第6章离子镀膜ppt课件.ppt
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1、第6章 离子镀膜,离子镀的英文全称Ion Plating,简称IP。它是在真空条件下,应用气体放电实现镀膜,即在真空室中使气体或被蒸发物质电离,在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物或其反应物蒸镀在基片上。离子镀把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发技术结合在一起,不但显著提高了淀积薄膜的各种性能,而且大大扩展了镀膜技术的应用范围。与蒸发镀膜和溅射镀膜相比较,除具有二者的特点外,还特别具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等一系列优点,因此受到人们的重视。近年来,在国内外得到迅速的发展。,6.1 离子镀原理,结构:热蒸发源,直流负高压,进气管路,。,1.工作原理,当真空度抽至10-4Pa
2、的髙真空后,通入惰性气体(Ar),使真空度达到110-1Pa。接通高压电源,则在蒸发源与基片之间建立了一个低气压气体的等离子体区。使镀材气化蒸发,蒸发粒子进入Plasma区,与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子及电子发生碰撞,其中一部分蒸发粒子被电离成正离子,正离子在负高压电场加速的作用下,到达并沉积在表面成膜;其中一部分获得了能量的原子,也到达表面并沉积成膜。,2.成膜机理,1)蒸发原子与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子及电子发生碰撞,成为离子,或获得能量的原子沉积在基片表面上成膜;2)成膜前Ar离子的溅射清洗基片。由于基片处于负高压,Ar+轰击表面溅射清洗表面。3)基片在成膜
3、过程中受到Ar+和被电离的蒸发原子对基片的溅射。必须淀积效应优于溅射剥离效应,沉积的离子原子数n大于被溅射的原子nj,即成膜条件,成膜条件分析只考虑蒸发原子或离子的沉积作用,则单位时间内入射到单位面积上淀积的蒸发原子数n可用下式表示式中,淀积原子在基片表面的淀积速率(m/min);薄膜的密度(g/cm3);M淀积物质的摩尔质量,NA=6.0291023,阿伏伽德罗常数。例如,对于Ag, 当其蒸发速率为1m/min时, Ag的 则 。溅射剥离效应设离子电流密度为j,则单位时间内轰击到基片表面的离子数,溅射率为,则单位时间内溅射的原子数nj,式中,是一价正离子电荷量(只考虑一价正离子),j是入射离
4、子形成的电流密度。,3.离子能量,离子的溅射、沉积均与离子能量有关 ;Vc为衬底阴极所加的负偏压,离子的平均能量为eVc/10。当Vc为15kV时,离子的平均能量为100500 eV 。这有沉积和溅射作用同时存在。D.G.Teer测出金属的离化率只有0.11%。,4.中性原子,受到碰撞的中性金属粒子的数量大约为金属离子数的20倍;但是,并非所有的高能中性原子都能到达基板。通常,约有70%左右可到达基板,其余30%则到达器壁、夹具等处。 这些高能中性原子的平均能量为eVc/22,当Vc为15kV时,其平均能量为45225eV。考虑到粒子间碰撞几率不相同,离子和高能中性原子的能量将在零至数千伏范围
5、内变化,个别粒子的能量也能达到15keV。D.G.Teer测出金属的离化率只有0.11%。中性能量的原子为其的20倍。所以,由于产生了大量高能中性原子,故提高了蒸发粒子的总能量。因此,使得离子镀具有许多优点。,5.离子入射到固体表面的三种现象,金属离子照射到固体表面上,根据入射的离子能量E值的大小的不同,一般来说可以产生下述三种现象: (1)沉积现象( ) (2)溅射现象( ) (3)离子注入现象( )。 沉积现象是指照射的金属离子附着在固体表面上的现象,这一现象与离子的动能有关,一般来说,动能小,附着几率越大,获得的沉积速率也高。随着入射离子能量的增加,因离子轰击作用,基片原子即会被溅射出并
