第6章-離子鍍膜課件

第6章離子鍍膜離子鍍的英文全稱IonPlating,簡(jiǎn)稱IP。它是在真空條件下，應(yīng)用氣體放電實(shí)現(xiàn)鍍膜，即在真空室中使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子的轟擊下，將蒸發(fā)物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨?。離子鍍把輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)技術(shù)結(jié)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(kuò)展了鍍膜技術(shù)的應(yīng)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(diǎn)外，還特別具有膜層的附著力強(qiáng)、繞射性好、可鍍材料廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們的重視。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外得到迅速的發(fā)展。第6章離子鍍膜離子鍍的英文全稱IonPlating,簡(jiǎn)16.1離子鍍?cè)斫Y(jié)構(gòu)：熱蒸發(fā)源，直流負(fù)高壓，進(jìn)氣管路，。。6.1離子鍍?cè)斫Y(jié)構(gòu)：熱蒸發(fā)源，直流負(fù)高壓，進(jìn)氣管路，21.工作原理當(dāng)真空度抽至10-4Pa的髙真空后，通入惰性氣體（Ar），使真空度達(dá)到1~10-1Pa。接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立了一個(gè)低氣壓氣體的等離子體區(qū)。使鍍材氣化蒸發(fā)，蒸發(fā)粒子進(jìn)入Plasma區(qū)，與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子及電子發(fā)生碰撞，其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，正離子在負(fù)高壓電場(chǎng)加速的作用下，到達(dá)并沉積在表面成膜；其中一部分獲得了能量的原子，也到達(dá)表面并沉積成膜。1.工作原理當(dāng)真空度抽至10-4Pa的髙真空后，通入惰性氣體32.成膜機(jī)理1）蒸發(fā)原子與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣體原子及電子發(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；2）成膜前Ar離子的濺射清洗基片。由于基片處于負(fù)高壓，Ar+轟擊表面濺射清洗表面。3）基片在成膜過(guò)程中受到Ar+和被電離的蒸發(fā)原子對(duì)基片的濺射。必須淀積效應(yīng)優(yōu)于濺射剝離效應(yīng)，沉積的離子原子數(shù)n大于被濺射的原子nj，即成膜條件2.成膜機(jī)理1）蒸發(fā)原子與等離子區(qū)中的正離子和被激活的惰性氣4成膜條件分析①只考慮蒸發(fā)原子或離子的沉積作用，則單位時(shí)間內(nèi)入射到單位面積上淀積的蒸發(fā)原子數(shù)n可用下式表示式中，μ——淀積原子在基片表面的淀積速率(μm/min）；ρ——薄膜的密度(g/cm3)；M—淀積物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，NA=6.029×1023，阿伏伽德羅常數(shù)。例如，對(duì)于Ag，當(dāng)其蒸發(fā)速率為1μm/min時(shí)，Ag的則。②濺射剝離效應(yīng)設(shè)離子電流密度為j，則單位時(shí)間內(nèi)轟擊到基片表面的離子數(shù)，濺射率為η，則單位時(shí)間內(nèi)濺射的原子數(shù)nj,式中，是一價(jià)正離子電荷量（只考慮一價(jià)正離子），j是入射離子形成的電流密度。成膜條件分析53.離子能量離子的濺射、沉積均與離子能量有關(guān)；Vc為襯底陰極所加的負(fù)偏壓，離子的平均能量為eVc/10。當(dāng)Vc為1~5kV時(shí)，離子的平均能量為100~500eV。這有沉積和濺射作用同時(shí)存在。D.G.Teer測(cè)出金屬的離化率只有0.1~1%。3.離子能量離子的濺射、沉積均與離子能量有關(guān)；64.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20倍；但是，并非所有的高能中性原子都能到達(dá)基板。通常，約有70%左右可到達(dá)基板，其余30%則到達(dá)器壁、夾具等處。這些高能中性原子的平均能量為eVc/22，當(dāng)Vc為1~5kV時(shí)，其平均能量為45~225eV?？