離子鍍技術制備薄膜

離子鍍離子鍍的原理離子鍍的特點離子轟擊的作用離子鍍的類型3.1離化PVD技術

一、概念：通過將成膜材料高度電離化形成膜材料離子，從而其增加沉積動能，并使之高化學活性狀態(tài)下沉積薄膜的技術。二、出發(fā)點：以其它手段激發(fā)沉積物質粒子，然后使之與高度電離的等離子體交互作用(類似PECVD)，促使沉積粒子離化，使之既可被電場加速而獲得更高動能，同時在低溫狀態(tài)下具有高化學活性。三、基本特點：大多數(shù)是蒸發(fā)/濺射(氣相物質激發(fā))與等離子體離化過程(賦能、激活)的交叉結合！四、主要優(yōu)勢：

低溫沉積、甚至可以低溫外延生長；薄膜性能≥濺射(結合力、致密度)、沉積速率≥蒸發(fā)(>>濺射)；可沉積化合物薄膜；薄膜表面形貌、粗糙程度高度可控。

五、沉積離子的轟擊作用：1、對基片的作用：物理/化學清潔作用；形成注入型缺陷；

改變表面形貌及粗糙度；改變局部化學成分；

破壞晶體結構；造成局部溫升。2、對膜基界面的作用：形成偽擴散層(沉積物/基體物質的物理混合梯度層)；

輸入動能，增強擴散/形核，易于成膜；

界面致密化；

改善沉積粒子的繞射性，提高薄膜的均勻程度及其對基片表面復雜形狀的覆蓋能力。六、主要沉積技術分類：3.1離化PVD技術

概念：離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質離子轟擊作用的同時把蒸發(fā)物或其反應物沉積在基片上。離子鍍把氣體的輝光放電、等離子體技術與真空蒸發(fā)鍍膜技術結合在一起，不僅明顯地提高了鍍層的各種性能，而且大大地擴充了鍍膜技術的應用范圍。近年來在國內外都得到迅速發(fā)展。技術關鍵：1、膜材料的氣化激發(fā)：既可蒸發(fā)、也可濺射；2、氣相粒子的離化：輸運過程中必須路經(jīng)等離子體，并被離化！實現(xiàn)原理：1、基片置于陰極，等離子體中的正離子轟擊基片并成膜。

2、成膜時沉積物中約20~40%來自離化的膜材料離子，其余為原子。

3、離化后的膜材料離子具有高化學活性和高動能，并轟擊基片對薄

膜的生長形成有利影響。

4、形成的薄膜由于離子的轟擊作用，具有結合力高、低溫沉積、

表面形貌及粗糙度可控、可形成化合物等一系列優(yōu)點。離子鍍膜技術——離子鍍膜的原理★離子鍍膜的原理離子鍍膜系統(tǒng)典型結構基片為陰極，蒸發(fā)源為陽極，建立一個低壓氣體放電的等離子區(qū)；鍍材被氣化后，蒸發(fā)粒子進入等離子區(qū)被電離，形成離子，被電場加速后淀積到基片上成膜；淀積和濺射同時進行；離子鍍膜技術——離子鍍膜的原理離子鍍膜的成膜條件淀積過程：濺射過程：實現(xiàn)離子鍍膜的必要條件造成一個氣體放電的空間；將鍍料原子(金屬原子或非金屬原子)引進放電空間，使其部分離化。μ為淀積原子在基片表面的淀積速率；ρ為薄膜質量密度；M為淀積物質的摩爾質量；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的特點（與蒸發(fā)和濺射相比）PVD的三種基本鍍膜方法比較PVD的三種基本鍍膜方法比較離子鍍膜技術——離子鍍膜的特點★離子鍍膜的缺點薄膜中的缺陷密度較高，薄膜與基片的過渡區(qū)較寬，應用中受到限制（特別是電子器件和IC）。

