第八章气相沉积技术2预案.ppt

8.4 离子镀膜 离子镀是在真空蒸发镀膜和溅射镀膜的基础上发展起来的新型镀膜技术。 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电离化，在气体离子或被蒸发物离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基片上。 8.4.1 离子镀膜原理及特点 1、离子镀膜原理 离子镀膜过程包括镀膜材料的受热、蒸发、离子化和电场加速沉积的过程。 2、离子轰击作用 1）离子轰击使基片产生溅射，可有效地清除基片表面所吸附的气体、各类污染物和氧化物； 2）离子轰击促进共混过渡层的形成。过渡层是由基片和膜层界面上的镀料原子与基片原子共同构成的，它可降低在界面上由于基片与膜层膨胀不一致而产生的应力。如果离子轰击的热效应足以使界面处产生扩散层，形成冶金结合，则更有利于提高结合强度。 3）离子轰击产生压应力，而膜层的残余应力为拉应力，所以可抵消一部分拉应力。 4）离子轰击可以提高镀料原子在膜层表面的迁移率，这有利于获得致密的膜层。 3、离子离化率与能量 离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比，它是离子镀的一个重要指标。离子镀的发展就是一个不断提高离化率的过程。 离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压，一般为50~5000eV；溅射原子的能量大约1~50eV；真空蒸镀的原子能量仅0.1~1eV。 4、离子镀膜特点 1）离子镀可在较低温度下进行 2）膜层与基片结合强度高 3）绕镀能力强 4）沉积速率高，膜层质量好 5）工件材料和镀膜材料选择性广 8.4.2 常用离子镀方法 1、空心阴极离子镀（ HCD ） 空心阴极离子镀特点 HCD枪是在低电压（40~70V）、大电流（50~300A）条件下工作，操作安全可靠；基片温度低，金属粒子和工作气体的离化率高；可镀材料广泛，既可以镀单质膜，也可以镀化合物膜。 2、多弧离子镀 电弧的引燃是依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电仅仅在靶材表面的一个或几个密集的弧斑处进行。 弧斑的直径在100μm以下。 弧斑的电流密度为105～107A／cm2， 温度高达8000～40000K。 弧斑区域内的材料瞬时蒸发并电离，其中还夹杂着液滴。 弧斑在阴极靶表面上以每秒几十米的速度作无规则运动，使整个靶面均匀地消耗。 这种冷阴极多弧放电，依靠弧斑产生的镀料蒸气即可维持，不必通入氩气为工作气体。 弧斑喷出的物质包含有电子、离子、原子和液滴。 其中原子只占物质总量的1％～2％，而大部分是离子。 例如铜靶产生的离子占30%～40％，钼靶占80％～90％。 阴极材料若是Pb，Cd，Zn等低熔点金属，其离子是l～2价的；金属的熔点较高，多价的离子比例就越大，Ta，W等高熔点金属的离子有5～6价的。 因为离子是多电荷的，所以虽然电弧放电的电压不高，而离子能量可以超过100eV。 多弧离子镀的特点 从阴极直接产生等离子体，不用熔池，弧源可任意方位布置；阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。 设备结构较简单，不需要工作气体，也不需要辅助的离子化手段； 离化率高，一般可达60％～80％，沉积速率高。 入射粒子能量高，膜的致密度高，强度好，膜基界面产生原子扩散，结合强度高， 3、活性反应离子镀（ARE） 活性反应离子镀是指在镀膜过程中，在真空室中通入与金属蒸气起反应的气体，代替氩气或掺在氩气之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子激活、离化，促进其间的化学反应，在工件表面形成化合物膜的方法。 ARE法的特点: 1）基片加热温度低：电离增加了反应物的活性，在500摄氏度以下的低温就能获得硬度高、附着性良好的膜层； 2）可获得多种化合物膜：通过导入各种反应气体，就可以得到各种化合物； 3）可在任何基体上涂覆：使用了高功率密度的电子束蒸发源； 4）沉积速率高：每分钟可达几微米，比溅射高一个数量级。 磁控溅射离子镀是将磁控溅射和离子镀有机结合而成的新技术。它是在一个装置中实现氩离子对磁控靶材的大面积稳定的溅射，与此同时，在基片负偏压的作用下，高能靶材离子到达基片进行轰击、溅射、注入及沉积过程。 磁控溅射离子镀特点 磁控溅射离子镀可以使膜材/基材界面形成明显的界面混合层，因此膜层的附着性能良好； 能消除柱状晶，形成均匀的颗粒状晶体； 能使材料表面合金化，提高金属材料的疲劳强度。 8.5 物理气相沉积工艺及方法比较 8.5.1 PVD工艺流程 PVD工艺概括分为镀前处理、镀膜及后处理三部分 1、镀前处理 1）镀件清洗：去油→去污→流水冲洗→去离子水冲洗→脱水→装炉 2）装卡及抽真空 3）预热：镀膜时对工件进行适当地预烘烤加热，可以增加膜层与基体的结合强度； 4）预轰击净化：碰撞掉表面吸附气体、杂质原子，而露出金属新鲜的表面层，以提高膜层的附着力。 2、真空沉积 3、镀后处理 8.5.2 PVD三种基本方法的比较 8