離子鍍膜解析課件

1、離子鍍膜技術(shù)Ion Plating4.4 離子鍍膜技術(shù) 離子鍍膜的原理 離子鍍膜的特點(diǎn) 離子轟擊的作用 離子鍍膜的類型 離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基片上。 離子鍍把氣體的輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合在一起，不僅明顯地提高了鍍層的各種性能，而且大大地?cái)U(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。 近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都得到迅速發(fā)展。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的原理 離子鍍膜的原理 離子鍍膜系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 基片為陰極，蒸發(fā)源為陽(yáng)極，建立一個(gè)低壓氣體放電的等離子區(qū)； 鍍材被氣化后，蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū)被電離，形成離子，

2、被電場(chǎng)加速后淀積到基片上成膜； 淀積和濺射同時(shí)進(jìn)行；離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的原理 離子鍍膜的成膜條件淀積過(guò)程：濺射過(guò)程： 實(shí)現(xiàn)離子鍍膜的必要條件 造成一個(gè)氣體放電的空間； 將鍍料原子(金屬原子或非金屬原子)引進(jìn)放電空間，使其部分離化。為淀積原子在基片表面的淀積速率；為薄膜質(zhì)量密度；M為淀積物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；NA阿佛加德羅常數(shù)。j是入射離子形成的電流密度離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的特點(diǎn) 離子鍍膜的優(yōu)點(diǎn) 膜層附著性好；濺射清洗，偽擴(kuò)散層形成 膜層密度高（與塊體材料相同）；正離子轟擊 繞射性能好； 可鍍材料范圍廣泛； 有利于化合物膜層的形成； 淀積速率高，成膜速率快，可鍍較厚的膜； 清洗工序簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境無(wú)污染

3、。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的特點(diǎn) 離子鍍膜的缺點(diǎn) 薄膜中的缺陷密度較高，薄膜與基片的過(guò)渡區(qū)較寬，應(yīng)用中受到限制（特別是電子器件和IC）。 由于高能粒子轟擊，基片溫度較高，有時(shí)不得不對(duì)基片進(jìn)行冷卻。 薄膜中含有氣體量較高。離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用 離子轟擊的作用離子鍍膜的整個(gè)過(guò)程中都存在著離子轟擊。 離化率：是指被電離的原子數(shù)占全部蒸發(fā)原子的百分?jǐn)?shù)。 中性粒子的能量 離子的能量 薄膜表面的能量活性系數(shù)式中， 單位時(shí)間在單位面積上所淀積的離子數(shù)； 是蒸發(fā)粒子的動(dòng)能； 是單位時(shí)間對(duì)單位面積轟擊的離子數(shù)； 為離子的平均能量。離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用當(dāng) 遠(yuǎn)小于 時(shí)， 離子鍍膜中的活化系數(shù)與離化率、基片加

4、速電壓、蒸發(fā)溫度等因素有關(guān)。離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用 濺射清洗 薄膜淀積前對(duì)基片的離子轟擊。將產(chǎn)生如下結(jié)果： 濺射清洗作用 吸附氣體、各種污染物、氧化物 產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)網(wǎng) 入射粒子傳遞給靶材原子的能量超過(guò)靶原子發(fā)生離位的最低能量時(shí)，晶格原子將會(huì)離位并遷移到晶格的間隙位置上去，從而形成空位、間隙原子和熱激勵(lì)。轟擊粒子將大部分能量傳遞給基片使其發(fā)熱，增加淀積原子在基片表面的擴(kuò)散能力，某些缺陷也可以發(fā)生遷移、聚集成為位錯(cuò)網(wǎng)。 破壞表面晶格 離子轟擊產(chǎn)生的缺陷很穩(wěn)定的話，表面的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞而成為非晶態(tài) 氣體摻入 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

5、積粒子的能量大小 非晶材料捕集氣體的能力比晶體材料強(qiáng)。 表面成分改變 濺射率不同 表面形貌變化 表面粗糙度增大，濺射率改變 溫度升高離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用離子鍍膜技術(shù)離子轟擊的作用 粒子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響 影響薄膜的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、成分、物理性能相許多其它特性。 “偽擴(kuò)散層”緩解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜的附著力。成核位置更多，核生長(zhǎng)條件更好。減小了基片和膜層界面的空隙，提高了附著力。離子轟擊能消除柱狀晶粒，形成粒狀晶粒結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)影響薄膜的內(nèi)應(yīng)力。離子轟擊強(qiáng)迫原子處于非平衡位置，使內(nèi)應(yīng)力增加。利用轟擊熱效應(yīng)或外部加熱減小內(nèi)應(yīng)力。 可提高金屬薄膜的疲勞壽命（成倍提高）。離子鍍膜技