由于高能粒子轟擊，基片溫度較高，有時不得不對基片進行冷卻。薄膜中含有氣體量較高。高能離子轟擊的作用

在離子鍍過程中，基板及所形成膜層始終受到高能粒子（幾~上百eV）的不斷轟擊2.1.4離子鍍膜法使基板表面粗糙度增加污染物、氣體脫附起濺射、清洗作用影響1：

使基板和薄膜形成缺陷導致：點缺陷密度增加，膜層結構甚至形成非晶態(tài)結構轟擊粒子轉移給晶格（基板）的能量：E：入射粒子的能量mi：入射粒子的質量mt：靶原子質量Et＞25eV使晶格原子產(chǎn)生位移間隙空位Et<25eV使晶格原子產(chǎn)生振動發(fā)熱：促進原子擴散影響2：影響3：在膜/基之間會形成明顯的過渡層原因：a：高能離子的滲透（注入）b：被濺射出基板的原子部分反彈回基板表面與膜原子混合c：高能入射離子的級聯(lián)碰撞→部分基板原子向表面遷移d：高能入射離子造成高缺陷密度，局部溫度升高，使擴散速率增加在膜/基間形成一定厚度的緩變過渡層，可能形成新相緩變層的作用提高膜層的附著性提高膜層的硬度提高膜層的抗磨損能力提高膜層的抗氧化能力提高膜層的抗腐蝕能力表面改性可形成梯度薄膜層，組成簡便改性層影響4：氣體滲入膜層中幾%

對膜層影響視材料而定，但可以通過淀積后立即真空熱處理去處絕大部分影響5：表面成分發(fā)生變化原因：a：膜系統(tǒng)內各成分的濺射率不同b：高缺陷濃度與局部高溫會促進擴散作用（濃度擴散，熱擴散）c：膜層的點缺陷易集中于表面附近區(qū)域d：促進溶質發(fā)生偏析并使小離子在表面富集（主要由于缺陷移動問題）影響6：對薄膜生長的影響特殊的薄膜生長過程：a：形成“偽擴散層”

緩變擴散層，改變了異質材料的

相互結合混溶匹配熱應力降低b：提供更多的成核中心表面清洗作用缺陷濃度離子注入有利于成核c：對膜的形態(tài)和結晶組分的影響蒸發(fā)：存在幾何陰影效應，常出現(xiàn)擇優(yōu)生長，易形成柱狀結構

