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离子镀膜技术Ion Plating,4.4 离子镀膜技术, 离子镀膜的原理 离子镀膜的特点 离子轰击的作用 离子镀膜的类型,离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基片上。 离子镀把气体的辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一起，不仅明显地提高了镀层的各种性能，而且大大地扩充了镀膜技术的应用范围。 近年来在国内外都得到迅速发展。,离子镀膜技术离子镀膜的原理, 离子镀膜的原理,离子镀膜系统典型结构,基片为阴极，蒸发源为阳极，建立一个低压气体放电的等离子区； 镀材被气化后，蒸发粒子进入等离子区被电离，形成离子，被电场加速后淀积到基片上成膜； 淀积和溅射同时进行；,离子镀膜技术离子镀膜的原理,离子镀膜的成膜条件,淀积过程：,溅射过程：,实现离子镀膜的必要条件,造成一个气体放电的空间； 将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。,为淀积原子在基片表面的淀积速率；为薄膜质量密度；M为淀积物质的摩尔质量；NA阿佛加德罗常数。,j是入射离子形成的电流密度,离子镀膜技术离子镀膜的特点, 离子镀膜的优点,膜层附着性好；溅射清洗，伪扩散层形成 膜层密度高（与块体材料相同）；正离子轰击 绕射性能好； 可镀材料范围广泛； 有利于化合物膜层的形成； 淀积速率高，成膜速率快，可镀较厚的膜； 清洗工序简单、对环境无污染。,离子镀膜技术离子镀膜的特点, 离子镀膜的缺点,薄膜中的缺陷密度较高，薄膜与基片的过渡区较宽，应用中受到限制（特别是电子器件和IC）。 由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不对基片进行冷却。 薄膜中含有气体量较高。,离子镀膜技术离子轰击的作用, 离子轰击的作用,离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。,离化率：是指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。,中性粒子的能量,离子的能量,薄膜表面的能量活性系数,式中， 单位时间在单位面积上所淀积的离子数； 是蒸发粒子的动能； 是单位时间对单位面积轰击的离子数； 为离子的平均能量。,离子镀膜技术离子轰击的作用,当 远小于 时，,离子镀膜中的活化系数与离化率、基片加速电压、蒸发温度等因素有关。,离子镀膜技术离子轰击的作用,离子镀膜技术离子轰击的作用,溅射清洗 薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下结果：,溅射清洗作用 吸附气体、各种污染物、氧化物 产生缺陷和位错网 入射粒子传递给靶材原子的能量超过靶原子发生离位的最低能量时，晶格原子将会离位并迁移到晶格的间隙位置上去，从而形成空位、间隙原子和热激励。轰击粒子将大部分能量传递给基片使其发热，增加淀积原子在基片表面的扩散能力，某些缺陷也可以发生迁移、聚集成为位错网。,破坏表面晶格 离子轰击产生的缺陷很稳定的话，表面的晶体结构就会被破坏而成为非晶态 气体掺入 不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、基片温度及淀积粒子的能量大小 非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。 表面成分改变 溅射率不同 表面形貌变化 表面粗糙度增大，溅射率改变 温度升高,离子镀膜技术离子轰击的作用,离子镀膜技术离子轰击的作用,粒子轰击对薄膜生长的影响 影响薄膜的形态、晶体结构、成分、物理性能相许多其它特性。,“伪扩散层”缓解了膜、基的不匹配程度，提高了薄膜的附着力。成核位置更多，核生长条件更好。减小了基片和膜层界面的空隙，提高了附着力。离子轰击能消除柱状晶粒，形成粒状晶粒结构的显微结构影响薄膜的内应力。离子轰击强迫原子处于非平衡位置，使内应力增加。利用轰击热效应或外部加热减小内应力。 可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）。,离子镀膜技术离子镀膜的类型, 离子镀膜的类型,按薄膜材料气化方式分类：,按原子或分子电离和激活方式分类：,电阻加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。,辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、以及各种离子源。,一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源(或气源、溅射源等)、高压电源、离化装置、放置基片的阴极等部分组成。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,直流二极型离子镀,直流二极型离子镀的特征是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。,轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。,由于直流放电二极型离子镀设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也具有一定实用价值。特别是在附着力方面优于其它的离子镀方法。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,三极和多阴极型离子镀（二极型改进）,离子镀膜技术离子镀膜的类型,（1）二阴极法中放电开始的气压为10-2Torr左右，而多阴极法为10-3Torr左右，可实现低气压下的离子镀膜。真空度比二级型离子镀的真空度大约高一个数量级。所以，镀膜质量好，光泽致密 （2） 二极型离子镀膜技术中，随着阴极电压降低，放电起始气压变得更高；而在多阴极方式中，阴极电压在200V就能在10-3 Torr左右开始放电。,特点：,离子镀膜技术离子镀膜的类型,（3）在多阴极方式中，即使气压保持不变，只改变作为热电子发射源的灯丝电流，放电电流就会发生很大的变化，因此可通过改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态。 （4）由于主阴极(基板)上所加维持辉光放电的电压不高，而且多阴极灯丝处于基板四周，扩大了阴极区、改善了绕射性，减少了高能离子对工件的轰击作用，避免了直流二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,活性反应离子镀膜（ARE）,Activated Reactive Evaporation 在离子镀膜基础上，若导入与金属蒸气起反应的气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或掺入Ar之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种方法称为活性反应离子镀法。 由于各种离子镀膜装置都可以改装成活性反应离子镀，因此，ARE的种类较多。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,离子镀膜技术离子镀膜的类型,特点：,（1）电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。 采用CVD法要加热到1000左右，而ARE法只需把基片加热到500左右。 （2）可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜。 （3）淀积速率高。 一般每分钟可达几个微米，最高可达50m。而且可以通过改变电子枪的功率、基片蒸发源的距离、反应气体压力等实现对薄膜生长速率的有效控制。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,（4） 调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物。 （5）由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物。 （6）清洁，无公害。,ARE的缺点：电予枪发出的高能电子除了加热蒸发薄膜材料之外，同时还要用来实现对蒸气以及反应气体的离化。因此，ARE法在低的沉积速率下，很难维持等离子体。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,射频离子镀膜技术,三个区域：（1）以蒸发源为中心的蒸发区；（2）以线圈为中心的离化区；（3）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板。,通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层的物性。,离子镀膜技术离子镀膜的类型,综上所述，射频放电离子镀具有下述特点： a. 蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，而不是靠加速直流电场，基板周围不产生阴极暗区。 b. 在10-1-l0-3 Pa的较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好。 c. 容易进行反应离子镀。 d. 和其它离子镀方法相比，基板温升低而且较容易控制。,缺点是： 由于工作真空度较高，故镀膜的绕射性差 射频对人体有害,离子镀技术可以制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装饰薄膜。,离子镀膜技术习题和思考题,离子镀膜系统工作的必要条件？离子镀膜的原理及薄膜形成条件？离子镀膜技术的分类？直流二极离子镀、三极和多阴极离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀的原理和特点？,离子束溅射离子镀膜法,真空蒸发镀膜，溅射镀膜，离子镀膜都不能控制达到基片上的粒子流。为提高成膜质量，需要精确控制成膜过程如图所示：,优点：成膜能精确控制，调束流和离子束能即可； 高真空度下成膜，膜层质量好； 基片温度低。,由图可见，惰性离子Ar+束轰击靶材，而将靶材分子溅射到基片上。这事实上属二次离子束沉积。,进一步改进即实现一次离子束沉积：由固态物质的离子束直接打在基片上沉积而形成薄膜-离子束沉积法。,但在工艺实现比较困难，因为不易产生足够数量的固态物质离子，并能将它们引出和聚焦成束。,2. 分子束外延制膜法(MBE),外延工艺：合适的条件下，在适当的衬底上生成一层晶格结构完整的新单晶层外延层的制膜工艺。,同质外延：外延层与衬底材料在结构和性质上相同，但纯度可控等。,异质外延：外延层与衬底材料在结构和性质不同。,高品质的半导体芯片就是由分子束外延制成。,分子束外延装置:,样品,将物质如Al、Ga等掺杂剂分别放入喷射源的坩熔内，加热使物质熔化升华就能产生相应的分子束；,这是目前最精确可控的成膜技术。,喷射源的孔径远小于容器内蒸汽分子的平均自由程；喷射源的炉温和档板可调，从而实现成膜及掺杂精确控制。,分子束外延制膜法(MBE)的优点:,a.能实现将原子一个一个在衬底上沉积；b.在超高真空下成膜，膜的质量好，纯度高；c.能获得单晶薄膜，并且衬底温度低；d.可同时进行成份、形貌等实时监控，以便于科 学研究。,3. 化学气相沉积法(CVD),一种或几种气态元素在一个加热的基片上进行化学反应，而形成不挥发的固态膜层的过程称为化学气相沉积(CVD)。,CVD装置：,阀,阀,质量流量计,热分解反应沉积： 在加热基片上进行的热分解反应而形成的固态膜。,化学反应沉积： 在加热基片上进行的化学反应而形成的固态膜。,化学气相沉积条件：,在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压；,反应的生成物,除了所需要的沉积物为固态外， 其余都必须是气态；,沉积物本身的蒸汽压应足够低，以保证在整个 沉积反应过程中能使其保持在加热的基体上。,优点：a.成膜纯度高、致密、结晶定向好； b.能在较低温度下制备难熔物质,如W、Mo、Ta等； c.便于制备各种复合材料，因为成份及比例易控。,缺点：基片温度高,沉积速度较低,几个微米/小时,参加 沉积反应的气源和反应后的余气都有一定的毒性。,4. 等离子体化学气相沉积法(PECVD),为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)即：,高频辉光放电形成等离子体 +化学反应 = PECVD,成膜机理：,辉光放电等离子体中： 电子密度高 (1091012/cm3),电子气温度比普通气体分子温度高出10-100倍, 虽环境温度(100-300)，但反应气体在辉光放电 等离子体中能受激分解，离解和离化，从而大大 提高了参与反应物的活性。,因此，这些具有高反应活性的中性物质很容易被吸附到较低温度的基板表面上，发生非平衡的化学反应沉积生成薄膜。,5. 光CVD,为了在膜的局部形成指定膜成份，发展了光CVD.其基本原理：,M + hv(光子) M*(激发态),受激分子具有额外能量hv,成了一种新的化学粒子,化学活性增大，与其它气体易反应，例如：,