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(nèi)變化，個(gè)別粒子的能量也能達(dá)到1~5keV。D.G.Teer測(cè)出金屬的離化率只有0.1~1%。中性能量的原子為其的20倍。所以，由于產(chǎn)生了大量高能中性原子，故提高了蒸發(fā)粒子的總能量。因此，使得離子鍍具有許多優(yōu)點(diǎn)。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275.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E值的大小的不同，一般來(lái)說(shuō)可以產(chǎn)生下述三種現(xiàn)象：（1）沉積現(xiàn)象（）（2）濺射現(xiàn)象（）（3）離子注入現(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)象，這一現(xiàn)象與離子的動(dòng)能有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)能小，附著幾率越大，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，基片原子即會(huì)被濺射出并進(jìn)入到真空室中，這就是濺射作用。這時(shí)已經(jīng)附著在表面上的部分金屬原子當(dāng)受到后續(xù)入射的同種離子的濺射作用后還會(huì)重新返回到真空室中。而且，如果入射離子能量再進(jìn)一步增大時(shí)，離子還會(huì)注入到表面的原子層中，即產(chǎn)生離子注入現(xiàn)象。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8離子能量在300eV以下時(shí)，沉積現(xiàn)象占優(yōu)勢(shì)，Ge沉積量大;但是隨著入射離子能量的增加，濺射現(xiàn)象逐漸占優(yōu)勢(shì)從而使Ge的沉積量呈減少趨勢(shì)。從測(cè)量Ge厚度來(lái)看，當(dāng)離子能量超過(guò)500eV時(shí)，Ge膜沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沉積。這一能量值，正好與Ge的自濺射產(chǎn)額等于1時(shí)的能量相對(duì)應(yīng)。當(dāng)能量超過(guò)900eV時(shí)，Ge附著量又呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，即出現(xiàn)了離子注入現(xiàn)象。表5-15是相應(yīng)于幾種金屬成膜時(shí)所需的最大臨界能量范圍。離子能量在300eV以下時(shí)，沉積現(xiàn)象占優(yōu)勢(shì)，Ge沉積量大;9考慮薄膜沉積過(guò)程中基片表面的清潔狀態(tài)時(shí)，由于物理吸附氣體分子的能量約為0.1~0.5eV，化學(xué)吸附氣體的能量約為1~8eV。因此，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇離子的照射能量，入射的離子就可以把這兩種分子從基片表面上轟擊掉，從而達(dá)到表面清潔的目的。而且如采用較高能量的離子對(duì)固體表面進(jìn)行照射，不僅會(huì)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。這些原子的離位和缺陷，對(duì)于晶體膜的生長(zhǎng)，可作為晶體生長(zhǎng)所必需的晶核。同時(shí)，隨著離子的轟擊還會(huì)促進(jìn)表面原子的擴(kuò)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產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)的條件是容易實(shí)現(xiàn)的。特別是在團(tuán)簇離子束沉積中，沉積粒子更易于在基片表面上移動(dòng)，這種效果可以認(rèn)為是表面遷移效果所產(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)原子直接到達(dá)表面，0.1~1eV;離子鍍?yōu)檎舭l(fā)離子或高能原子，能量在幾百~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，離子或中性原子直接在負(fù)高壓（陰極）成膜?？紤]薄膜沉積過(guò)程中基片表面的清潔狀態(tài)時(shí)，由于物理吸附氣體分子106.2離子鍍的特點(diǎn)(1）膜層附著性能好。因?yàn)樵陔x子鍍過(guò)程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對(duì)基片表面產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，對(duì)基片表面吸附的氣體和污物進(jìn)行濺射清洗，使基片表面凈化，而且伴隨鍍膜過(guò)程這種凈化清洗隨時(shí)進(jìn)行，直至整個(gè)鍍膜過(guò)程完成，這是離子鍍獲得良好附著力的主要原因之一。