第四讲-离子镀及其他PVD方法课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第四讲-离子镀及其他PVD方法课件.ppt》由用户(ziliao2023)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四 离子镀 及其 PVD 方法 课件
- 资源描述:
-
1、北京科技大学材料科学学院 唐伟忠Tel:6233 4144 E-mail:课件下载网址:wztang_下 载 密 码:12345678n 还有一些不能简单划归蒸发、溅射法的 PVD方法,它们针对特定的应用目的,或是将不同的手段结合在一起,或是对上述的某一种方法进行了较大程度的改进,如各种其他的物理气相沉积方法u 离子镀 (蒸发+溅射)u 反应蒸发沉积 (蒸发+反应气体)u 离子束辅助沉积 (蒸发+离子源)离子镀 引言p薄膜制备的过程可被粗分为三个阶段:p已介绍方法的真空蒸发法、溅射法的不足:u 源物质的产生(蒸发、溅射等)u 源物质的输运(与其他粒子碰撞、活化与否)u 源物质的沉积(形成新相、
2、表面化学反应等)u 沉积粒子的能量有限 (蒸发法:0.1eV;溅射法:10eV)u 沉积粒子的能量不能得到有效的调节n 定义 离子镀是一种在等离子体存在的情况下,对衬底施加偏压,即在离子对衬底和薄膜发生持续轰击的条件下制备薄膜的 PVD 技术n 在离子镀的过程中,沉积前和沉积过程中的衬底和薄膜表面经受着相当数量的高能离子和大量的高能中性粒子流的轰击n 离子镀可以被看成是一种混合型的薄膜制备方法 它兼有蒸发法和溅射法的优点兼有蒸发法和溅射法的优点离子镀 引言离子镀技术 发展历史u 1938年,Berghau 申请了离子镀的第一份专利u 1963年,Mattox 发明了二极直流放电离子镀u 197
3、2年,Bunshah发展了活化反应离子镀u 1972年,Morley发明了空心阴极电弧离子镀u 1973年,村山洋一发明了射频放电离子镀u 20世纪80年代初,国内外相继开发了真空阴极电弧离子镀、多弧离子镀u 如今,离子镀技术已发展成为在工业中广泛应用的一种重要的 PVD 薄膜沉积技术 最有代表性的 结合了蒸发和溅射法的优点结合了蒸发和溅射法的优点l 有一个具有偏置电压(-V)的气体放电空间l 被沉积的物质(金属原子、气体分子)在放电空间内部分离化 偏置极 地电极 (1963)u 使用电子束蒸发法提供沉积所需的物质 (在早期,溅射法还不成熟,真空电弧法还未出现)u 以衬底作为阴极、整个真空室作
4、为阳极,组成一个类似于二极溅射装置的放电系统u 真空室内充入 0.1-1.0 Pa 的 Ar 气u 在薄膜沉积前和沉积中,采用高能量的离子流对衬底和薄膜表面进行持续的轰击 u 在薄膜沉积前,在极之间施加25kV的电压,使气体发生辉光放电,产生等离子体。Ar+离子在电压驱动下对衬底进行轰击u 在不间断离子轰击的情况下开始物质的蒸发沉积过程。蒸发出来的粒子将与等离子体发生相互作用。由于 Ar+的电离能比被蒸发元素的电离能更高,因而在等离子体内将会发生 Ar+离子与蒸发原子之间的电荷交换,蒸发原子发生部分的电离u 含有相当数量离子的蒸发物质在两极间被加速,并带着相应的能量轰击薄膜。但离子轰击产生的溅
5、射速率要低于蒸发沉积的速率 离子镀的独特之处:使用高能离子对衬底和薄膜表面进行轰击。因此,离化率 电离原子占全部被蒸发原子的百分数 ni/n,是离子镀过程最重要的参量 常见离子镀过程的粒子离化率为离子镀过程中粒子的离化率离子镀的过程二极直流放电离子镀射频放电 离子镀空心阴极 电弧离子镀真空阴极电弧 离子镀离化率ni/n0.1%10%20-40%60-80%离化率增加 离子的能量正比于加速电压V,即:提高粒子离化率的意义 在离子镀过程中,中性粒子所携带的能量由热蒸发时的加热温度所决定,即:w=1/2kT 0.1eVwi=eV w;100-1000eV因此,离子镀时每个沉积原子的能量平均为wnnw
