第四講-離子鍍及其他PVD方法課件

薄膜材料制備技術

ThinFilmMaterials北京科技大學材料科學學院唐偉忠Tel:62334144E-mail:wztang@課件下載網(wǎng)址：wztang_teaching@下載密碼：12345678薄膜材料制備技術

ThinFilmMaterials第四講

薄膜材料制備的離子鍍

及其他PVD

方法Preparationofthinfilmsby

ionplatingandotherPVDmethods第四講薄膜材料制備的離子鍍提要

離子鍍方法的原理和特點各種各樣的離子鍍方法其他制備薄膜的PVD方法提要離子鍍方法的原理和特點還有一些不能簡單劃歸蒸發(fā)、濺射法的PVD方法，它們針對特定的應用目的，或是將不同的手段結(jié)合在一起，或是對上述的某一種方法進行了較大程度的改進，如各種其他的物理氣相沉積方法離子鍍(蒸發(fā)+濺射)反應蒸發(fā)沉積(蒸發(fā)+反應氣體)離子束輔助沉積(蒸發(fā)+離子源)

……還有一些不能簡單劃歸蒸發(fā)、濺射法的PVD方法，它們針對特定離子鍍——

引言薄膜制備的過程可被粗分為三個階段：已介紹方法的真空蒸發(fā)法、濺射法的不足：源物質(zhì)的產(chǎn)生（蒸發(fā)、濺射等）源物質(zhì)的輸運（與其他粒子碰撞、活化與否）源物質(zhì)的沉積（形成新相、表面化學反應等）沉積粒子的能量有限（蒸發(fā)法：0.1eV;濺射法：10eV）沉積粒子的能量不能得到有效的調(diào)節(jié)離子鍍——引言薄膜制備的過程可被粗分為三個階段：已介紹方定義離子鍍是一種在等離子體存在的情況下，對襯底施加偏壓,即在離子對襯底和薄膜發(fā)生持續(xù)轟擊的條件下制備薄膜的PVD技術在離子鍍的過程中，沉積前和沉積過程中的襯底和薄膜表面經(jīng)受著相當數(shù)量的高能離子和大量的高能中性粒子流的轟擊離子鍍可以被看成是一種混合型的薄膜制備方法它兼有蒸發(fā)法和濺射法的優(yōu)點離子鍍——

引言定義離子鍍是一種在等離子體存在的情況下，對襯底施加偏離子鍍技術——

發(fā)展歷史1938年，Berghau

申請了離子鍍的第一份專利1963年，Mattox發(fā)明了二極直流放電離子鍍1972年，Bunshah發(fā)展了活化反應離子鍍1972年，Morley發(fā)明了空心陰極電弧離子鍍1973年，村山洋一發(fā)明了射頻放電離子鍍20世紀80年代初，國內(nèi)外相繼開發(fā)了真空陰極電弧離子鍍、多弧離子鍍?nèi)缃?離子鍍技術已發(fā)展成為在工業(yè)中廣泛應用的一種重要的PVD薄膜沉積技術

離子鍍技術——發(fā)展歷史1938年，Berghau申請了最有代表性的二極直流放電離子鍍裝置的示意圖

結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點有一個具有偏置電壓（-V）的氣體放電空間被沉積的物質(zhì)（金屬原子、氣體分子）在放電空間內(nèi)部分離化——

——

偏置極地電極

(1963)最有代表性的結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點————偏置極地使用電子束蒸發(fā)法提供沉積所需的物質(zhì)（在早期，濺射法還不成熟，真空電弧法還未出現(xiàn)）以襯底作為陰極、整個真空室作為陽極，組成一個類似于二極濺射裝置的放電系統(tǒng)真空室內(nèi)充入0.1-1.0Pa的Ar氣在薄膜沉積前和沉積中，采用高能量的離子流對襯底和薄膜表面進行持續(xù)的轟擊二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境

二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境在薄膜沉積前，在極之間施加25kV的電壓，使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生等離子體。Ar+

離子在電壓驅(qū)動下對襯底進行轟擊在不間斷離子轟擊的情況下開始物質(zhì)的蒸發(fā)沉積過程。蒸發(fā)出來的粒子將與等離子體發(fā)生相互作用。由于Ar+

的電離能比被蒸發(fā)元素的電離能更高，因而在等離子體內(nèi)將會發(fā)生Ar+

離子與蒸發(fā)原子之間的電荷交換，蒸發(fā)原子發(fā)生部分的電離含有相當數(shù)量離子的蒸發(fā)物質(zhì)在兩極間被加速，并帶著相應的能量轟擊薄膜。但離子轟擊產(chǎn)生的濺射速率要低于蒸發(fā)沉積的速率二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境（續(xù)）

在薄膜沉積前，在極之間施加25kV的電壓，使氣體發(fā)生輝光放

離子鍍的獨特之處：使用高能離子對襯底和薄膜表面進行轟擊。因此，離化率——

電離原子占全部被蒸發(fā)原子的百分數(shù)ni/n，是離子鍍過程最重要的參量常見離子鍍過程的粒子離化率為離子鍍過程中粒子的離化率離子鍍的過程二極直流放電離子鍍射頻放電離子鍍空心陰極電弧離子鍍真空陰極電弧離子鍍離化率ni/n0.1%10%20-40%60-80%離化率增加↗離子鍍的獨特之處：使用高能離子對襯底和薄膜表面進行轟離子的能量正比于加速電壓V，即：提高粒子離化率的意義

在離子鍍過程中，中性粒子所攜帶的能量由熱蒸發(fā)時的加熱溫度所決定，即：

w=1/2kT0.1eVwi=eVw；100-1000eV因此，離子鍍時每個沉積原子的能量平均為

即它正比于粒子的離化率，遠大于熱蒸發(fā)粒子的能量

離子的能量正比于加速電壓V，即：提高粒子離化率的意義在

離子鍍過程中，離子轟擊將導致發(fā)生多個重要的物理效應:（1）表面物質(zhì)的濺射效應（2）離子注入、在薄膜中誘發(fā)缺陷（3）使薄膜形貌與成分發(fā)生變化（4）使界面成分發(fā)生混雜（5）氣體原子的溶入（6）基片溫度升高（7）改變薄膜的應力狀態(tài)，等離子鍍時發(fā)生的微觀效應離子鍍過程中，離子轟擊將導致發(fā)生多個重要的物理效應:（1）濺射效應離子轟擊會引發(fā)表面原子的濺射，尤其是會優(yōu)先除去結(jié)合松散的原子，使吸附的氣體雜質(zhì)從基片表面脫附而清潔化（2）在薄膜中誘發(fā)缺陷轟擊離子向薄膜中的晶格原子傳遞大量的能量，使其遷移到間隙位置上,在薄膜表層形成高密度的點缺陷,有時甚至使表面的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵?）薄膜形貌與成分發(fā)生變化

離子轟擊后,會增加基底和薄膜的表面粗糙度；轟擊會造成較小的晶粒、促進較薄厚度的薄膜形成連續(xù)薄膜；形成亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構，以及形成非化學計量比的化合物等。如在放電時引入活性氣體，則可促使活性粒子進入薄膜中，形成諸如碳化物、氮化物等。離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）（1）濺射效應離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）（4）界面成份混雜高能粒子的注入、表面原子的反沖注入等，將引起近表層發(fā)生非擴散型的元素混雜，形成“偽擴散層”（或過渡層），其厚度可達幾個微米（5）使薄膜中溶入氣體離子轟擊使原來并不會溶解的氣體也會進入薄膜表層，使薄膜中溶解幾個原子百分比的氣體組分

(6）沉積溫度提高大部分轟擊粒子的能量會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡∧な艿郊訜嶙饔?，其溫度上升?）改變薄膜的應力狀態(tài)高能粒子的轟擊可使表面產(chǎn)生壓應力，從而強化薄膜的表面層離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）離子鍍中離子轟擊對薄膜制備過程的好處

