04 第四章 离子镀膜.doc

第四章 离子镀膜 离子镀膜技术（简称离子镀）是美国Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出来的。是近十几年来在真空蒸发和真空溅射技术基础上发展起来的一种新的镀膜技术。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，同时将蒸发物或其反应产物蒸镀的基片上。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。 §4-1 离子镀原理 图4-1为Maatox采用的直流二极型离子镀装置的示意图。当真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性气体（如氩），使真空度达到1~10-1Pa。接通高压电源，则在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。由于基片处于负高压并被等离子体包围，不断受到正离子的轰击，因此可有效地清除基片表面的气体和污物，使成膜过程中膜层表面始终保持清洁状态。与此同时，镀材气化蒸发后，蒸发粒子进入等离子区，与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子以及电子发生碰撞，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作用下，淀积到基片表面成膜。由此可见，离子镀膜层的成核与生长所需的能量，不是靠加热方式获得，而是由离子加速的方式来激励的。被电离的镀材离子和气体离子一起受到电场的加速，以较高的能量轰击基片或镀层表面，这种轰击作用一直伴随着离子镀的全过程。但是，由于基片是阴极，蒸发源为阳极，通常在两极间有1~5kV的负高压，因此，在膜材原子淀积过程的同时，还存在着正离子（Ar+或被电离的蒸发离子）对基片的溅射作用。显然，只有当淀积作用超过溅射剥离作用时， 才能发生薄膜的淀积过程。 下面分析离子镀的成膜条件。若辉光放电空间只有金属蒸发物质，且只考虑蒸发原子的淀积作用，则单位时间内入射到单位表面上淀积的金属原子数n可用下式表示 （4-1） 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—阿佛加德罗常数，NA = 6.029×1023。例如，对于Ag，当其蒸发速率为1m/min时，则n = 9.76×1016/cm2·s。Ag的M = 107.88，=10.49g/cm3。 显然，上述分析并未考虑溅射剥离效应，如果考虑剥离效应，则应引入溅射率概念。如轰击基片为一价正离子（如Ar+），测得其离子电流密度为j，则单位时间内轰击到基片表面的离子数为nj j / cm2·s （4-2） 式中，1.6×10-19是一价正离子的电荷量（C）；j是入射离子形成的电流密度（mA/cm2）。 比较式（4-1）和（4-2）可知，离子镀过程中，要想得到淀积薄膜，必须使淀积效应优于溅射剥离效应。即离子镀的成膜条件为nnj。而且nj中应包括在有附加气体时所产生的离子数。 另外，在经过简化处理后，并设正离子在达到基片的过程中与中性粒子的碰撞次数为时，D.G.Teer给出了离子镀过程中，由离子带到基片表面能量Ei的下列近似表达式 （4-3） 式中，N0—离开负辉光区的离子数；Vc—基片偏压。在离子镀系统中，。因此，离子的平均能量为eVc/10。当Vc为1~5kV时，离子的平均能量为100~500eV。 由于受到碰撞的中性粒子的数量大约为，即约为离子数的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1~5kV时，其平均能量为45~225eV。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电子伏范围内变化，个别离子的能量也能达到1~5keV。 D.G.Teer测出金属的离化率只有0.1~1%，但是，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。 §4-2 离子镀的特点 与蒸发和溅射相比，离子镀有如下几个特点： （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重要原因之一。另一方面，离子镀过程中溅射与淀积两种现象并存，在镀膜初期，可在膜基界面形成