6、術(shù)離子鍍膜的類型 離子鍍膜的類型按薄膜材料氣化方式分類：按原子或分子電離和激活方式分類： 電阻加熱、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、陰極弧光放電加熱等。 輝光放電型、電子束型、熱電子型、電弧放電型、以及各種離子源。 一般情況下，離于鍍膜設(shè)備要由真空室、蒸發(fā)源(或氣源、濺射源等)、高壓電源、離化裝置、放置基片的陰極等部分組成。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 直流二極型離子鍍 直流二極型離子鍍的特征是利用二極間的輝光放電產(chǎn)生離子、并由基板所加的負(fù)電壓對(duì)其加速。 轟擊離子能量大，引起基片溫度升高，薄膜表面粗糙，質(zhì)量差；工藝參數(shù)難于控制。 由于直流放電二極型離子鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，用普通真空鍍膜機(jī)就可以改

7、裝，因此也具有一定實(shí)用價(jià)值。特別是在附著力方面優(yōu)于其它的離子鍍方法。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 三極和多陰極型離子鍍（二極型改進(jìn)）離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 （1）二陰極法中放電開(kāi)始的氣壓為10-2Torr左右，而多陰極法為10-3Torr左右，可實(shí)現(xiàn)低氣壓下的離子鍍膜。真空度比二級(jí)型離子鍍的真空度大約高一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，鍍膜質(zhì)量好，光澤致密 （2） 二極型離子鍍膜技術(shù)中，隨著陰極電壓降低，放電起始?xì)鈮鹤兊酶?；而在多陰極方式中，陰極電壓在200V就能在10-3 Torr左右開(kāi)始放電。特點(diǎn)：離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 （3）在多陰極方式中，即使氣壓保持不變，只改變作為熱電子發(fā)射源的燈絲電流，放

8、電電流就會(huì)發(fā)生很大的變化，因此可通過(guò)改變輔助陰極(多陰極)的燈絲電流來(lái)控制放電狀態(tài)。 （4）由于主陰極(基板)上所加維持輝光放電的電壓不高，而且多陰極燈絲處于基板四周，擴(kuò)大了陰極區(qū)、改善了繞射性，減少了高能離子對(duì)工件的轟擊作用，避免了直流二極型離子鍍?yōu)R射嚴(yán)重、成膜粗糙、溫升高而難以控制的弱點(diǎn)。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 活性反應(yīng)離子鍍膜（ARE）Activated Reactive Evaporation 在離子鍍膜基礎(chǔ)上，若導(dǎo)入與金屬蒸氣起反應(yīng)的氣體，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或摻入Ar之中，并用各種不同的放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活、離化、使其活化，促進(jìn)其間的

9、化學(xué)反應(yīng)，在基片表面就可以獲得化合物薄膜，這種方法稱為活性反應(yīng)離子鍍法。 由于各種離子鍍膜裝置都可以改裝成活性反應(yīng)離子鍍，因此，ARE的種類較多。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型電子束熱絲發(fā)射室蒸發(fā)室防止蒸發(fā)飛濺物進(jìn)入電子槍工作室攔截一次電子，減小對(duì)基片的轟擊離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型特點(diǎn)： （1）電離增加了反應(yīng)物的活性，在溫度較低的情況下就能獲得附著性能良好的碳化物、氮化物薄膜。 采用CVD法要加熱到1000左右，而ARE法只需把基片加熱到500左右。 （2）可以在任何材料上制備薄膜，并可獲得多種化合物薄膜。 （3）淀積速率高。 一般每分鐘可達(dá)幾個(gè)微米，最高可達(dá)50m。而且可以通過(guò)改變電子槍的功率

10、、基片蒸發(fā)源的距離、反應(yīng)氣體壓力等實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率的有效控制。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 （4） 調(diào)節(jié)或改變蒸發(fā)速率及反應(yīng)氣體壓力可以十分方便地制取不同配比、不同結(jié)構(gòu)、不同性質(zhì)的同類化合物。 （5）由于采用了大功率、高功率密度的電子束蒸發(fā)源，幾乎可以蒸鍍所有金屬和化合物。 （6）清潔，無(wú)公害。 ARE的缺點(diǎn)：電予槍發(fā)出的高能電子除了加熱蒸發(fā)薄膜材料之外，同時(shí)還要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸氣以及反應(yīng)氣體的離化。因此，ARE法在低的沉積速率下，很難維持等離子體。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 射頻離子鍍膜技術(shù)三個(gè)區(qū)域：（1）以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)；（2）以線圈為中心的離化區(qū)；（3）以基板為中心，使生成的離子加速，

11、并沉積在基板。 通過(guò)分別調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈的激勵(lì)功率、基板偏壓等，可以對(duì)上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的控制，由此可以在一定程度上改善膜層的物性。離子鍍膜技術(shù)離子鍍膜的類型 綜上所述，射頻放電離子鍍具有下述特點(diǎn)： a. 蒸發(fā)、離化、加速三種過(guò)程可分別獨(dú)立控制，離化率靠射頻激勵(lì)，而不是靠加速直流電場(chǎng)，基板周圍不產(chǎn)生陰極暗區(qū)。 b. 在10-1-l0-3 Pa的較低工作壓力下也能穩(wěn)定放電，而且離化率較高，薄膜質(zhì)量好。 c. 容易進(jìn)行反應(yīng)離子鍍。 d. 和其它離子鍍方法相比，基板溫升低而且較容易控制。缺點(diǎn)是： 由于工作真空度較高，故鍍膜的繞射性差 射頻對(duì)人體有害 離子鍍技術(shù)可以制備敏感、耐熱、耐磨、抗蝕和裝