襯底表面的清潔化、合金化，提高薄膜附著力促進薄膜形核、改善薄膜覆蓋能力薄膜結(jié)構的致密化與薄膜應力的調(diào)整化合物薄膜的形成作為離子鍍方法的有機組成部分，離子轟擊可有效降低襯底污染，形成“偽擴散層”界面，提高薄膜附著力離子轟擊可通過清潔表面、引入缺陷、離子注入、促進擴散、粒子再濺射等，促進薄膜新相的形核，并提高薄膜覆蓋能力離子轟擊可提高薄膜致密度、硬度，改變薄膜應力狀態(tài)，改善薄膜結(jié)構及性能的穩(wěn)定性離子轟擊可提供活性基團、促進擴散和提供激活能，提高表面活性、促進低溫下化合物薄膜的生成離子鍍中離子轟擊對薄膜制備過程的好處襯底表面的清潔化、合金各種各樣的離子鍍方法二極直流放電離子鍍√活化反應離子鍍（或活化反應蒸鍍，ARE）射頻放電離子鍍?yōu)R射離子鍍（偏壓濺射）空心陰極電弧離子鍍熱弧離子鍍真空陰極電弧離子鍍-多弧離子鍍……

離子鍍可以有很多種不同的形式，其主要區(qū)別在于其(a)使源物質(zhì)蒸發(fā)、(b)使其蒸氣離化并提高其離化率的方法各種各樣的離子鍍方法二極直流放電離子鍍√離子鍍可以有很活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前:

化合物薄膜的反應蒸發(fā)法設想：當需要沉積化合物薄膜時，可通入活性氣體，利用真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點，生成化合物薄膜活性氣體熱蒸發(fā)法活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前:設想：當需要沉積化合物薄膜時，可早期的反應蒸發(fā)法，使金屬蒸氣通過活性氣氛（如O2、NH3、CH4）后，反應沉積成相應的化合物。其結(jié)果是化學反應不易進行得很徹底，沉積物的化學成分常偏離化合物的化學計量比由此，發(fā)展了活化反應蒸發(fā)法(activatedreactiveevaporation，ARE)

，讓金屬蒸氣通過活性氣體形成的等離子體區(qū)，使活性氣體和金屬原子均處于離化態(tài)，增加兩者的反應活性，在襯底上形成相應的化合物薄膜在此基礎上，即形成了活化反應離子鍍活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前后早期的反應蒸發(fā)法，使金屬蒸氣通過活性氣氛（如O2、NH3、C活化反應離子鍍裝置的示意圖3活化極1等離子體2基體4反應氣體5原子射流6差壓板7蒸發(fā)源8真空室比二極直流放電離子鍍時多了一個環(huán)狀的活化極,它相對于蒸發(fā)源取正電位.該電極從蒸發(fā)源吸引來少量的電子，提高了蒸發(fā)粒子的離化率偏置極地電極

活化極

(1972)活化反應離子鍍裝置的示意圖3活化極1等離子體2基體4化合物的沉積與離子的活化過程相分離，且可分別得到獨立控制，提高物質(zhì)的離化率維持比濺射沉積法高一個數(shù)量級的沉積速率襯底溫度低——在較低的溫度下即可獲得相應的金屬化合物薄膜可在任意基底上，包括金屬、非金屬上獲得化合物薄膜活化反應離子鍍的優(yōu)點化合物的沉積與離子的活化過程相分離，且可分別得到獨立控制，提活化反應離子鍍技術可以被用于各種氧化物、碳化物、氮化物薄膜的沉積,如Y2O3,TiN,TiC,ZrC,HfC,VC,NbC等

活化反應離子鍍方法的優(yōu)點在于其沉積溫度較低（與后面要介紹的化學氣相沉積技術相比），因而可被用于制備各種不能經(jīng)受高溫的耐磨零件的涂層活化反應離子鍍其缺點:離化率和活化程度仍然較低，因此又發(fā)展了熱電子輔助的活化反應離子鍍活化反應離子鍍技術可以被用于各種氧化物、碳化物、氮化物薄膜的熱電子輔助的活化反應離子鍍裝置的示意圖

這比活化反應離子鍍又多了一個發(fā)射熱電子的熱陰極(輔助極，形成三極離子鍍)，可降低氣體壓力，提高過程的可調(diào)節(jié)性S.Woutersetal./SurfaceandCoatingsTechnology92(1997)56-61熱電子輔助的活化反應離子鍍裝置的示意圖這比活化反應離子鍍又利用熱陰極的方法使之在陰極、陽極之間發(fā)生輝光放電而形成等離子體，提高蒸氣粒子、反應氣體原子的離化率，強化電離作用利用熱陰極的好處是可降低氣體放電的壓力（10-2Pa），減少氣體對蒸發(fā)原子的散射。被蒸發(fā)物質(zhì)的原子在通過等離子體區(qū)時會發(fā)生部分的離化，它們與活性氣體離子一起被偏壓加速至襯底表面并形成化合物薄膜熱電子輔助的活化反應離子鍍熱電子輔助的活化反應離子鍍熱電子發(fā)射陰極的作用明顯表現(xiàn)在陽極伏安特性曲線上活化反應離子鍍法在低于120V時陽極電流只有幾毫安；在輔助情況下，陽極電流大幅度增加，產(chǎn)生輝光放電不需再使用電子槍，僅由熱電子發(fā)射極提供電子就可以維持等離子體熱電子輔助前后,活化反應離子鍍的陽極伏安特性曲線熱陰極的作用

熱電子發(fā)射陰極的作用明顯表現(xiàn)在陽極伏安特性曲線上熱電子輔助前蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生過程不僅可以獨立地調(diào)節(jié)，且可在沉積速率保持恒定時，大幅度增強等離子體，提高蒸發(fā)物質(zhì)的離化率發(fā)射極提供的熱電子可獨立產(chǎn)生等離子體，因而電阻和激光蒸發(fā)也可作為蒸發(fā)手段，而不必一定采用電子束加熱蒸發(fā)源熱電子輔助的活化反應離子鍍的特點蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生過程不僅可以獨立地調(diào)節(jié)，且可在沉積速率保與活化反應離子鍍同期，發(fā)明了射頻放電離子鍍（RF-IP）,其蒸發(fā)源仍采用電子束蒸發(fā)方式在蒸發(fā)源與基體之間設置射頻感應線圈，電子在其射頻電場作用下震蕩運動，延長了電子到達陽極的路徑，增加了電子與氣體及蒸氣原子碰撞的幾率，能在10-1-10-3Pa低氣壓下穩(wěn)定放電（通常二極直流放電離子鍍的氣壓為1Pa左右）。因此，在電子束作蒸發(fā)源時，不必設置維持氣壓的隔板射頻放電離子鍍時，被蒸鍍物質(zhì)原子的離化率可達10%射頻放電離子鍍與活化反應離子鍍同期，發(fā)明了射頻放電離子鍍（RF-IP）,射頻放電離子鍍裝置的示意圖加速區(qū)蒸發(fā)區(qū)離化區(qū)(1973)偏置極射頻放電離子鍍裝置的示意圖加速區(qū)蒸發(fā)區(qū)離化區(qū)(1973)偏置射頻放電離子鍍裝置內(nèi)部可分為三個區(qū)域以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)以射頻線圈為中心的離化區(qū)以襯底為中心，使離子加速并沉積的離子加速區(qū)射頻放電離子鍍調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈激勵功率、偏壓等，可對蒸發(fā)、離化、加速三個過程進行獨立控制尤其是可依靠提高射頻激勵增加離化率，優(yōu)化薄膜沉積過程射頻放電離子鍍裝置內(nèi)部可分為三個區(qū)域射頻放電離子鍍調(diào)節(jié)蒸發(fā)源濺射離子鍍(sputteringionplating)是在濺射沉積法的基礎上，在基片上施加偏壓，并可通入反應氣體，形成薄膜的方法。在濺射一講中,我們已將其稱為偏壓濺射。根據(jù)濺射過程中放電的特征，又分為直流濺射離子鍍、射頻濺射離子鍍、反應控濺射離子鍍等。濺射離子鍍(偏壓濺射)濺射離子鍍(sputteringionplating)是空心陰極電弧離子鍍裝置的示意圖HCD電子槍

