第3章 薄膜沉积的物理方法.ppt

* * * * * * * * * * * * 3 薄膜沉积的物理方法 五、沉积离子的轰击作用： 1、对基片的作用： ? 物理/化学清洁作用； ? 形成注入型缺陷；? 改变表面形貌及粗糙度； ? 改变局部化学成分；? 破坏晶体结构； ? 造成局部温升。 2、对膜基界面的作用： ? 形成伪扩散层 (沉积物/基体物质的物理混合梯度层)；? 输入动能，增强扩散/形核，易于成膜；? 界面致密化；? 改善沉积粒子的绕射性，提高薄膜的均匀程度及其对基片表面复杂形状的覆盖能力。 六、主要沉积技术分类： 3.3 离化 PVD 技术 3.3.1 概述 一、概念：真空下，通过气体放电使气体或靶材料部分离化， 在离化离子轰击基片的同时，形成其离化物质或 其化学反应产物在基片上的沉积。 二、技术关键： 1、膜材料的气化激发：既可蒸发、也可溅射； 2、气相粒子的离化：输运过程中必须路经等离子体，并被离化！ 三、实现原理： 1、基片置于阴极，等离子体中的正离子轰击基片并成膜。2、成膜时沉积物中约20~40 %来自离化的膜材料离子，其余为原子。3、离化后的膜材料离子具有高化学活性和高动能，并轰击基片对薄 膜的生长形成有利影响。4、形成的薄膜由于离子的轰击作用，具有结合力高、低温沉积、 表面形貌及粗糙度可控、可形成化合物等一系列优点。 四、沉积装置： 1、直流辉光放电型离子镀： ? 二极型：如右图所示 ≈ 蒸发 + 二极溅射 ? 电子束蒸发出成膜物质气相粒子，路经二极辉光放电系统形成 的等离子体，并部分离化，在基片负偏压作用下被加速轰击基片，形成薄膜的沉积。 3 薄膜沉积的物理方法 3.3 离化 PVD 技术 3.3.2 离子镀 (Ion Plating) 离子镀沉积装置示意图 四、沉积装置： 1、直流辉光放电型离子镀： ? 三极型：如右图1所示 ≈ 电阻蒸发 + 三极溅射  引入热阴极（第三极）的作用： ? 发射更多电子，?气体离化率、?等离子体荷电密度！ 2、电弧离子镀： ? 阴极电弧离子镀 (Cathodic Arc Ion Plating)：如右图2所示。 ■ 阴极斑点内电流密度、温度极高，可大量蒸发出阴极物质；■ 蒸发物质离化，既可维持放电，又可提供镀膜离子；■ 因此：阴极电弧既是蒸发源，又是离化源！■ 外加磁场作用：约束电子，延长其运动路径，促进气体离化； 推动阴极斑点不断运动，实现均匀蒸发。 ■ 主要特点： ① 工作真空度高，气体杂质污染少； ② 沉积速率很高 (10~1000 ?m/h)，适于制备厚膜；③ 蒸发粒子离化率极高 (≥80 %)，离子能量高；④ 沉积装置简单、基片温升小； ⑤ 薄膜中含有电弧放电造成的喷溅微粒。 3 薄膜沉积的物理方法 3.3 离化 PVD 技术 3.3.2 离子镀 (Ion Plating) 三极离子镀装置 1 阴极电弧离子镀装置 2 四、沉积装置： 2、电弧离子镀： ? 多弧离子镀 (Multi-Arc Ion Plating)：如右图所示。 ■ 以多个真空阴极电弧蒸发源组合成的离子镀设备。 主要应用：结合反应气氛，快速制备高结合力的氮、氧、碳化物超硬耐磨薄膜。 3 薄膜沉积的物理方法 3.3 离化 PVD 技术 3.3.2 离子镀 (Ion Plating) 多弧离子镀装置 主要 PVD 沉积方法的对比 真空蒸发 溅射 离子镀 粒子形态及能量 (eV) 原子 0.1-1 1-10 0.1-1 离子 -- -- 102-104 沉积速率 (?m/min) 0.1-70 0.01-0.5 0.1-50 薄膜性质及特点 沉积质量 致密度小、表面光滑 致密度较高 致密度高 气孔率 高 较低，但气体杂质多 无、缺陷多 附着力 差 较好 很好 内应力 拉应力 压应力 不确定 绕射性 差 一般 较好 一、概念：真空下，在利用溅射或蒸发方法沉积薄膜的同时， 利用附加的离子枪装置发射离子束对基片和薄膜 进行轰击，在轰击离子的作用下完成薄膜沉积。 二、出发点：偏压溅射、离子镀等过程中，阳离子对基片 表面的轰击可有效改善薄膜的组织性能、