離子的轟擊作用可降低陰影效應離子鍍膜技術——離子轟擊的作用★離子轟擊的作用離子鍍膜的整個過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)原子的百分數(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，單位時間在單位面積上所淀積的離子數(shù)；是蒸發(fā)粒子的動能；是單位時間對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——離子轟擊的作用當遠小于時，離子鍍膜中的活化系數(shù)與離化率、基片加速電壓、蒸發(fā)溫度等因素有關。離子鍍膜技術——離子轟擊的作用離子鍍膜技術——離子轟擊的作用濺射清洗薄膜淀積前對基片的離子轟擊。將產(chǎn)生如下結果：濺射清洗作用吸附氣體、各種污染物、氧化物產(chǎn)生缺陷和位錯網(wǎng)入射粒子傳遞給靶材原子的能量超過靶原子發(fā)生離位的最低能量時，晶格原子將會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。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散能力，某些缺陷也可以發(fā)生遷移、聚集成為位錯網(wǎng)。破壞表面晶格離子轟擊產(chǎn)生的缺陷很穩(wěn)定的話，表面的晶體結構就會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。表面成分改變?yōu)R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——離子轟擊的作用離子鍍膜技術——離子轟擊的作用粒子轟擊對薄膜生長的影響影響薄膜的形態(tài)、晶體結構、成分、物理性能相許多其它特性?！皞螖U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，形成粒狀晶粒結構的顯微結構影響薄膜的內應力。離子轟擊強迫原子處于非平衡位置，使內應力增加。利用轟擊熱效應或外部加熱減小內應力?？商岣呓饘俦∧さ钠趬勖ǔ杀短岣撸ｋx子鍍膜技術——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——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、并由基板所加的負電壓對其加速。如右圖所示≈蒸發(fā)+二極濺射電子束蒸發(fā)出成膜物質氣相粒子，路經(jīng)二極輝光放電系統(tǒng)形成的等離子體，并部分離化，在基片負偏壓作用下被加速轟擊基片，形成薄膜的沉積。如圖所示≈電阻蒸發(fā)+三極濺射引入熱陰極（第三極）的作用：發(fā)射更多電子，氣體離化率、等離子體荷電密度離子鍍膜技術——離子鍍膜的類型（1）二陰極法中放電開始的氣壓為10-2Torr左右，而多陰極法為10-3Torr左右，可實現(xiàn)低氣壓下的離子鍍膜。真空度比二級型離子鍍的真空度大約高一個數(shù)量級。所以，鍍膜質量好，光澤致密（2）二極型離子鍍膜技術中，隨著陰極電壓降低，放電起始氣壓變得更高；而在多陰極方式中，陰極電壓在200V就能在10-3Torr左右開始放電。特點：離子鍍膜技術——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，放電電流就會發(fā)生很大的變化，因此可通過改變輔助陰極(多陰極)的燈絲電流來控制放電狀態(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，擴大了陰極區(qū)、改善了繞射性，減少了高能離子對工件的轟擊作用，避免了直流二極型離子鍍?yōu)R射嚴重、成膜粗糙、溫升高而難以控制的弱點。離子鍍膜技術——離子鍍膜的類型活性反應離子鍍膜（ARE）ActivatedReactiveEvaporation在離子鍍膜基礎上，若導入與金屬蒸氣起反應的氣體，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氣體的分子、原子激活、離化、使其活化，促進其間的化學反應，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離子鍍法。由于各種離子鍍膜裝置都可以改裝成活性反應離子鍍，因此，ARE的種類較多。離子鍍膜技術——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)飛濺物進入電子槍工作室攔截一次電子，減小對基片的轟擊離子鍍膜技術——離子鍍膜的類型特點：（1）電離增加了反應物的活性，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側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。一般每分鐘可達幾個微米，最高可達50m。而且可以通過改變電子槍的功率、基片—蒸發(fā)源的距離、反應氣體壓力等實現(xiàn)對薄膜生長速率的有效控制。離子鍍膜技術——離子鍍膜的類型（4）調節(jié)或改變蒸發(fā)速率及反應氣體壓力可以十分方便地制取不同配比、不同結構、不同性質的同類化合物。（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，無公害。ARE的缺點：電予槍發(fā)出的高能電子除了加熱蒸發(fā)薄膜材料之外，同時還要用來實現(xiàn)對蒸氣以及反應氣體的離化。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——離子鍍膜的類型射頻離子鍍膜技術三個區(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，并沉積在基板。通過分別調節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈的激勵功率、基板偏壓等，可以對上述三個區(qū)域進行獨立的控制，由此可以在一定程度上改善膜層的物性。離子鍍膜技術——離子鍍膜的類型綜上所述，射頻放電離子鍍具有下述特點：a.蒸發(fā)、離化、加速三種過程可分別獨立控制，離化率靠射頻激勵，而不是靠加速直流電場，基板周圍不產(chǎn)生陰極暗區(qū)。b.在10-1-l0-3Pa的較低工作壓力下也能穩(wěn)定放電，而且離化率較高，薄膜質量好。c.容易進行反應離子鍍。d.和其它離子鍍方法相比，基板溫升低而且較容易控制。缺點是：由于工作真空度較高，故鍍膜的繞射性差射頻對人體有害離子鍍技術可以制備敏感、耐熱、耐磨、抗蝕和裝飾薄膜。

離子束輔助沉積(IBAD，IonBeamAssistedDeposition)一、概念：真空下，在利用濺射或蒸發(fā)方法沉積薄膜的同時，

利用附加的離子槍裝置發(fā)射離子束對基片和薄膜