反應氣體

真空室工件

電源

蒸發(fā)源

使用45或90偏轉(zhuǎn)型HCD電子槍HCD:hollowcathodedischarge活化極

偏置極

(1972)空心陰極電弧離子鍍裝置的示意圖HCD電子槍反應氣體真空室用空心陰極電子槍代替了普通的電子槍，即構成了空心陰極離子鍍?？招年帢O與坩堝間構成了蒸發(fā)源，與活化極間構成了離化源空心陰極電弧放電的情況下,可產(chǎn)生數(shù)百安培的電子束，比其他離子鍍方法高100倍；使其偏轉(zhuǎn)后即可用于熱蒸發(fā)。濃度極高的蒸氣流通過蒸發(fā)源上方的等離子區(qū)時被激發(fā)和電離，形成大量的離子和高能中性粒子，不僅可形成密度達1015/cm2.s的離子流，還攜帶了比其他離子鍍方法高2-3數(shù)量級的高能中性粒子，飛向施加負偏壓的基底，沉積形成薄膜。物質(zhì)的蒸發(fā)速率高，薄膜的沉積速率快空心陰極電弧離子鍍用空心陰極電子槍代替了普通的電子槍，即構成了空心陰極離子鍍。空心陰極離子鍍的最大特點是電流大,所蒸發(fā)的物質(zhì)離化率高。被蒸發(fā)物質(zhì)的離子將造成對襯底的高強度的轟擊，形成高致密度的薄膜其放電氣壓為0.1-1Pa，不再需要電子束蒸發(fā)時所需的壓力隔離電壓低，裝置簡單可靠空心陰極電弧離子鍍的特點該技術自1972年出現(xiàn)后，獲得廣泛應用，已成功地被用于裝飾、耐磨等薄膜沉積空心陰極離子鍍的最大特點是電流大,所蒸發(fā)的物質(zhì)離化率高。被蒸另外一種空心陰極電弧離子鍍裝置和其示意圖使用電子束蒸發(fā)源物質(zhì)使用一對直線形HCD電子槍進行蒸發(fā)物質(zhì)的離化H.Morgneretal./SurfaceandCoatingsTechnology108–109(1998)513–519HCD電子束電子束蒸發(fā)源另外一種空心陰極電弧離子鍍裝置和其示意圖使用電子束蒸發(fā)源物質(zhì)熱陰極電弧離子鍍的示意圖熱燈絲電源離化室上聚焦線圈下聚焦線圈偏壓下的工件蒸發(fā)源坩堝陽極熱燈絲進氣口電弧熱陰極電弧離子鍍的示意圖熱燈絲電源離化室上聚焦線圈下聚焦線圈與空心陰極時相似，用熱陰極

(hotcathode）也可形成熱陰極電弧離子鍍在真空室的頂部安裝有熱燈絲陰極離化室。熱燈絲陰極被外熱式地加熱至熱電子發(fā)射溫度形成的高密度的低能電子束，起著蒸發(fā)源和離化源的作用電子束使氣體發(fā)生電離并蒸發(fā)物質(zhì)，在坩堝接電源正極的情況下，在真空室內(nèi)形成低壓電弧柱熱陰極電弧離子鍍與空心陰極時相似，用熱陰極(hotcathode）也可形沉積室外設兩個聚焦線圈，對電弧柱形成聚焦作用，工件放在電弧弧柱的周圍，以形成薄膜。薄膜沉積面積大這種離子鍍方法的離化率與空心陰極電弧離子鍍時相仿或略高熱陰極電弧離子鍍沉積室外設兩個聚焦線圈，對電弧柱形成聚焦作用，工件放在電弧弧真空陰極電弧離子鍍的弧源離子鍍的另一種重要形式是工業(yè)上大量采用的真空陰極電弧離子鍍（VAD），右圖是其使用的電弧源真空陰極電弧離子鍍是以陰極直接作為蒸發(fā)源的離子鍍技術真空陰極電弧離子鍍的弧源離子鍍的另一種重要形式是工業(yè)上大量采以被蒸發(fā)的物質(zhì)為陰極，而真空室為陽極使觸發(fā)極與陰極短接，在其脫離的瞬間，引發(fā)電弧放電。弧光放電電壓只有20V左右，電流則達100A量級低溫的陰極金屬表面并不形成大的熔池；放電不依靠氣體，而是靠向真空中噴發(fā)的源物質(zhì)蒸氣維持的。陰極上形成為數(shù)眾多、在極表面迅速無規(guī)跳動的微小陰極斑點，弧斑電流密度高達105-107A/cm2電弧放電將在陰極局部釋放出巨大的熱量，使陰極局部物質(zhì)大量噴發(fā)出來。它一方面可維持氣體的放電過程，另一方面則可提供離子鍍所需的源物質(zhì)，即:陰極本身既是蒸發(fā)源，又是離化源真空陰極電弧離子鍍的工作原理以被蒸發(fā)的物質(zhì)為陰極，而真空室為陽極真空陰極電弧離子鍍的工作陰極斑點在其經(jīng)過的地方留下放電蒸發(fā)的痕跡，其直徑只有1-100m。斑點的數(shù)量與放電電流強度成正比，但流過的電流密度極高，且每個斑點能夠持續(xù)的時間很短，只有幾十微秒由于放電電流密度很大，蒸發(fā)出大量的金屬蒸氣，使陰極附近氣壓增高，分子自由程很短，金屬原子在電弧等離子體中大量離化。由于形成了強電弧放電等離子體，因而粒子的離化率可達60%-90%工件接50-1000V負偏壓，吸引大量高能離子轟擊工件與薄膜表面真空陰極電弧離子鍍的工作原理（續(xù)）陰極斑點在其經(jīng)過的地方留下放電蒸發(fā)的痕跡，其直徑只有1-10真空陰極電弧離子鍍陰極表面發(fā)生的物理過程接受離子轟擊，發(fā)射二次電子，維持電弧放電源物質(zhì)熱噴發(fā)顆粒的噴濺真空陰極電弧離子鍍

磁場將電子以及等離子體約束在陰極表面附近，且起著推動陰極斑點不斷移動的作用。

無磁場時，弧斑匯集成一個大弧斑。加磁場后，增加了弧斑的運動速度和弧斑的數(shù)量，加大弧斑的分散程度，使大弧斑被分散成許多小弧斑。但若磁場過強，弧斑過度集中于軸線附近，也不利于陰極表面的均勻燒蝕。真空陰極電弧離子鍍中的磁場磁場將電子以及等離子體約束在陰極表面附近，且工作真空度高，氣體雜質(zhì)污染少薄膜沉積速率高（10-1000m/hr）蒸發(fā)粒子的離化率高（可高達80%）離子的能量高（數(shù)百至數(shù)千電子伏特量級）向真空室內(nèi)通人反應氣體，調(diào)整壓力至10-1-102Pa，則可進行化合物薄膜的沉積，如TiN、TiC、CrN、ZrN等等真空陰極電弧離子鍍的優(yōu)點工作真空度高，氣體雜質(zhì)污染少真空陰極電弧離子鍍的優(yōu)點多弧離子鍍裝置

利用多個陰極電弧蒸發(fā)源的陰極電弧離子鍍被稱為多弧離子鍍

多弧離子鍍已成為獲得廣泛應用的PVD薄膜制備方法多弧離子鍍裝置利用多個陰極電弧蒸發(fā)源的陰極電弧離子鍍被稱為陰極電弧離子鍍的不足之處是其在陰極噴發(fā)出金屬蒸氣的同時，還會產(chǎn)生物質(zhì)的顆粒噴濺，其粒徑可達m級。大量顆粒沉積在工件表面，將影響薄膜的質(zhì)量解決顆粒物噴濺問題有兩種基本途徑：減少顆粒物的產(chǎn)生、在其輸運過程中將其濾除前者包括電弧電源的改進、陰極結(jié)構的改進等。但這些方法雖能減少微粒物的數(shù)量，但并不能避免其出現(xiàn)陰極電弧離子鍍中顆粒物的噴濺問題陰極電弧離子鍍的不足之處是其在陰極噴發(fā)出金屬蒸氣的同時，還會第二種方法，即過濾的方法，主要是利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)作用，可較為徹底地去除顆粒但這一方法的缺點是陰極電弧離子鍍控制顆粒物的方法可提供的束流直徑小，通常在200mm以下源物質(zhì)的傳輸效率有待提高。目前彎管結(jié)構最高的傳輸效率僅為25％左右不易組成多弧源陣列(即構成多弧離子鍍)，不宜大面積和大批量生產(chǎn)陰極電弧離子鍍控制顆粒物的方法彎管過濾式真空陰極電弧源的示意圖

