薄膜制备技术PVD.ppt

2. PVD成膜方法与工艺 装置：真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板、监控系统 离子镀的优点 1、入射离子能量高，与基体的结合强度高，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高，耐磨性好，耐蚀性好； 2、与其他表面处理工艺结合使用效果更佳 3、可镀基材广泛，可同时在不同金属材料的表面成膜，膜层的颜色均匀一致，成膜温度低而热稳定好； 4、膜层隐蔽性好 5、镀膜过程无环境污染 （2）射频辉光放电 指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压，而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得能量，并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。 射频放电的频率范围：1-30MHz，工业用频率为13.56MHz 其特点是： 辉光放电空间产生的电子，获得足够的能量，足以产生碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压 射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去，所以，电极无需是导体，可以溅射任何材料 （3）电磁场中的气体放电 在放电电场空间加上磁场，放电空间中的电子就要围绕磁力线作回旋运动，其回旋半径r=mv/eB，磁场对放电的影响效果，因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。 4. 溅射特性参数 （1）溅射阈值 （2）溅射率 （3）溅射粒子的状态、能量、速度 （4）溅射粒子的角分布 4. 溅射特性参数 （1）溅射阈值： 使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量，低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为10～20ev。 （2）溅射率： 正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数，又称溅射产额或溅射系数，S。 S = Ns / Ni Ni-入射到靶表面的粒子数 Ns-从靶表面溅射出来的粒子数 定义 影响因素 ① 入射离子能量 ② 靶材种类 ③ 入射离子种类 溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。 一般规律：溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大 Cu、Ag、Au 较大 C、Si、Ti、V、Ta、W等 较小 溅射率依赖于入射离子的能量，相对原子质量越大，溅射率越高。 溅射率随原子序数发生周期性变化，每一周期电子壳层填满的元素具有最大的溅射率。 惰性气体的溅射率最高。 ④ 入射角 入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角 ⑤ 溅射温度 ? 靶材 （3）溅射出的粒子 从靶材上被溅射下来的物质微粒，主要参数有：粒子状态、粒子能量和速度。 溅射粒子的状态与入射离子的能量有关 溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的方向性有关，其能量可比蒸发原子的能量大1～2个数量级。 （4）溅射粒子的角分布 溅射原子的角度分布符合Knudsen的余弦定律。也与入射原子的方向性、晶体结构等有关。 4. 几种典型的溅射镀膜方法 （1）直流溅射镀膜 靶材为阴极 基片置于阳极 极间电压1-2KV 真空度1-几百Pa 放电气体：Ar 只适用于导体 + - 也称等离子弧柱溅射，在热阴极和辅助阳极之间形成低电压、大电流的等离子体弧柱，大量电子碰撞气体电离，产生大量离子。 （2）射频溅射镀膜 适用于导体、半导体、绝缘体 射频是无线电波发射范围的频率，为避免干扰电台工作，溅射专用频率规定为13.56MHz。 缺 点 大功率射频电源造价昂贵 具有人身防护问题 不适宜工业生产应用 （3）磁控溅射镀膜 与直流溅射相似，不同之处在于阴极靶的后面设置磁场，磁场在靶材表面形成闭合的环形磁场，与电场正交。 ① 等离子束缚在靶表面 ② 电子作旋进运动，使原子电离机会增加，能量耗尽后落在阳极，基片温升低、损伤小 磁场之作用： （4）离子束溅射 采用单独的离子源产生用于轰击靶材的离子，原理见下图。目前已有直径10cm的宽束离子源用于溅射镀膜。 优点： 轰击离子的能量和束流密度独立可控，基片不直接接触等离子体，有利于控制膜层质量。 缺点： 速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难 4. 溅射镀膜的用途 采用Cr、Cr-CrN等合金靶，在N2、CH4等气氛中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr（425-840HV）、CrC、CrN（1000-3500HV），可代替电镀Cr。 用TiC、TiN等超硬镀层涂覆刀具、模具等表面，摩擦系数小、化学稳定性好，具优良的耐磨、耐热、抗氧化、抗冲蚀，在提高其工件特性的同时，大幅度提高寿命，一般可达3-10倍。 用TiC、TiN，Al2O3具有良好的耐蚀性。 可制取优异的固体润滑膜MoS2. 可制备聚四氟乙烯膜。 14.2.4 离子成膜 1. 离子镀及其原理： 真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。 即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物