放置的裝置的主體部分真空鍍膜室是由一個水平放置的HCD槍、水冷銅坩槍、水冷銅坩堝和加負電位的轉動工件架和沉積基體等構件所組所。堝和加負電位的轉動工

58、件架和沉積基體等構件所組所。HCD槍發(fā)射槍發(fā)射的等離子電子束經(jīng)聚焦后在偏轉磁場作用下偏轉的等離子電子束經(jīng)聚焦后在偏轉磁場作用下偏轉90，在坩堝集束，在坩堝集束磁場作用下使束徑收縮聚焦于坩堝之中。磁場作用下使束徑收縮聚焦于坩堝之中。 圖圖5-18 HCD離子鍍裝置示意圖離子鍍裝置示意圖1-陰極鉭管陰極鉭管 2-空心陰極空心陰極 3-輔助陽極輔助陽極 4-測厚裝置測厚裝置 5-熱電偶熱電偶 6-流量計流量計7-收集極收集極 8-基片基片 9-抑制柵極抑制柵極 10-抑抑制電壓（制電壓（25v） 11-樣品偏壓樣品偏壓12-反應氣體入口反應氣體入口 13-水冷鋼坩堝水冷鋼坩堝 14-真空機組真空機組

59、 15-偏轉聚焦極偏轉聚焦極 16-主電源主電源空心陰極放電離子鍍的特點是：空心陰極放電離子鍍的特點是： 離化率高，帶電粒子密度大，而且具有大量的高速中性粒子。離化率高，帶電粒子密度大，而且具有大量的高速中性粒子。在在HCD離子鍍裝置中，等離子體電子束不僅是熱源用來氣化膜材，而離子鍍裝置中，等離子體電子束不僅是熱源用來氣化膜材，而且在金屬蒸氣通過等離子體電子束區(qū)域時，受高密度電子流中的電子且在金屬蒸氣通過等離子體電子束區(qū)域時，受高密度電子流中的電子碰撞而使膜材蒸氣離化。因此空心陰極槍即是膜材氣化的熱源又是蒸碰撞而使膜材蒸氣離化。因此空心陰極槍即是膜材氣化的熱源又是蒸發(fā)粒子的離化源。發(fā)粒子的離化

60、源。HCD槍發(fā)出的是數(shù)十電子伏，數(shù)百安培的電子束。由氣體放電理論可槍發(fā)出的是數(shù)十電子伏，數(shù)百安培的電子束。由氣體放電理論可知，能量為知，能量為50150eV的低能電子原子碰撞電離的效率比能量為的低能電子原子碰撞電離的效率比能量為kev的高能電子要高的高能電子要高12個數(shù)量級，其電子束流又比其他離子鍍方法高個數(shù)量級，其電子束流又比其他離子鍍方法高100倍，因此倍，因此HCD法中的離化率可達到法中的離化率可達到2240，其離子流密度可達，其離子流密度可達（19)1015離子離子/cm2s。比其他離化方式高。比其他離化方式高12個數(shù)量級，同時，個數(shù)量級，同時，在蒸鍍過程中含有大量的高速中性粒子，其數(shù)