顆粒過濾裝置彎管過濾式真空陰極電弧源的示意圖顆粒過濾裝置穹頂過濾式真空陰極電弧源的示意圖

工件離子流擋板磁場線圈電弧斑點陰極陽極顆粒過濾裝置穹頂過濾式真空陰極電弧源的示意圖工件離子流擋板磁場線圈電弧離子鍍的優(yōu)點之一在于其高的薄膜沉積速率離子鍍技術的優(yōu)點（一）

離子鍍具有上述優(yōu)點的原因在于它充分利用了真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點

磁控濺射和離子鍍方法薄膜動態(tài)沉積速率的比較（nm/min)————————————————————————————

薄膜種類薄膜制備方法

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脈沖磁控濺射空心陰極電弧離子鍍————————————————————————————Al2O3801,800-2,700SiOx120540-10,800TiO245900-1,400————————————————————————————H.Morgneretal./SurfaceandCoatingsTechnology108–109(1998)513–519離子鍍的優(yōu)點之一在于其高的薄膜沉積速率離子鍍技術的優(yōu)點（一）離子鍍的優(yōu)點之二在于它所制備的薄膜結(jié)構致密，且薄膜與襯底之間具有良好的附著力離子鍍技術的優(yōu)點（二）

離子鍍具有上述優(yōu)點的原因在于:

在薄膜沉積前及沉積的同時,用離子轟擊襯底和薄膜表面，可在薄膜與襯底之間形成粗糙、潔凈的界面；形成均勻致密的薄膜結(jié)構。這一作用與偏壓濺射(即濺射離子鍍)的作用相類似離子鍍的優(yōu)點之二在于它所制備的薄膜結(jié)構致密，且薄膜與襯底之間離子鍍的第三個優(yōu)點是它可以提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力，或稱為薄膜沉積過程的繞射能力離子鍍技術的優(yōu)點（三）

離子鍍具備這一特性的原因在于：與純粹的蒸發(fā)、濺射沉積相比，在離子鍍進行的過程中，沉積原子將從與離子的碰撞中獲得一定的能量，加上離子本身對薄膜的轟擊，這些均會使得原子在沉積至襯底表面時具有更高的動能和遷移能力離子鍍的第三個優(yōu)點是它可以提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力離子鍍技術的其他名稱離子鍍方法又被稱之為：IVD——ionvapordepositionIAD——ionassisteddepositionbiassputtering，sputterionplatingenergy-assisteddeposition離子鍍甚至可被認為只是一般薄膜沉積法（蒸發(fā)、濺射法）的一個工藝參數(shù)離子鍍技術的其他名稱離子鍍方法又被稱之為：離子鍍甚至可被認為離子鍍技術的主要應用領域離子鍍的傳統(tǒng)應用領域包括：工具耐磨涂層民用產(chǎn)品的裝飾涂層潤滑涂層離子鍍的新的應用領域包括：磁記錄介質(zhì)的防護涂層半導體器件加工技術中的薄膜沉積（如集成電路多層布線的薄膜填充）離子鍍技術的主要應用領域由以上討論我們知道，離子對襯底、薄膜的轟擊是一常用的薄膜制備手段。但在許多情況下，等離子體放電的過程不易控制，因而離子的方向性、能量、密度等很難得到綜合優(yōu)化。為解決離子轟擊方法的這一問題，人們還發(fā)展了離子束輔助沉積技術（IBAD）在離子束輔助沉積技術中，使用單獨的離子源來完成對于襯底、薄膜的轟擊IBAD方法多用于要求致密、附著性好、抗磨、性能穩(wěn)定、耐候性好的光學薄膜的制備其他的PVD:離子束輔助沉積

由以上討論我們知道，離子對襯底、薄膜的轟擊是一常用的薄膜制備離子束輔助沉積裝置的示意圖它又被稱為:Vacuumbasedionplating——相對高的真空度離子束輔助沉積裝置的示意圖它又被稱為:Vacuumbas離子束輔助沉積系統(tǒng)——

使用一個離子源對襯底進行轟擊，而欲沉積的物質(zhì)則來自于一個蒸發(fā)源。它結(jié)合了高速蒸發(fā)沉積和偏壓濺射離子轟擊的特點，同時又具有離子束的能量、方向可調(diào)的優(yōu)點還有所謂的雙離子束沉積系統(tǒng)

——

分別使用兩個離子源，一個用于對靶物質(zhì)進行濺射從而提供沉積所需的源物質(zhì)，另一個被用于對襯底施行離子轟擊。對兩個離子源進行分別的控制，即可實現(xiàn)對于薄膜沉積速率和轟擊離子流的獨立調(diào)節(jié)離子束輔助沉積

離子束輔助沉積系統(tǒng)——使用一個離子源對襯底進行轟擊，而欲雙離子束沉積系統(tǒng)的示意圖Twoseparateion

sourcesareusedinsuchadualionbeamapparatus

todepositc-BNfilms.H.Yinetal./Diamond&RelatedMaterials17(2008)276–282雙離子束沉積系統(tǒng)的示意圖Twoseparateions從對蒸發(fā)、濺射、離子鍍?nèi)N物理氣相沉積方法的主要特性參數(shù)的比較可以看出:主要物理氣相沉積方法的特點的比較

從參與沉積的粒子的能量范圍來看，離子鍍技術有不同于蒸發(fā)、濺射兩種方法的特點從沉積速率來看，離子鍍的沉積速率與蒸發(fā)法的沉積速率相當從薄膜質(zhì)量方面來看，離子鍍方法制備的薄膜接近甚至可以優(yōu)于濺射法制備的薄膜主要物理氣相沉積方法的特點的比較從參與沉積的粒子的能量范圍主要物理氣相沉積方法的特點的比較

方法特性蒸鍍法濺射法離子鍍粒子能量(eV)原子0.1-11-100.1-1（此外還有高能中性原子）離子--數(shù)百數(shù)千沉積速率（m/min）0.1-700.01-0.5（磁控濺射可接近蒸鍍法）0.1-50主要物理氣相沉積方法的特點的比較方法蒸鍍法濺射主要物理氣相沉積方法的特點的比較（續(xù)）

方法特性蒸鍍法濺射法離子鍍薄膜特點密度低溫時密度較小，但表面光滑密度較高密度高氣孔率低溫時多氣孔少，但氣體雜質(zhì)多無氣孔，但缺陷多附著力不好較好很好內(nèi)應力多為拉應力多為壓應力依工藝條件而定繞射性差較好較好主要物理氣相沉積方法的特點的比較（續(xù)）方法蒸鍍例一：In2O3-SnO2(10wt.%)ITO

透明導電薄膜的真空陰極電弧離子鍍M.-H.Yangetal./ThinSolidFilms40484(2005)39–45A.J.-C.Wenetal./Surface&CoatingsTechnology366198(2005)362–366真空陰極電弧離子鍍設備的示意圖其優(yōu)點與缺點：高沉積速率顆粒噴濺物污染例一：In2O3-SnO2(10wt.%)ITOM.-ITO透明導電薄膜的制備條件陰極靶：直徑100mm燒結(jié)In2O3–SnO2

靶襯底：5050mm2Corning7059玻璃超聲波清洗15分鐘，空氣干燥背底真空度優(yōu)于10-3Pa-1000V、2.5Pa壓力下，Ar+離子轟擊10分鐘200C、-100V偏壓、不同O2