另一方面，離子鍍過(guò)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(guò)渡層或膜材與基材的成分混合層，Mattox稱之為“偽擴(kuò)散層“，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）。離子鍍過(guò)程中，膜材離子和高能中性原子帶有較高的能量到達(dá)基片，可以在基片上擴(kuò)散、遷移。而且膜材原子在空間飛行過(guò)程中即使形成了蒸氣團(tuán)，到達(dá)基片時(shí)也能被離子轟擊碎化，形成細(xì)小的核心，生長(zhǎng)為細(xì)密的等軸結(jié)晶。在此過(guò)程中，高能氬離子對(duì)改善膜層的結(jié)構(gòu)，并使之形成接近塊材的密度值，發(fā)揮了重要作用。也可以說(shuō)，鍍層質(zhì)量高，主要是由于淀積膜層不斷受到正離子轟擊，從而引起冷凝物發(fā)生濺射，使膜層致密，針孔和空氣孔大大減少的緣故。6.2離子鍍的特點(diǎn)(1）膜層附著性能好。11（3）繞射性能好。離子鍍過(guò)程中，部分膜材離子被離化成正離子后，它們將沿著電場(chǎng)的電力線方向運(yùn)動(dòng)，凡是電力線分布之處，膜材離子都能到達(dá)。在離子鍍中由于工件為陰極，且?guī)ж?fù)高壓，因此，工件的各個(gè)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(chǎng)之中。這樣，膜材的離子就能到達(dá)工件的所有表面。另外，由于膜材在壓強(qiáng)較高的情況下（>1Pa）被電離，氣體分子的平均自由程λ比源基之間的距離h小，所以蒸氣的離子或分子在它到達(dá)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)生非定向的氣體散射效應(yīng)，使膜材粒子散射在整個(gè)工件周圍。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(wú)法比擬的。（3）繞射性能好。12(4)可鍍材質(zhì)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，以及各種金屬、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔點(diǎn)材料等。（5）有利于化合物膜層的形成。在離子鍍技術(shù)中，在蒸發(fā)金屬的同時(shí)，向真空室通入某些反應(yīng)性氣體，則可反應(yīng)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(yīng)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。（6）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(shí)，其速度較其他鍍膜方法快。試驗(yàn)表明：離子鍍鈦每小時(shí)約為0.23㎜，鍍不銹鋼約為0.3㎜。(4)可鍍材質(zhì)范圍廣泛。可在金屬或非金屬表面上鍍金屬或非136.3離子轟擊的作用

1.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)的百分比例。是衡量離子鍍特性的一個(gè)重要指標(biāo)。特別在反應(yīng)離子鍍中更為重要。因?yàn)樗呛饬炕罨潭鹊闹饕獏⒘?。被蒸發(fā)原子和反應(yīng)氣體的離化程度對(duì)薄膜的各種性質(zhì)都能產(chǎn)生直接影響。6.3離子轟擊的作用

1.離化率離化率是指被電離的原子14第6章--離子鍍膜ppt課件15第6章--離子鍍膜ppt課件16在離子鍍中轟擊離子的能量取決于基片加速電壓，加速電壓典型能量值為50~5000eV。離子的平均能量為eVc/10.離子的平均能量為5~500eV.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(gè)電子伏。在普通的電子束蒸發(fā)中，若蒸發(fā)溫度為2000K，則蒸發(fā)原子的平均能量為0.2eV。各種鍍膜方法所達(dá)到的能量活性系數(shù)ε值見(jiàn)表4-2。在離子鍍中轟擊離子的能量取決于基片加速電壓，加速電壓典型能量17由表可見(jiàn)，在離子鍍中可以通過(guò)改變Ui和ni/ne,使ε值提高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。由表可見(jiàn)，在離子鍍中可以通過(guò)改變Ui和ni/ne,使ε值提高18圖4-2能量活性系數(shù)與離化率、離子平均加速電壓的關(guān)系（1800K）如離子的平均加速電壓較低時(shí),例如Ui=500V，離化率為3*10-3時(shí)，離子鍍的能量活性系數(shù)則與濺射時(shí)相同。因此，在離子鍍過(guò)程中離化率的高低非常重要。圖4-2是在典型的蒸發(fā)溫度時(shí)，能量活性系數(shù)與離化率和的關(guān)系。從該圖可看出，能量活性系數(shù)與加速電壓的關(guān)系，在很大程度上受離化率的限制。為了提高離子鍍活性系數(shù)，通?？赏ㄟ^(guò)提高離子鍍裝置的離化率來(lái)實(shí)現(xiàn)。幾種離子鍍裝置的離化率值見(jiàn)表4-3所示。圖4-2能量活性系數(shù)與離化率、離子平均加速電壓的關(guān)系（1819