12、飾薄膜。離子鍍膜技術(shù)習(xí)題和思考題離子鍍膜系統(tǒng)工作的必要條件？離子鍍膜的原理及薄膜形成條件？離子鍍膜技術(shù)的分類？直流二極離子鍍、三極和多陰極離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍、射頻離子鍍的原理和特點(diǎn)？ 離子束濺射離子鍍膜法 真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜，離子鍍膜都不能控制達(dá)到基片上的粒子流。為提高成膜質(zhì)量，需要精確控制成膜過(guò)程如圖所示：離子源Ar抽氣樣品靶材克努曾噴射源優(yōu)點(diǎn)：成膜能精確控制，調(diào)束流和離子束能即可； 高真空度下成膜，膜層質(zhì)量好； 基片溫度低。 由圖可見(jiàn)，惰性離子Ar+束轟擊靶材，而將靶材分子濺射到基片上。這事實(shí)上屬二次離子束沉積。 進(jìn)一步改進(jìn)即實(shí)現(xiàn)一次離子束沉積：由固態(tài)物質(zhì)的離子束直接打在基片上沉積

13、而形成薄膜-離子束沉積法。 但在工藝實(shí)現(xiàn)比較困難，因?yàn)椴灰桩a(chǎn)生足夠數(shù)量的固態(tài)物質(zhì)離子，并能將它們引出和聚焦成束。 2. 分子束外延制膜法(MBE) 外延工藝：合適的條件下，在適當(dāng)?shù)囊r底上生成一層晶格結(jié)構(gòu)完整的新單晶層外延層的制膜工藝。 同質(zhì)外延：外延層與襯底材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上相同，但純度可控等。 異質(zhì)外延：外延層與襯底材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同。高品質(zhì)的半導(dǎo)體芯片就是由分子束外延制成。分子束外延裝置:Sn源Al源Ga源檔板樣品工作室真空：10-8Pa;分子束噴射源多個(gè);各種監(jiān)控儀等。 將物質(zhì)如Al、Ga等摻雜劑分別放入噴射源的坩熔內(nèi)，加熱使物質(zhì)熔化升華就能產(chǎn)生相應(yīng)的分子束；這是目前最精確可控的成膜技

14、術(shù)。 噴射源的孔徑遠(yuǎn)小于容器內(nèi)蒸汽分子的平均自由程；噴射源的爐溫和檔板可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)成膜及摻雜精確控制。分子束外延制膜法(MBE)的優(yōu)點(diǎn):a.能實(shí)現(xiàn)將原子一個(gè)一個(gè)在襯底上沉積；b.在超高真空下成膜，膜的質(zhì)量好，純度高；c.能獲得單晶薄膜，并且襯底溫度低；d.可同時(shí)進(jìn)行成份、形貌等實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便于科 學(xué)研究。3. 化學(xué)氣相沉積法(CVD) 一種或幾種氣態(tài)元素在一個(gè)加熱的基片上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層的過(guò)程稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)。CVD裝置：氣瓶1氣瓶2氣瓶3SSS閥閥質(zhì)量流量計(jì)加熱線圈樣品排氣石英支承板熱分解反應(yīng)沉積： 在加熱基片上進(jìn)行的熱分解反應(yīng)而形成的固態(tài)膜。SiH4(氣)

15、Si(固) + 2H2(氣)CH4(氣) C(固) + 2H2(氣)GeH4(氣) Ge(固) + 2H2(氣)2AlC3(氣) +3CO2 (氣) +3H2(氣) Al2O3(固) +6HCl+3CO(CH3)Ga(氣) +AsH3 (氣) GaAs(固) + 3CH43SiH4(氣) +4NH3 (氣) Si3H4(固) + 12H2化學(xué)反應(yīng)沉積： 在加熱基片上進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)而形成的固態(tài)膜?；瘜W(xué)氣相沉積條件：在沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓；反應(yīng)的生成物,除了所需要的沉積物為固態(tài)外， 其余都必須是氣態(tài)；沉積物本身的蒸汽壓應(yīng)足夠低，以保證在整個(gè) 沉積反應(yīng)過(guò)程中能使其保持在加熱的基體上。優(yōu)點(diǎn)：a.成膜純度高、致密、結(jié)晶定向好； b.能在較低溫度下制備難熔物質(zhì),如W、Mo、Ta等； c.便于制備各種復(fù)合材料，因?yàn)槌煞菁氨壤卓?。缺點(diǎn)：基片溫度高,沉積速度較低,幾個(gè)微米/小時(shí),參加 沉積反應(yīng)的氣源和反應(yīng)后的余氣都有一定的毒性。4. 等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD) 為了使化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行，利用了等離子體的活性來(lái)促進(jìn)反應(yīng)，因而這種CVD稱為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)即：高頻輝光放電形成等離子體 +化學(xué)反應(yīng) = PECVD反應(yīng)氣體接射頻電源樣品抽氣成膜機(jī)理：輝光放電等離子體中： 電子密度高 (1091012/cm3)電子氣溫度比普通氣體分子溫度