壓力下，進行陰極電弧離子鍍沉積靶電流80A，薄膜沉積時間

20s。ITO透明導電薄膜的制備條件陰極靶：直徑100mm燒結(jié)O2壓力對電弧離子鍍ITO薄膜的影響M.-H.Yangetal./ThinSolidFilms40484(2005)39–45顆粒噴濺物沉積是陰極電弧離子鍍薄膜的一個缺點O2壓力對電弧離子鍍ITO薄膜的影響M.-H.YangeITO薄膜的X-射線衍射曲線M.-H.Yangetal./ThinSolidFilms40484(2005)39–45晶體結(jié)構為純In2O3相，并呈現(xiàn)出(111)取向傾向ITO薄膜的X-射線衍射曲線M.-H.YangetalO2壓力對ITO薄膜可見光透過率的影響M.-H.Yangetal./ThinSolidFilms40484(2005)39–45氧壓力高時，光學透過率較高80%O2壓力對ITO薄膜可見光透過率的影響M.-H.Yang沉積角度對ITO薄膜的影響沉積時的夾角越大，則顆粒噴濺物沉積越少換用In–Sn金屬靶O2

壓力為

0.5Pa沉積角度對ITO薄膜的影響沉積時的夾角越大，則顆粒噴濺物沉沉積夾角對ITO薄膜沉積速率的影響但夾角提高時，薄膜沉積速率下降————————————————————————沉積夾角（）薄膜厚度（nm）沉積速率（nm/min）————————————————————————9063.93212057.82915019.61018013.77————————————————————————沉積夾角對ITO薄膜沉積速率的影響但夾角提高時，薄膜沉積速率沉積夾角對ITO薄膜X-射線衍射曲線的影響晶體結(jié)構為純In2O3相，并呈現(xiàn)(111)取向傾向沉積夾角對ITO薄膜X-射線衍射曲線的影響晶體結(jié)構為純In2沉積夾角對ITO薄膜光學透過率的影響當沉積夾角>90度時，光學透過率均較高80%沉積夾角對ITO薄膜光學透過率的影響當沉積夾角>90度時，例二:離子束輔助沉積光學薄膜——B.Rauschenbach/Vacuum69(2003)3–10Ionbeamassisteddeposition—aprocessingtechniqueforpreparingthinfilmsforhigh-technologyapplications:X-射線反射鏡雙離子束沉積系統(tǒng)例二:離子束輔助沉積光學薄膜——B.Rauschenbac離子束輔助沉積的多層薄膜TEMofMo/Simultilayerformedbydualionbeamassisteddeposition.TheSi-layers

aredark,andtheMo-layersbright.——B.Rauschenbach/Vacuum69(2003)3–10離子束輔助沉積的多層薄膜TEMofMo/Simulti

薄膜材料制備技術

ThinFilmMaterials北京科技大學材料科學學院唐偉忠Tel:62334144E-mail:wztang@課件下載網(wǎng)址：wztang_teaching@下載密碼：12345678薄膜材料制備技術

ThinFilmMaterials第四講

薄膜材料制備的離子鍍

及其他PVD

方法Preparationofthinfilmsby

ionplatingandotherPVDmethods第四講薄膜材料制備的離子鍍提要

離子鍍方法的原理和特點各種各樣的離子鍍方法其他制備薄膜的PVD方法提要離子鍍方法的原理和特點還有一些不能簡單劃歸蒸發(fā)、濺射法的PVD方法，它們針對特定的應用目的，或是將不同的手段結(jié)合在一起，或是對上述的某一種方法進行了較大程度的改進，如各種其他的物理氣相沉積方法離子鍍(蒸發(fā)+濺射)反應蒸發(fā)沉積(蒸發(fā)+反應氣體)離子束輔助沉積(蒸發(fā)+離子源)

……還有一些不能簡單劃歸蒸發(fā)、濺射法的PVD方法，它們針對特定離子鍍——

引言薄膜制備的過程可被粗分為三個階段：已介紹方法的真空蒸發(fā)法、濺射法的不足：源物質(zhì)的產(chǎn)生（蒸發(fā)、濺射等）源物質(zhì)的輸運（與其他粒子碰撞、活化與否）源物質(zhì)的沉積（形成新相、表面化學反應等）沉積粒子的能量有限（蒸發(fā)法：0.1eV;濺射法：10eV）沉積粒子的能量不能得到有效的調(diào)節(jié)離子鍍——引言薄膜制備的過程可被粗分為三個階段：已介紹方定義離子鍍是一種在等離子體存在的情況下，對襯底施加偏壓,即在離子對襯底和薄膜發(fā)生持續(xù)轟擊的條件下制備薄膜的PVD技術在離子鍍的過程中，沉積前和沉積過程中的襯底和薄膜表面經(jīng)受著相當數(shù)量的高能離子和大量的高能中性粒子流的轟擊離子鍍可以被看成是一種混合型的薄膜制備方法它兼有蒸發(fā)法和濺射法的優(yōu)點離子鍍——

引言定義離子鍍是一種在等離子體存在的情況下，對襯底施加偏離子鍍技術——

發(fā)展歷史1938年，Berghau

申請了離子鍍的第一份專利1963年，Mattox發(fā)明了二極直流放電離子鍍1972年，Bunshah發(fā)展了活化反應離子鍍1972年，Morley發(fā)明了空心陰極電弧離子鍍1973年，村山洋一發(fā)明了射頻放電離子鍍20世紀80年代初，國內(nèi)外相繼開發(fā)了真空陰極電弧離子鍍、多弧離子鍍?nèi)缃?離子鍍技術已發(fā)展成為在工業(yè)中廣泛應用的一種重要的PVD薄膜沉積技術

離子鍍技術——發(fā)展歷史1938年，Berghau申請了最有代表性的二極直流放電離子鍍裝置的示意圖

結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點有一個具有偏置電壓（-V）的氣體放電空間被沉積的物質(zhì)（金屬原子、氣體分子）在放電空間內(nèi)部分離化——

——

偏置極地電極

(1963)最有代表性的結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點————偏置極地使用電子束蒸發(fā)法提供沉積所需的物質(zhì)（在早期，濺射法還不成熟，真空電弧法還未出現(xiàn)）以襯底作為陰極、整個真空室作為陽極，組成一個類似于二極濺射裝置的放電系統(tǒng)真空室內(nèi)充入0.1-1.0Pa的Ar氣在薄膜沉積前和沉積中，采用高能量的離子流對襯底和薄膜表面進行持續(xù)的轟擊二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境

二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境在薄膜沉積前，在極之間施加25kV的電壓，使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生等離子體。Ar+

離子在電壓驅(qū)動下對襯底進行轟擊在不間斷離子轟擊的情況下開始物質(zhì)的蒸發(fā)沉積過程。蒸發(fā)出來的粒子將與等離子體發(fā)生相互作用。由于Ar+

的電離能比被蒸發(fā)元素的電離能更高，因而在等離子體內(nèi)將會發(fā)生Ar+

離子與蒸發(fā)原子之間的電荷交換，蒸發(fā)原子發(fā)生部分的電離含有相當數(shù)量離子的蒸發(fā)物質(zhì)在兩極間被加速，并帶著相應的能量轟擊薄膜。但離子轟擊產(chǎn)生的濺射速率要低于蒸發(fā)沉積的速率二極直流放電離子鍍的操作環(huán)境（續(xù)）

在薄膜沉積前，在極之間施加25kV的電壓，使氣體發(fā)生輝光放

離子鍍的獨特之處：使用高能離子對襯底和薄膜表面進行轟擊。因此，離化率——

電離原子占全部被蒸發(fā)原子的百分數(shù)ni/n，是離子鍍過程最重要的參量常見離子鍍過程的粒子離化率為離子鍍過程中粒子的離化率離子鍍的過程二極直流放電離子鍍射頻放電離子鍍空心陰極電弧離子鍍真空陰極電弧離子鍍離化率ni/n0.1%10%20-40%60-80%離化率增加↗離子鍍的獨特之處：使用高能離子對襯底和薄膜表面進行轟離子的能量正比于加速電壓V，即：提高粒子離化率的意義