離子鍍裝置二極型離子鍍射頻激勵(lì)型離子鍍空心陰極放電型離子鍍電弧放電型離子鍍離化率0.1~2%10%22~40%60~80%表4-3幾種離子鍍裝置的離化率二極型離子鍍射頻激勵(lì)型空心陰極放電型離子鍍電弧放電型離子鍍離202.濺射清洗

在薄膜淀積之前的離子轟擊對(duì)基片表面的作用如下：1）濺射清洗作用。此作用可有效地清除基片表面所吸附的氣體、各種污染物和氧化物。如入射離子能量高、活性大，還可與基片物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)乃至化學(xué)濺射。2）產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)網(wǎng)。3）破壞表面結(jié)晶結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞而變成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，氣體的摻入也會(huì)破壞表面的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。2.濺射清洗

在薄膜淀積之前的離子轟擊對(duì)基片表面的作用如下214）氣體摻入。低能離子轟擊會(huì)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、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(qiáng)。當(dāng)然，轟擊加熱作用也會(huì)使捕集的氣體釋放。在某種工藝條件下，摻入氣體量可高達(dá)百分之幾。5）表面成分變化。由于系統(tǒng)內(nèi)各成分的濺射率不同，會(huì)造成表面成分與整體成分的不同，表面區(qū)的擴(kuò)散對(duì)成分有顯著影響。高缺陷濃度和高溫也會(huì)促進(jìn)擴(kuò)散。點(diǎn)缺陷易于聚集在表面，缺陷的移動(dòng)會(huì)使溶質(zhì)發(fā)生偏析并使較小的離子在表面聚集。6）表面形貌變化。表面經(jīng)離子轟擊后，無(wú)論晶體和非晶體基片的表面形貌，將會(huì)發(fā)生很大的變化，使表面粗糙度增大，并改變?yōu)R射率。7）溫度升高。因?yàn)檗Z擊離子的絕大部分能量都變成熱能。4）氣體摻入。低能離子轟擊會(huì)造成氣體摻入表面和淀積膜之中。223.粒子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響

在離子鍍時(shí)，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(lái)。當(dāng)前者的速率大于后者，薄膜就會(huì)增厚。這一特殊的淀積與濺射的綜合過(guò)程使膜基界面具有許多特點(diǎn)。1）首先是在濺射與淀積混雜的基礎(chǔ)上，由于蒸發(fā)粒子不斷增加，在膜基面形成“偽擴(kuò)散層”。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。即在基片與薄膜的界面處形成一定厚度的組分過(guò)渡層。這種過(guò)渡層，可以使基片和膜材料的不匹配性分散在一個(gè)較寬的厚度區(qū)域內(nèi)，從而緩和了這種不匹配程度。這對(duì)提高膜基界面的附著強(qiáng)度十分有利。直流二極型離子鍍、銀膜與鐵基界面間可形成100nm厚的過(guò)渡層。而且負(fù)偏壓越高，過(guò)渡層越厚。3.粒子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響在離子鍍時(shí)，一方面有鍍材粒子淀232）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(yīng)系統(tǒng)中成核密度也較高。由于這種特有的微觀結(jié)構(gòu)（形貌粗糙、缺陷密度高），加之表面沾污物的清除以及阻礙擴(kuò)散和反應(yīng)成核的障礙層的破壞，也將為淀積粒子提供良好的核生長(zhǎng)條件。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(duì)于減少基片與膜層界面的空隙十分有利。無(wú)疑，這也是離子鍍具有良好附著力的原因之一。