6、进入到真空室中,这就是溅射作用。这时已经附着在表面上的部分金属原子当受到后续入射的同种离子的溅射作用后还会重新返回到真空室中。而且,如果入射离子能量再进一步增大时,离子还会注入到表面的原子层中,即产生离子注入现象。,离子能量在300eV以下时,沉积现象占优势,Ge沉积量大;但是随着入射离子能量的增加,溅射现象逐渐占优势从而使Ge的沉积量呈减少趋势。从测量Ge厚度来看,当离子能量超过500eV时,Ge膜没有发现沉积。这一能量值,正好 与Ge的自溅射产额等于1时的能量相对应。当能量超过900eV时,Ge附着量又呈现增加的趋势,即出现了离子注入现象。表5-15是相应于几种金属成膜时所需的最大临界能量
7、范围。,考虑薄膜沉积过程中基片表面的清洁状态时,由于物理吸附气体分子的能量约为0.10.5eV,化学吸附气体的能量约为18eV。因此,只要恰当地选择离子的照射能量,入射的离子就可以把这两种分子从基片表面上轰击掉,从而达到表面清洁的目的。而且如采用较高能量的离子对固体表面进行照射,不仅会引起基片原子的溅射,而且还能使基片近表面的原子发生离位,产生缺陷等。这些原子的离位和缺陷,对于晶体膜的生长,可作为晶体生长所必需的晶核。同时,随着离子的轰击还会促进表面原子的扩散。因此,束流沉积法与传统的薄膜沉积法相比较,在相同的基片温度下产生晶体生长的条件是容易实现的。特别是在团簇离子束沉积中,沉积粒子更易于在
8、基片表面上移动,这种效果可以认为是表面迁移效果所产生的。离子镀的成膜的粒子与蒸发镀的粒子能量主要区别,蒸发原子直接到达表面,0.11eV; 离子镀为蒸发离子或高能原子,能量在几百几千eV。与溅射镀膜,离子轰击靶(阴极)溅射出原子成膜。而离子镀中,离子或中性原子直接在负高压(阴极)成膜。,6.2 离子镀的特点,(1)膜层附着性能好。 因为在离子镀过程中,利用辉光放电所产生的大量高能粒子对基片表面产生阴极溅射效应,对基片表面吸附的气体和污物进行溅射清洗,使基片表面净化,而且伴随镀膜过程这种净化清洗随时进行,直至整个镀膜过程完成,这是离子镀获得良好附着力的主要原因之一。 另一方面,离子镀过程中溅射与
9、淀积两种现象并存,在镀膜初期,可在膜基界面形成组分过渡层或膜材与基材的成分混合层,Mattox 称之为“伪扩散层“,能有效改善膜层的附着性能。 (2)膜层的密度高(通常与大块材料密度相同)。 离子镀过程中,膜材离子和高能中性原子带有较高的能量到达基片,可以在基片上扩散、迁移。而且膜材原子在空间飞行过程中即使形成了蒸气团,到达基片时也能被离子轰击碎化,形成细小的核心,生长为细密的等轴结晶。 在此过程中,高能氩离子对改善膜层的结构,并使之形成接近块材的密度值,发挥了重要作用。 也可以说,镀层质量高,主要是由于淀积膜层不断受到正离子轰击,从而引起冷凝物发生溅射,使膜层致密,针孔和空气孔大大减少的缘故
10、。,(3)绕射性能好。 离子镀过程中,部分膜材离子被离化成正离子后,它们将沿着电场的电力线方向运动,凡是电力线分布之处,膜材离子都能到达。在离子镀中由于工件为阴极,且带负高压,因此,工件的各个表面(包括孔、槽、面向蒸发源或背向蒸发源的表面)都处于电场之中。这样,膜材的离子就能到达工件的所有表面。另外,由于膜材在压强较高的情况下(1Pa)被电离,气体分子的平均自由程比源基之间的距离h小,所以蒸气的离子或分子在它到达基片的路程中将与惰性气体分子、电子及其它蒸气原子之间发生多次碰撞,产生非定向的气体散射效应,使膜材粒子散射在整个工件周围。由于上述原因,离子镀可以在基片的所有表面上淀积薄膜。这是真空蒸