在離子鍍過程中，中性粒子所攜帶的能量由熱蒸發(fā)時的加熱溫度所決定，即：

w=1/2kT0.1eVwi=eVw；100-1000eV因此，離子鍍時每個沉積原子的能量平均為

即它正比于粒子的離化率，遠大于熱蒸發(fā)粒子的能量

離子的能量正比于加速電壓V，即：提高粒子離化率的意義在

離子鍍過程中，離子轟擊將導致發(fā)生多個重要的物理效應:（1）表面物質(zhì)的濺射效應（2）離子注入、在薄膜中誘發(fā)缺陷（3）使薄膜形貌與成分發(fā)生變化（4）使界面成分發(fā)生混雜（5）氣體原子的溶入（6）基片溫度升高（7）改變薄膜的應力狀態(tài)，等離子鍍時發(fā)生的微觀效應離子鍍過程中，離子轟擊將導致發(fā)生多個重要的物理效應:（1）濺射效應離子轟擊會引發(fā)表面原子的濺射，尤其是會優(yōu)先除去結(jié)合松散的原子，使吸附的氣體雜質(zhì)從基片表面脫附而清潔化（2）在薄膜中誘發(fā)缺陷轟擊離子向薄膜中的晶格原子傳遞大量的能量，使其遷移到間隙位置上,在薄膜表層形成高密度的點缺陷,有時甚至使表面的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵?）薄膜形貌與成分發(fā)生變化

離子轟擊后,會增加基底和薄膜的表面粗糙度；轟擊會造成較小的晶粒、促進較薄厚度的薄膜形成連續(xù)薄膜；形成亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構，以及形成非化學計量比的化合物等。如在放電時引入活性氣體，則可促使活性粒子進入薄膜中，形成諸如碳化物、氮化物等。離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）（1）濺射效應離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）（4）界面成份混雜高能粒子的注入、表面原子的反沖注入等，將引起近表層發(fā)生非擴散型的元素混雜，形成“偽擴散層”（或過渡層），其厚度可達幾個微米（5）使薄膜中溶入氣體離子轟擊使原來并不會溶解的氣體也會進入薄膜表層，使薄膜中溶解幾個原子百分比的氣體組分

(6）沉積溫度提高大部分轟擊粒子的能量會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡∧な艿郊訜嶙饔?，其溫度上升?）改變薄膜的應力狀態(tài)高能粒子的轟擊可使表面產(chǎn)生壓應力，從而強化薄膜的表面層離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）離子鍍時發(fā)生的微觀效應（續(xù)）離子鍍中離子轟擊對薄膜制備過程的好處

襯底表面的清潔化、合金化，提高薄膜附著力促進薄膜形核、改善薄膜覆蓋能力薄膜結(jié)構的致密化與薄膜應力的調(diào)整化合物薄膜的形成作為離子鍍方法的有機組成部分，離子轟擊可有效降低襯底污染，形成“偽擴散層”界面，提高薄膜附著力離子轟擊可通過清潔表面、引入缺陷、離子注入、促進擴散、粒子再濺射等，促進薄膜新相的形核，并提高薄膜覆蓋能力離子轟擊可提高薄膜致密度、硬度，改變薄膜應力狀態(tài)，改善薄膜結(jié)構及性能的穩(wěn)定性離子轟擊可提供活性基團、促進擴散和提供激活能，提高表面活性、促進低溫下化合物薄膜的生成離子鍍中離子轟擊對薄膜制備過程的好處襯底表面的清潔化、合金各種各樣的離子鍍方法二極直流放電離子鍍√活化反應離子鍍（或活化反應蒸鍍，ARE）射頻放電離子鍍?yōu)R射離子鍍（偏壓濺射）空心陰極電弧離子鍍熱弧離子鍍真空陰極電弧離子鍍-多弧離子鍍……

離子鍍可以有很多種不同的形式，其主要區(qū)別在于其(a)使源物質(zhì)蒸發(fā)、(b)使其蒸氣離化并提高其離化率的方法各種各樣的離子鍍方法二極直流放電離子鍍√離子鍍可以有很活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前:

化合物薄膜的反應蒸發(fā)法設想：當需要沉積化合物薄膜時，可通入活性氣體，利用真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點，生成化合物薄膜活性氣體熱蒸發(fā)法活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前:設想：當需要沉積化合物薄膜時，可早期的反應蒸發(fā)法，使金屬蒸氣通過活性氣氛（如O2、NH3、CH4）后，反應沉積成相應的化合物。其結(jié)果是化學反應不易進行得很徹底，沉積物的化學成分常偏離化合物的化學計量比由此，發(fā)展了活化反應蒸發(fā)法(activatedreactiveevaporation，ARE)

，讓金屬蒸氣通過活性氣體形成的等離子體區(qū)，使活性氣體和金屬原子均處于離化態(tài)，增加兩者的反應活性，在襯底上形成相應的化合物薄膜在此基礎上，即形成了活化反應離子鍍活化反應離子鍍方法出現(xiàn)前后早期的反應蒸發(fā)法，使金屬蒸氣通過活性氣氛（如O2、NH3、C活化反應離子鍍裝置的示意圖3活化極1等離子體2基體4反應氣體5原子射流6差壓板7蒸發(fā)源8真空室比二極直流放電離子鍍時多了一個環(huán)狀的活化極,它相對于蒸發(fā)源取正電位.該電極從蒸發(fā)源吸引來少量的電子，提高了蒸發(fā)粒子的離化率偏置極地電極

活化極

(1972)活化反應離子鍍裝置的示意圖3活化極1等離子體2基體4化合物的沉積與離子的活化過程相分離，且可分別得到獨立控制，提高物質(zhì)的離化率維持比濺射沉積法高一個數(shù)量級的沉積速率襯底溫度低——在較低的溫度下即可獲得相應的金屬化合物薄膜可在任意基底上，包括金屬、非金屬上獲得化合物薄膜活化反應離子鍍的優(yōu)點化合物的沉積與離子的活化過程相分離，且可分別得到獨立控制，提活化反應離子鍍技術可以被用于各種氧化物、碳化物、氮化物薄膜的沉積,如Y2O3,TiN,TiC,ZrC,HfC,VC,NbC等

活化反應離子鍍方法的優(yōu)點在于其沉積溫度較低（與后面要介紹的化學氣相沉積技術相比），因而可被用于制備各種不能經(jīng)受高溫的耐磨零件的涂層活化反應離子鍍其缺點:離化率和活化程度仍然較低，因此又發(fā)展了熱電子輔助的活化反應離子鍍活化反應離子鍍技術可以被用于各種氧化物、碳化物、氮化物薄膜的熱電子輔助的活化反應離子鍍裝置的示意圖

這比活化反應離子鍍又多了一個發(fā)射熱電子的熱陰極(輔助極，形成三極離子鍍)，可降低氣體壓力，提高過程的可調(diào)節(jié)性S.Woutersetal./SurfaceandCoatingsTechnology92(1997)56-61熱電子輔助的活化反應離子鍍裝置的示意圖這比活化反應離子鍍又利用熱陰極的方法使之在陰極、陽極之間發(fā)生輝光放電而形成等離子體，提高蒸氣粒子、反應氣體原子的離化率，強化電離作用利用熱陰極的好處是可降低氣體放電的壓力（10-2Pa），減少氣體對蒸發(fā)原子的散射。被蒸發(fā)物質(zhì)的原子在通過等離子體區(qū)時會發(fā)生部分的離化，它們與活性氣體離子一起被偏壓加速至襯底表面并形成化合物薄膜熱電子輔助的活化反應離子鍍熱電子輔助的活化反應離子鍍熱電子發(fā)射陰極的作用明顯表現(xiàn)在陽極伏安特性曲線上活化反應離子鍍法在低于120V時陽極電流只有幾毫安；在輔助情況下，陽極電流大幅度增加，產(chǎn)生輝光放電不需再使用電子槍，僅由熱電子發(fā)射極提供電子就可以維持等離子體熱電子輔助前后,活化反應離子鍍的陽極伏安特性曲線熱陰極的作用