2）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243）離子對(duì)膜層的轟擊作用，對(duì)膜的形態(tài)和結(jié)晶組分也有影響。在蒸發(fā)中由于幾何陰影效應(yīng)，峰區(qū)的擇優(yōu)生長(zhǎng)使淀積膜呈柱狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致島溝的出現(xiàn)。而離子鍍膜時(shí)，由于離子的轟擊作用，使島上的粒子向島溝轉(zhuǎn)移，能消除柱狀結(jié)晶，減輕陰影效應(yīng)，而且，隨著基片負(fù)偏壓的增高，轟擊基片離子能量也將增加，這種消除結(jié)晶的效應(yīng)就越顯著，這時(shí)，代之而形成的將是均勻的顆粒狀結(jié)晶。3）離子對(duì)膜層的轟擊作用，對(duì)膜的形態(tài)和結(jié)晶組分也有影響。在蒸254）內(nèi)應(yīng)力受離子轟擊的影響也很明顯。內(nèi)應(yīng)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。粒子的轟擊一方面迫使一部分原子離開(kāi)平衡位置而處于一種較高的能量狀態(tài)，從而引起內(nèi)應(yīng)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(yīng)又有利于原子的擴(kuò)散。因此，恰當(dāng)?shù)睦棉Z擊的熱效應(yīng)或進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠考訜?，一方面可使?nèi)應(yīng)力減小，另外，也對(duì)提高膜層組織的結(jié)晶性能有利。通常，蒸發(fā)薄膜具有張應(yīng)力，濺射淀積的薄膜具有壓應(yīng)力，離子鍍薄膜也具有壓應(yīng)力。4）內(nèi)應(yīng)力受離子轟擊的影響也很明顯。266.4離子鍍的類型根據(jù)膜材不同的氣化方式和離化方式，可構(gòu)成不同類型的離子鍍膜方式。靶材的氣化方式有：電阻加熱、電子束加熱、等離子電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱、陰極弧光放電加熱等.6.4離子鍍的類型根據(jù)膜材不同的氣化方式和離化方式，可構(gòu)27直流二極型離子鍍的結(jié)構(gòu)原理如圖4-1所示。其特征是利用二電極間輝光放電產(chǎn)生離子，并由基板上所加的負(fù)偏壓對(duì)離子加速。按巴邢定律和氣體放電理論，其輝光放電的氣壓只能維持在。由于工作壓強(qiáng)較高，故對(duì)蒸鍍?nèi)埸c(diǎn)在1400℃以下的金屬如等多采用電阻加熱式蒸發(fā)源。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室分開(kāi)，并采用兩套真空系統(tǒng)，以保證電子槍工作所需的高真空度。1.直流二極型離子鍍直流二極型離子鍍的結(jié)構(gòu)原理如圖4-1所示。其特征是利用二電極28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0.25~0.4，離化率較低，一般為百分之零點(diǎn)幾，最高也只有2%。用它鍍制的膜層均勻、具有較好的附著力和較強(qiáng)的繞射性，設(shè)備也比較簡(jiǎn)單，鍍膜工藝容易實(shí)現(xiàn)，可用普通的鍍膜機(jī)改裝，因此目前仍具有較強(qiáng)一定的實(shí)用價(jià)值。其缺點(diǎn)是由于轟擊粒子能量大，對(duì)形成的膜層有剝離作用，同時(shí)會(huì)引起基片的溫升，結(jié)果使膜層表面粗糙，質(zhì)量差，另外，由于工作真空度低會(huì)對(duì)膜層造成污染，特別是輝光放電電壓和離子加速電壓不易分別調(diào)整，因此工藝參數(shù)較難控制。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0.229特點(diǎn)：①繞射性好，附著力好；②設(shè)備簡(jiǎn)單，可用普通鍍膜機(jī)改造，鍍膜工藝容易控制。缺點(diǎn)：①放電空間電荷密度低，陰極電位密度僅0.25~0.4，離化率較低，一般為百分之零點(diǎn)幾，最高也只有2%②所加電壓較高，離子轟擊能量大，會(huì)因起基片溫升大，有明顯的剝離作用，薄膜表面粗糙，質(zhì)量差，沉積速率較低。③輝光放電電壓和離子加速電壓不易分別調(diào)整，工藝參數(shù)較難控制。④由于工作氣壓低，薄膜質(zhì)量較差，工作時(shí)需加電子束差壓、零兩個(gè)工作室。特點(diǎn)：①繞射性好，附著力好；302.三極和多陰極型離子鍍利用熱陰極6發(fā)射大量熱電子，在收集極4的作用下橫向穿過(guò)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10~20倍。2.三極和多陰極型離子鍍利用熱陰極6發(fā)射大量熱電子，在收集極31多陰極型是把被鍍基片作為陰極（主陰極），在其旁側(cè)配置幾個(gè)熱陰極（多陰極），利用熱陰極發(fā)出的電子促進(jìn)氣體電離，實(shí)際上是在熱陰極與陽(yáng)極的電壓下維持放電，見(jiàn)圖4-6。因這種方式可在低氣壓下維持放電，故可實(shí)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(jìn)。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，則可顯著地提高蒸鍍粒子的離化效果。