6、wii/即它正比于粒子的离化率正比于粒子的离化率,远大于热蒸发粒子的能量 离子镀过程中,离子轰击将导致发生多个重要的物理效应:(1)表面物质的溅射效应(2)离子注入、在薄膜中诱发缺陷(3)使薄膜形貌与成分发生变化(4)使界面成分发生混杂(5)气体原子的溶入(6)基片温度升高(7)改变薄膜的应力状态,等离子镀时发生的微观效应(1)溅射效应 离子轰击会引发表面原子的溅射,尤其是会优先除去结合松散的原子,使吸附的气体杂质从基片表面脱附而清洁化(2)在薄膜中诱发缺陷 轰击离子向薄膜中的晶格原子传递大量的能量,使其迁移到间隙位置上,在薄膜表层形成高密度的点缺陷,有时甚至使表面的结晶相转变为非晶相(3)薄
7、膜形貌与成分发生变化 离子轰击后,会增加基底和薄膜的表面粗糙度;轰击会造成较小的晶粒、促进较薄厚度的薄膜形成连续薄膜;形成亚稳态的结构,以及形成非化学计量比的化合物等。如在放电时引入活性气体,则可促使活性粒子进入薄膜中,形成诸如碳化物、氮化物等。离子镀时发生的微观效应(续)(4)界面成份混杂 高能粒子的注入、表面原子的反冲注入等,将引起近表层发生非扩散型的元素混杂,形成“伪扩散层”(或过渡层),其厚度可达几个微米(5)使薄膜中溶入气体 离子轰击使原来并不会溶解的气体也会进入薄膜表层,使薄膜中溶解几个原子百分比的气体组分(6)沉积温度提高 大部分轰击粒子的能量会转变为热能,它使薄膜受到加热作用,
8、其温度上升(7)改变薄膜的应力状态 高能粒子的轰击可使表面产生压应力,从而强化薄膜的表面层离子镀时发生的微观效应(续)离子镀中离子轰击对薄膜制备过程的好处p 衬底表面的清洁化、合金化,提高薄膜附着力衬底表面的清洁化、合金化,提高薄膜附着力p 促进薄膜形核、改善薄膜覆盖能力促进薄膜形核、改善薄膜覆盖能力p 薄膜结构的致密化与薄膜应力的调整薄膜结构的致密化与薄膜应力的调整p 化合物薄膜的形成化合物薄膜的形成作为离子镀方法的有机组成部分,离子轰击可有效降低衬底污染,形成“伪扩散层”界面,提高薄膜附着力离子轰击可通过清洁表面、引入缺陷、离子注入、促进扩散、粒子再溅射等,促进薄膜新相的形核,并提高薄膜覆
9、盖能力离子轰击可提高薄膜致密度、硬度,改变薄膜应力状态,改善薄膜结构及性能的稳定性离子轰击可提供活性基团、促进扩散和提供激活能,提高表面活性、促进低温下化合物薄膜的生成各种各样的离子镀方法n 二极直流放电离子镀 n 活化反应离子镀(或活化反应蒸镀,ARE)n 射频放电离子镀n 溅射离子镀(偏压溅射)n 空心阴极电弧离子镀n 热弧离子镀n 真空阴极电弧离子镀-多弧离子镀 离子镀可以有很多种不同的形式,其主要区别在于其(a)使源物质蒸发、(b)使其蒸气离化并提高其离化率的方法活化反应离子镀方法出现前:设想:当需要沉积化合物薄膜时,可通入活性气体,利用真空蒸发法薄膜沉积速率高的特点,生成化合物薄膜活
10、性气体热蒸发法n早期的反应蒸发法,使金属蒸气通过活性气氛(如O2、NH3、CH4)后,反应沉积成相应的化合物。其结果是化学反应不易进行得很彻底,沉积物的化学成分常偏离化合物的化学计量比n由此,发展了活化反应蒸发法(activated reactive evaporation,ARE),让金属蒸气通过活性气体形成的等离子体区,使活性气体和金属原子均处于离化态,增加两者的反应活性,在衬底上形成相应的化合物薄膜n在此基础上,即形成了活化反应离子镀活化反应离子镀方法出现前后活化反应离子镀装置的示意图3 活化极活化极1 等离子体2 基体4 反应气体5 原子射流6 差压板7 蒸发源8 真空室比二极直流放电