熱電子發(fā)射陰極的作用明顯表現(xiàn)在陽極伏安特性曲線上熱電子輔助前蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生過程不僅可以獨立地調(diào)節(jié)，且可在沉積速率保持恒定時，大幅度增強等離子體，提高蒸發(fā)物質(zhì)的離化率發(fā)射極提供的熱電子可獨立產(chǎn)生等離子體，因而電阻和激光蒸發(fā)也可作為蒸發(fā)手段，而不必一定采用電子束加熱蒸發(fā)源熱電子輔助的活化反應離子鍍的特點蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生過程不僅可以獨立地調(diào)節(jié)，且可在沉積速率保與活化反應離子鍍同期，發(fā)明了射頻放電離子鍍（RF-IP）,其蒸發(fā)源仍采用電子束蒸發(fā)方式在蒸發(fā)源與基體之間設置射頻感應線圈，電子在其射頻電場作用下震蕩運動，延長了電子到達陽極的路徑，增加了電子與氣體及蒸氣原子碰撞的幾率，能在10-1-10-3Pa低氣壓下穩(wěn)定放電（通常二極直流放電離子鍍的氣壓為1Pa左右）。因此，在電子束作蒸發(fā)源時，不必設置維持氣壓的隔板射頻放電離子鍍時，被蒸鍍物質(zhì)原子的離化率可達10%射頻放電離子鍍與活化反應離子鍍同期，發(fā)明了射頻放電離子鍍（RF-IP）,射頻放電離子鍍裝置的示意圖加速區(qū)蒸發(fā)區(qū)離化區(qū)(1973)偏置極射頻放電離子鍍裝置的示意圖加速區(qū)蒸發(fā)區(qū)離化區(qū)(1973)偏置射頻放電離子鍍裝置內(nèi)部可分為三個區(qū)域以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)以射頻線圈為中心的離化區(qū)以襯底為中心，使離子加速并沉積的離子加速區(qū)射頻放電離子鍍調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈激勵功率、偏壓等，可對蒸發(fā)、離化、加速三個過程進行獨立控制尤其是可依靠提高射頻激勵增加離化率，優(yōu)化薄膜沉積過程射頻放電離子鍍裝置內(nèi)部可分為三個區(qū)域射頻放電離子鍍調(diào)節(jié)蒸發(fā)源濺射離子鍍(sputteringionplating)是在濺射沉積法的基礎上，在基片上施加偏壓，并可通入反應氣體，形成薄膜的方法。在濺射一講中,我們已將其稱為偏壓濺射。根據(jù)濺射過程中放電的特征，又分為直流濺射離子鍍、射頻濺射離子鍍、反應控濺射離子鍍等。濺射離子鍍(偏壓濺射)濺射離子鍍(sputteringionplating)是空心陰極電弧離子鍍裝置的示意圖HCD電子槍

反應氣體

真空室工件

電源

蒸發(fā)源

使用45或90偏轉(zhuǎn)型HCD電子槍HCD:hollowcathodedischarge活化極

偏置極

(1972)空心陰極電弧離子鍍裝置的示意圖HCD電子槍反應氣體真空室用空心陰極電子槍代替了普通的電子槍，即構成了空心陰極離子鍍?？招年帢O與坩堝間構成了蒸發(fā)源，與活化極間構成了離化源空心陰極電弧放電的情況下,可產(chǎn)生數(shù)百安培的電子束，比其他離子鍍方法高100倍；使其偏轉(zhuǎn)后即可用于熱蒸發(fā)。濃度極高的蒸氣流通過蒸發(fā)源上方的等離子區(qū)時被激發(fā)和電離，形成大量的離子和高能中性粒子，不僅可形成密度達1015/cm2.s的離子流，還攜帶了比其他離子鍍方法高2-3數(shù)量級的高能中性粒子，飛向施加負偏壓的基底，沉積形成薄膜。物質(zhì)的蒸發(fā)速率高，薄膜的沉積速率快空心陰極電弧離子鍍用空心陰極電子槍代替了普通的電子槍，即構成了空心陰極離子鍍?？招年帢O離子鍍的最大特點是電流大,所蒸發(fā)的物質(zhì)離化率高。被蒸發(fā)物質(zhì)的離子將造成對襯底的高強度的轟擊，形成高致密度的薄膜其放電氣壓為0.1-1Pa，不再需要電子束蒸發(fā)時所需的壓力隔離電壓低，裝置簡單可靠空心陰極電弧離子鍍的特點該技術自1972年出現(xiàn)后，獲得廣泛應用，已成功地被用于裝飾、耐磨等薄膜沉積空心陰極離子鍍的最大特點是電流大,所蒸發(fā)的物質(zhì)離化率高。被蒸另外一種空心陰極電弧離子鍍裝置和其示意圖使用電子束蒸發(fā)源物質(zhì)使用一對直線形HCD電子槍進行蒸發(fā)物質(zhì)的離化H.Morgneretal./SurfaceandCoatingsTechnology108–109(1998)513–519HCD電子束電子束蒸發(fā)源另外一種空心陰極電弧離子鍍裝置和其示意圖使用電子束蒸發(fā)源物質(zhì)熱陰極電弧離子鍍的示意圖熱燈絲電源離化室上聚焦線圈下聚焦線圈偏壓下的工件蒸發(fā)源坩堝陽極熱燈絲進氣口電弧熱陰極電弧離子鍍的示意圖熱燈絲電源離化室上聚焦線圈下聚焦線圈與空心陰極時相似，用熱陰極

(hotcathode）也可形成熱陰極電弧離子鍍在真空室的頂部安裝有熱燈絲陰極離化室。熱燈絲陰極被外熱式地加熱至熱電子發(fā)射溫度形成的高密度的低能電子束，起著蒸發(fā)源和離化源的作用電子束使氣體發(fā)生電離并蒸發(fā)物質(zhì)，在坩堝接電源正極的情況下，在真空室內(nèi)形成低壓電弧柱熱陰極電弧離子鍍與空心陰極時相似，用熱陰極(hotcathode）也可形沉積室外設兩個聚焦線圈，對電弧柱形成聚焦作用，工件放在電弧弧柱的周圍，以形成薄膜。薄膜沉積面積大這種離子鍍方法的離化率與空心陰極電弧離子鍍時相仿或略高熱陰極電弧離子鍍沉積室外設兩個聚焦線圈，對電弧柱形成聚焦作用，工件放在電弧弧真空陰極電弧離子鍍的弧源離子鍍的另一種重要形式是工業(yè)上大量采用的真空陰極電弧離子鍍（VAD），右圖是其使用的電弧源真空陰極電弧離子鍍是以陰極直接作為蒸發(fā)源的離子鍍技術真空陰極電弧離子鍍的弧源離子鍍的另一種重要形式是工業(yè)上大量采以被蒸發(fā)的物質(zhì)為陰極，而真空室為陽極使觸發(fā)極與陰極短接，在其脫離的瞬間，引發(fā)電弧放電?；」夥烹婋妷褐挥?0V左右，電流則達100A量級低溫的陰極金屬表面并不形成大的熔池；放電不依靠氣體，而是靠向真空中噴發(fā)的源物質(zhì)蒸氣維持的。陰極上形成為數(shù)眾多、在極表面迅速無規(guī)跳動的微小陰極斑點，弧斑電流密度高達105-107A/cm2電弧放電將在陰極局部釋放出巨大的熱量，使陰極局部物質(zhì)大量噴發(fā)出來。它一方面可維持氣體的放電過程，另一方面則可提供離子鍍所需的源物質(zhì)，即:陰極本身既是蒸發(fā)源，又是離化源真空陰極電弧離子鍍的工作原理以被蒸發(fā)的物質(zhì)為陰極，而真空室為陽極真空陰極電弧離子鍍的工作陰極斑點在其經(jīng)過的地方留下放電蒸發(fā)的痕跡，其直徑只有1-100m。斑點的數(shù)量與放電電流強度成正比，但流過的電流密度極高，且每個斑點能夠持續(xù)的時間很短，只有幾十微秒由于放電電流密度很大，蒸發(fā)出大量的金屬蒸氣，使陰極附近氣壓增高，分子自由程很短，金屬原子在電弧等離子體中大量離化。由于形成了強電弧放電等離子體，因而粒子的離化率可達60%-90%工件接50-1000V負偏壓，吸引大量高能離子轟擊工件與薄膜表面真空陰極電弧離子鍍的工作原理（續(xù)）陰極斑點在其經(jīng)過的地方留下放電蒸發(fā)的痕跡，其直徑只有1-10真空陰極電弧離子鍍陰極表面發(fā)生的物理過程接受離子轟擊，發(fā)射二次電子，維持電弧放電源物質(zhì)熱噴發(fā)顆粒的噴濺真空陰極電弧離子鍍