多陰極型是把被鍍基片作為陰極（主陰極），在其旁側(cè)配置幾個(gè)熱陰32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周，擴(kuò)大了陰極區(qū)，改善了繞射性，減少了高能離子對(duì)基板的轟擊作用。從而避免了二極型離子鍍?yōu)R射嚴(yán)重、成膜粗糙、升溫快而且難以控制的缺點(diǎn)。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33由于在也可以維持穩(wěn)定的放電，比二極型的真空度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以鍍膜質(zhì)量好，光澤而致密。同時(shí)，因低能電子的引入使離化率有較大提高，可達(dá)10%左右。這種鍍膜方式已成功地用于活性反應(yīng)離子鍍上，并在手表外殼上得到了較為理想的TiN鍍層。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)多陰極燈絲的負(fù)電位，可調(diào)節(jié)其接收的離子量，從而調(diào)節(jié)到達(dá)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(guò)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(jìn)行。因此，多陰極式擴(kuò)展了離子鍍的應(yīng)用領(lǐng)域。由于在也可以維持穩(wěn)定的放電，比二極型的真空度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，所343.活性反應(yīng)離子鍍?cè)陔x子鍍過(guò)程中，若在真空室中導(dǎo)入能和金屬蒸氣反應(yīng)的氣體，如等代替Ar或?qū)⑵鋼饺階r氣中，并用各種放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體的分子、原子激活離化，促進(jìn)其間的化學(xué)反應(yīng)，在基片表面上就可獲得化合物薄膜。3.活性反應(yīng)離子鍍?cè)陔x子鍍過(guò)程中，若在真空室中導(dǎo)入能和金屬蒸35選擇不同的反應(yīng)氣體，可得到不同的化合物薄膜。ARE法鍍膜的特點(diǎn)是：基片加熱溫度低。由于電離增加了反應(yīng)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、氮化物等膜層。若采用了CVD法，基板則要加熱到1000℃左右?？稍谌魏位纳现苽浔∧ぃ缃饘?、玻璃、陶瓷、塑料等，并可獲得多鐘化合物膜，這是ARE離子鍍的一個(gè)十分顯著的特點(diǎn)。淀積速率高。每分鐘可達(dá)數(shù)微米，比濺射淀積速率至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可制備厚膜。調(diào)整或改變蒸發(fā)速度及反應(yīng)氣體的壓力，可十分方便地制取不同性質(zhì)的同類化合物。清潔無(wú)公害。選擇不同的反應(yīng)氣體，可得到不同的化合物薄膜。ARE法鍍膜的364.射頻離子鍍種離子鍍技術(shù)放電穩(wěn)定，能在髙真空下鍍膜。因?yàn)椴捎昧松漕l激勵(lì)方式，所以被蒸鍍物質(zhì)氣化發(fā)展的離化率可達(dá)10%左右，工作壓力一般為10-1-10-3Pa，僅為直流二極型的1%，一般射頻線圈為7圈，高度為7㎝，用直徑3㎜的銅絲繞制而成，安裝在蒸發(fā)源和基板之間，基板與蒸發(fā)源的距離為20㎝，射頻頻率為13.56MHz或18MHz，功率多為1~2kw,直流偏壓為0~-1500V。4.射頻離子鍍種離子鍍技術(shù)放電穩(wěn)定，能在髙真空下鍍膜。因?yàn)椴?7射頻離子鍍的特點(diǎn)是：蒸發(fā)、離化和加速三種過(guò)程可分別獨(dú)立控制；離化率介于直流放電型與空心陰極型之間。在10-1-10-3Pa的髙真空下也能穩(wěn)定放電，且離化率高，鍍層質(zhì)量好。易進(jìn)行反應(yīng)離子鍍膜。和其他離子鍍相比，基片溫升低，且容易控制。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(duì)人體有害，應(yīng)進(jìn)行屏蔽盒防護(hù)。除此以外，還有磁控濺射離子鍍、真空電弧離子鍍、空心陰極離子鍍裝置等。