北京科技大学离子镀及其他PVD方法.ppt

薄膜材料制备技术ThinFilmMaterials第四讲提要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，如离子镀——引言定义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

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

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离子镀技术——发展历史最有代表性的
二极直流放电离子镀装置的示意图
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）

以衬底作为阴极、整个真空室作为阳极，组成一个类似于二极溅射装置的放电系统

真空室内充入0.1-1.0Pa的Ar气

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
在薄膜沉积前，在极之间施加25kV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

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

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的能量正比于加速电压V，即：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（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。
（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，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中离子轰击对薄膜制备过程的好处各种各样的离子镀方法活化反应离子镀方法出现前:
化合物薄膜的反应蒸发法早期的反应蒸发法，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

由此，发展了活化反应蒸发法(activatedreactiveevaporation，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

在此基础上，即形成了活化反应离子镀活化反应离子镀装置的示意图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

维持比溅射沉积法高一个数量级的沉积速率

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

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

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热电子辅助的活化反应离子镀装置的示意图
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

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