磁場將電子以及等離子體約束在陰極表面附近，且起著推動陰極斑點不斷移動的作用。

無磁場時，弧斑匯集成一個大弧斑。加磁場后，增加了弧斑的運動速度和弧斑的數(shù)量，加大弧斑的分散程度，使大弧斑被分散成許多小弧斑。但若磁場過強，弧斑過度集中于軸線附近，也不利于陰極表面的均勻燒蝕。真空陰極電弧離子鍍中的磁場磁場將電子以及等離子體約束在陰極表面附近，且工作真空度高，氣體雜質(zhì)污染少薄膜沉積速率高（10-1000m/hr）蒸發(fā)粒子的離化率高（可高達80%）離子的能量高（數(shù)百至數(shù)千電子伏特量級）向真空室內(nèi)通人反應氣體，調(diào)整壓力至10-1-102Pa，則可進行化合物薄膜的沉積，如TiN、TiC、CrN、ZrN等等真空陰極電弧離子鍍的優(yōu)點工作真空度高，氣體雜質(zhì)污染少真空陰極電弧離子鍍的優(yōu)點多弧離子鍍裝置

利用多個陰極電弧蒸發(fā)源的陰極電弧離子鍍被稱為多弧離子鍍

多弧離子鍍已成為獲得廣泛應用的PVD薄膜制備方法多弧離子鍍裝置利用多個陰極電弧蒸發(fā)源的陰極電弧離子鍍被稱為陰極電弧離子鍍的不足之處是其在陰極噴發(fā)出金屬蒸氣的同時，還會產(chǎn)生物質(zhì)的顆粒噴濺，其粒徑可達m級。大量顆粒沉積在工件表面，將影響薄膜的質(zhì)量解決顆粒物噴濺問題有兩種基本途徑：減少顆粒物的產(chǎn)生、在其輸運過程中將其濾除前者包括電弧電源的改進、陰極結(jié)構的改進等。但這些方法雖能減少微粒物的數(shù)量，但并不能避免其出現(xiàn)陰極電弧離子鍍中顆粒物的噴濺問題陰極電弧離子鍍的不足之處是其在陰極噴發(fā)出金屬蒸氣的同時，還會第二種方法，即過濾的方法，主要是利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)作用，可較為徹底地去除顆粒但這一方法的缺點是陰極電弧離子鍍控制顆粒物的方法可提供的束流直徑小，通常在200mm以下源物質(zhì)的傳輸效率有待提高。目前彎管結(jié)構最高的傳輸效率僅為25％左右不易組成多弧源陣列(即構成多弧離子鍍)，不宜大面積和大批量生產(chǎn)陰極電弧離子鍍控制顆粒物的方法彎管過濾式真空陰極電弧源的示意圖

顆粒過濾裝置彎管過濾式真空陰極電弧源的示意圖顆粒過濾裝置穹頂過濾式真空陰極電弧源的示意圖

工件離子流擋板磁場線圈電弧斑點陰極陽極顆粒過濾裝置穹頂過濾式真空陰極電弧源的示意圖工件離子流擋板磁場線圈電弧離子鍍的優(yōu)點之一在于其高的薄膜沉積速率離子鍍技術的優(yōu)點（一）

離子鍍具有上述優(yōu)點的原因在于它充分利用了真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點

磁控濺射和離子鍍方法薄膜動態(tài)沉積速率的比較（nm/min)————————————————————————————

薄膜種類薄膜制備方法

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脈沖磁控濺射空心陰極電弧離子鍍————————————————————————————Al2O3801,800-2,700SiOx120540-10,800TiO245900-1,400————————————————————————————H.Morgneretal./SurfaceandCoatingsTechnology108–109(1998)513–519離子鍍的優(yōu)點之一在于其高的薄膜沉積速率離子鍍技術的優(yōu)點（一）離子鍍的優(yōu)點之二在于它所制備的薄膜結(jié)構致密，且薄膜與襯底之間具有良好的附著力離子鍍技術的優(yōu)點（二）

離子鍍具有上述優(yōu)點的原因在于:

在薄膜沉積前及沉積的同時,用離子轟擊襯底和薄膜表面，可在薄膜與襯底之間形成粗糙、潔凈的界面；形成均勻致密的薄膜結(jié)構。這一作用與偏壓濺射(即濺射離子鍍)的作用相類似離子鍍的優(yōu)點之二在于它所制備的薄膜結(jié)構致密，且薄膜與襯底之間離子鍍的第三個優(yōu)點是它可以提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力，或稱為薄膜沉積過程的繞射能力離子鍍技術的優(yōu)點（三）

離子鍍具備這一特性的原因在于：與純粹的蒸發(fā)、濺射沉積相比，在離子鍍進行的過程中，沉積原子將從與離子的碰撞中獲得一定的能量，加上離子本身對薄膜的轟擊，這些均會使得原子在沉積至襯底表面時具有更高的動能和遷移能力離子鍍的第三個優(yōu)點是它可以提高薄膜對于復雜外形表面的覆蓋能力離子鍍技術的其他名稱離子鍍方法又被稱之為：IVD——ionvapordepositionIAD——ionassisteddepositionbiassputtering，sputterionplatingenergy-assisteddeposition離子鍍甚至可被認為只是一般薄膜沉積法（蒸發(fā)、濺射法）的一個工藝參數(shù)離子鍍技術的其他名稱離子鍍方法又被稱之為：離子鍍甚至可被認為離子鍍技術的主要應用領域離子鍍的傳統(tǒng)應用領域包括：工具耐磨涂層民用產(chǎn)品的裝飾涂層潤滑涂層離子鍍的新的應用領域包括：磁記錄介質(zhì)的防護涂層半導體器件加工技術中的薄膜沉積（如集成電路多層布線的薄膜填充）離子鍍技術的主要應用領域由以上討論我們知道，離子對襯底、薄膜的轟擊是一常用的薄膜制備手段。但在許多情況下，等離子體放電的過程不易控制，因而離子的方向性、能量、密度等很難得到綜合優(yōu)化。為解決離子轟擊方法的這一問題，人們還發(fā)展了離子束輔助沉積技術（IBAD）在離子束輔助沉積技術中，使用單獨的離子源來完成對于襯底、薄膜的轟擊IBAD方法多用于要求致密、附著性好、抗磨、性能穩(wěn)定、耐候性好的光學薄膜的制備其他的PVD:離子束輔助沉積

由以上討論我們知道，離子對襯底、薄膜的轟擊是一常用的薄膜制備離子束輔助沉積裝置的示意圖它又被稱為:Vacuumbasedionplating——相對高的真空度離子束輔助沉積裝置的示意圖它又被稱為:Vacuumbas離子束輔助沉積系統(tǒng)——

使用一個離子源對襯底進行轟擊，而欲沉積的物質(zhì)則來自于一個蒸發(fā)源。它結(jié)合了高速蒸發(fā)沉積和偏壓濺射離子轟擊的特點，同時又具有離子束的能量、方向可調(diào)的優(yōu)點還有所謂的雙離子束沉積系統(tǒng)

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分別使用兩個離子源，一個用于對靶物質(zhì)進行濺射從而提供沉積所需的源物質(zhì)，另一個被用于對襯底施行離子轟擊。對兩個離子源進行分別的控制，即可實現(xiàn)對于薄膜沉積速率和轟擊離子流的獨立調(diào)節(jié)離子束輔助沉積

離子束輔助沉積系統(tǒng)——使用一個離子源對襯底進行轟擊，而欲雙離子束沉積系統(tǒng)的示意圖Twoseparateion

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