目前，離子鍍技術(shù)已在制備敏感、耐熱、耐磨、抗蝕和裝飾薄膜等方面，得到日益廣泛的應(yīng)用。射頻離子鍍的特點(diǎn)是：385.電弧離子鍍電弧離子鍍是一種十分廣泛，效率高,性能好的鍍膜技術(shù)。電弧離子鍍是由美國(guó)Multi-Arc公司和Vac-Tec公司，聯(lián)合開(kāi)發(fā),目前已達(dá)到工業(yè)實(shí)用化階段。5.電弧離子鍍電弧離子鍍是一種十分廣泛，效率高,性能好的鍍39電弧離子鍍的原理圓板狀陰極從背后用水強(qiáng)制冷卻。在弧光蒸發(fā)汽周圍設(shè)置磁場(chǎng)線圈，引弧電極安裝在永久磁鐵的回轉(zhuǎn)軸上，磁場(chǎng)線圈中無(wú)電時(shí)，電極被復(fù)位彈簧壓向陰極；DC電源加電在陰極陽(yáng)極之間形成電場(chǎng)，同時(shí)陰極基片上加上一定的電壓.電弧離子鍍的原理圓板狀陰極從背后用水強(qiáng)制冷卻。在弧光蒸發(fā)汽周40在需要起弧時(shí)，給磁線圈通電，作用于永久磁鐵的外力使軸回轉(zhuǎn)，引弧電極從陰極表面上離開(kāi)，在與靶分離時(shí)所產(chǎn)生的火花實(shí)現(xiàn)引弧，實(shí)現(xiàn)弧光放電。電弧離子鍍的原理是基于冷陰極真空弧光放電理論，認(rèn)為放電過(guò)程是借助于場(chǎng)電子發(fā)射和正離子發(fā)射。在放電過(guò)程中，引弧后，由于表面場(chǎng)的作用，陰極局部陰極表面功函數(shù)小的點(diǎn)開(kāi)始發(fā)射電子，個(gè)別發(fā)射電子密度高的點(diǎn)產(chǎn)生高密度的電流，該電流產(chǎn)生的焦耳熱使該點(diǎn)溫度上升而進(jìn)一步發(fā)射熱電子。在需要起弧時(shí)，給磁線圈通電，作用于永久磁鐵的外力使軸回轉(zhuǎn)，引41由于局部電流產(chǎn)生的焦耳熱，使陰極材料在此局部產(chǎn)生爆炸性等離子化而發(fā)射電子和離子，然后留下放電疤，同時(shí)放出熔融的陰極材料粒子。發(fā)射的離子中的一部分在陰極表面附近再次形成空間電荷層，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使新的功函數(shù)小的點(diǎn)開(kāi)始發(fā)射電子。這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，弧光輝點(diǎn)在陰極表面上激烈地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，弧光輝點(diǎn)過(guò)后，在陰極表面上留下分散的放電疤。放電開(kāi)始，多數(shù)弧光輝點(diǎn)在陰極上高速運(yùn)動(dòng)，電子和高度離子化的高能陰極材料的原子以等離子束形式放出，其分散情況由圓維陽(yáng)極的頂角決定。離子同時(shí)受到加在陰極與基片之間的電壓加速，打在基片，并沉積在基片上。由于局部電流產(chǎn)生的焦耳熱，使陰極材料在此局部產(chǎn)生爆炸性等離子42起輝后，弧光輝點(diǎn)在陰極表面上激烈地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，弧光輝點(diǎn)過(guò)后，在陰極表面上留下分散的放電疤，理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，陰極輝光的數(shù)量一般與電流成正比增加，每一個(gè)輝點(diǎn)的電流是常數(shù)，并隨陰極材料不同而異。陰極材料陰極輝點(diǎn)電流（A）Bi3~5Cd8Zn20Al30Cr50Ti70Cu75Ag60~100Fe600~100Mo150C200W300不同陰極材料陰極輝光點(diǎn)的平均電位密度起輝后，弧光輝點(diǎn)在陰極表面上激烈地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，弧光輝點(diǎn)過(guò)43上述陰極輝光極小，測(cè)定為1~100μm，所以輝點(diǎn)內(nèi)的電流密度值可達(dá)105-107A/cm2，這些輝點(diǎn)猶如很小的發(fā)射點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間很短，僅為幾至幾十μm。在此瞬間后，電流又分布到陰極表面的其它輝點(diǎn)上。從陰極弧光輝點(diǎn)放出的物質(zhì)，大部分是離子和熔融的粒子，中性原子的比例僅為1~2%。陰極材料如Pb、Cd、Zn等低熔點(diǎn)金屬離子是一價(jià)的，金屬的熔點(diǎn)越高，多價(jià)離子的比例越大。Ti,W離子有5、6價(jià)。上述陰極輝光極小，測(cè)定為1~100μm，所以輝點(diǎn)內(nèi)的電流密度44設(shè)備操作時(shí)開(kāi)始不通N2，起弧后，首先利用輝點(diǎn)噴射出來(lái)的Ti離子，轟擊基片進(jìn)行濺射