11、发所无法比拟的。,(4) 可镀材质范围广泛。可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料。如塑料、石英、陶瓷和橡胶等材料,以及各种金属、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔点材料等。(5) 有利于化合物膜层的形成。在离子镀技术中,在蒸发金属的同时,向真空室通入某些反应性气体,则可反应生成化合物。由于辉光放电低温等离子体中高能电子的作用,将电能变成了金属粒子的反应活化能,所以可在较低温度下形成在高温下靠热激发才能形成的化合物。(6) 淀积速率高,成膜速度快,可镀较厚的膜。通常,离子镀淀积几十微米厚的膜层时,其速度较其他镀膜方法快。试验表明:离子镀钛每小时约为0.23,镀不锈钢约为0.3。,6.3 离子
12、轰击的作用1.离化率,离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例。是衡量离子镀特性的一个重要指标。特别在反应离子镀中更为重要。因为它是衡量活化程度的主要参量。被蒸发原子和反应气体的离化程度对薄膜的各种性质都能产生直接影响。,在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压,加速电压典型能量值为505000eV。离子的平均能量为eVc/10.离子的平均能量为5500 eV. 溅射所产生的中性原子也有一定的能量分布,其平均能量约为几个电子伏。在普通的电子束蒸发中,若蒸发温度为2000K,则蒸发原子的平均能量为0.2eV。各种镀膜方法所达到的能量活性系数值见表4-2。,由表可见,在离子镀中可以通过
13、改变Ui和ni/ne,使值提高23个数量级。,图4-2 能量活性系数与离化率、离子平均加速电压的关系(1800K)如离子的平均加速电压较低时,例如Ui=500V,离化率为3*10-3时,离子镀的能量活性系数则与溅射时相同。因此,在离子镀过程中离化率的高低非常重要。图4-2是在典型的蒸发温度时,能量活性系数与离化率和的关系。从该图可看出,能量活性系数与加速电压的关系,在很大程度上受离化率的限制。为了提高离子镀活性系数,通常可通过提高离子镀装置的离化率来实现。几种离子镀装置的离化率值见表4-3所示。,表4-3 几种离子镀装置的离化率,2.溅射清洗,在薄膜淀积之前的离子轰击对基片表面的作用如下:1)
14、溅射清洗作用。 此作用可有效地清除基片表面所吸附的气体、各种污染物和氧化物。如入射离子能量高、活性大,还可与基片物质发生化学反应乃至化学溅射。2)产生缺陷和位错网。3)破坏表面结晶结构。如果离子轰击产生的缺陷是很稳定的,则表面的晶体结构就会被破坏而变成非晶态结构。同时,气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。,4)气体掺入。 低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中。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。一般,非晶材料捕集气体能力比晶体材料强。当然,轰击加热作用也会使捕集的气体释放。在某种工艺条件下,掺入气体量可高达百分之几。5)表面成分变化。 由于系统内各成分
15、的溅射率不同,会造成表面成分与整体成分的不同,表面区的扩散对成分有显著影响。高缺陷浓度和高温也会促进扩散。点缺陷易于聚集在表面,缺陷的移动会使溶质发生偏析并使较小的离子在表面聚集。6) 表面形貌变化。 表面经离子轰击后,无论晶体和非晶体基片的表面形貌,将会发生很大的变化,使表面粗糙度增大,并改变溅射率。7)温度升高。 因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能。,3.粒子轰击对薄膜生长的影响,在离子镀时,一方面有镀材粒子淀积到基片上,另一方面有高能离子轰击表面,使一些粒子溅射出来。当前者的速率大于后者,薄膜就会增厚。这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界面具有许多特点。1) 首先是在溅射与淀积混杂的
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