11、离子镀时多了一个环状的活化极,它相对于蒸发源取正电位.该电极从蒸发源吸引来少量的电子,提高了蒸发粒子的离化率偏置极 地电极 活化极 (1972)n 化合物的沉积与离子的活化过程相分离,且可分别得到独立控制,提高物质的离化率n 维持比溅射沉积法高一个数量级的沉积速率n 衬底温度低在较低的温度下即可获得相应的金属化合物薄膜n 可在任意基底上,包括金属、非金属上获得化合物薄膜活化反应离子镀的优点n 活化反应离子镀技术可以被用于各种氧化物、碳化物、氮化物薄膜的沉积,如 Y2O3,TiN,TiC,ZrC,HfC,VC,NbC等 n 活化反应离子镀方法的优点在于其沉积温度较低(与后面要介绍的化学气相沉积技
12、术相比),因而可被用于制备各种不能经受高温的耐磨零件的涂层活化反应离子镀其缺点:离化率和活化程度仍然较低,因此又发展了热电子辅助的活化反应离子镀热电子辅助的 这比活化反应离子镀又多了一个发射热电子的热阴极(辅助极,形成三极离子镀),可降低气体压力,提高过程的可调节性S.Wouters et al./Surface and Coatings Technology 92(1997)56-61n 利用热阴极的方法使之在阴极、阳极之间发生辉光放电而形成等离子体,提高蒸气粒子、反应气体原子的离化率,强化电离作用n 利用热阴极的好处是可降低气体放电的压力(10-2Pa),减少气体对蒸发原子的散射。被蒸发物
13、质的原子在通过等离子体区时会发生部分的离化,它们与活性气体离子一起被偏压加速至衬底表面并形成化合物薄膜热电子辅助的活化反应离子镀热电子发射阴极的作用明显表现在阳极伏安特性曲线上活化反应离子镀法在低于120V时阳极电流只有几毫安;在辅助情况下,阳极电流大幅度增加,产生辉光放电不需再使用电子枪,仅由热电子发射极提供电子就可以维持等离子体热电子辅助前后,活化反应离子镀的阳极伏安特性曲线热阴极的作用 n 蒸发和等离子体的产生过程不仅可以独立地调节,且可在沉积速率保持恒定时,大幅度增强等离子体,提高蒸发物质的离化率n 发射极提供的热电子可独立产生等离子体,因而电阻和激光蒸发也可作为蒸发手段,而不必一定采
14、用电子束加热蒸发源热电子辅助的活化反应离子镀的特点n 与活化反应离子镀同期,发明了射频放电离子镀(RF-IP),其蒸发源仍采用电子束蒸发方式n 在蒸发源与基体之间设置射频感应线圈,电子在其射频电场作用下震荡运动,延长了电子到达阳极的路径,增加了电子与气体及蒸气原子碰撞的几率,能在10-1-10-3Pa低气压下稳定放电(通常二极直流放电离子镀的气压为1Pa左右)。因此,在电子束作蒸发源时,不必设置维持气压的隔板n 射频放电离子镀时,被蒸镀物质原子的离化率可达 10%射频放电离子镀装置的示意图加速区蒸发区离化区(1973)偏置极 射频放电离子镀装置内部可分为三个区域u 以蒸发源为中心的蒸发区u 以
15、射频线圈为中心的离化区u 以衬底为中心,使离子加速并沉积的离子加速区n 调节蒸发源功率、线圈激励功率、偏压等,可对蒸发、离化、加速三个过程进行独立控制n 尤其是可依靠提高射频激励增加离化率,优化薄膜沉积过程溅射离子镀(sputtering ion plating)是在溅射沉积法的基础上,在基片上施加偏压,并可通入反应气体,形成薄膜的方法。在溅射一讲中,我们已将其称为偏压溅射。根据溅射过程中放电的特征,又分为直流溅射离子镀、射频溅射离子镀、反应控溅射离子镀等。溅射离子镀(偏压溅射)空心阴极电弧离子镀装置的示意图HCD电子枪 反应气体 真空室工件 电源 蒸发源 使用45或90偏转型HCD电子枪HC
16、D:hollow cathode discharge活化极 偏置极(1972)n 用空心阴极电子枪代替了普通的电子枪,即构成了空心阴极离子镀。空心阴极与坩埚间构成了蒸发源,与活化极间构成了离化源n 空心阴极电弧放电的情况下,可产生数百安培的电子束,比其他离子镀方法高100倍;使其偏转后即可用于热蒸发。浓度极高的蒸气流通过蒸发源上方的等离子区时被激发和电离,形成大量的离子和高能中性粒子,不仅可形成密度达1015/cm2.s的离子流,还携带了比其他离子镀方法高2-3数量级的高能中性粒子,飞向施加负偏压的基底,沉积形成薄膜。物质的蒸发速率高,薄膜的沉积速率快空心阴极电弧离子镀n 空心阴极离子镀的最大
展开阅读全文