第五講_薄膜的物理氣相沉積-離子束沉積及其他PVD方法

1、n 還有一些不能簡(jiǎn)單劃歸蒸發(fā)、濺射法的 PVD方法，它們針對(duì)特定的應(yīng)用目的，或是將不同的手段結(jié)合在一起，或是對(duì)上述的某一種方法進(jìn)行了較大程度的改進(jìn)，如各種其他的物理氣相沉積方法u 離子鍍 (蒸發(fā)+濺射)u 反應(yīng)蒸發(fā)沉積 (蒸發(fā)+反應(yīng)氣體)u 離子束輔助沉積 (蒸發(fā)+離子源) 離子鍍 引言p薄膜制備的過(guò)程可被粗分為三個(gè)階段：p已介紹方法的真空蒸發(fā)法、濺射法的不足：u 源物質(zhì)的產(chǎn)生（蒸發(fā)、濺射等）u 源物質(zhì)的輸運(yùn)（與其他粒子碰撞、活化與否）u 源物質(zhì)的沉積（形成新相、表面化學(xué)反應(yīng)等）u 沉積粒子的能量有限 （蒸發(fā)法： 0.1eV; 濺射法： 10eV）u 沉積粒子的能量不能得到有效的調(diào)節(jié)n 定義

2、離子鍍是一種在等離子體存在的情況下，對(duì)襯底施加偏壓, 即在離子對(duì)襯底和薄膜發(fā)生持續(xù)轟擊的條件下制備薄膜的 PVD 技術(shù)n 在離子鍍的過(guò)程中，沉積前和沉積過(guò)程中的襯底和薄膜表面經(jīng)受著相當(dāng)數(shù)量的高能離子和大量的高能中性粒子流的轟擊n 離子鍍可以被看成是一種混合型的薄膜制備方法 它兼有蒸發(fā)法和濺射法的優(yōu)點(diǎn)兼有蒸發(fā)法和濺射法的優(yōu)點(diǎn)離子鍍 引言離子鍍技術(shù) 發(fā)展歷史u 1938年，Berghau 申請(qǐng)了離子鍍的第一份專利u 1963年，Mattox 發(fā)明了二極直流放電離子鍍u 1972年，Bunshah發(fā)展了活化反應(yīng)離子鍍u 1972年，Morley發(fā)明了空心陰極電弧離子鍍u 1973年，村山洋一發(fā)明了射

3、頻放電離子鍍u 20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了真空陰極電弧離子鍍、多弧離子鍍u 如今,離子鍍技術(shù)已發(fā)展成為在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種重要的 PVD 薄膜沉積技術(shù) 最有代表性的 結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了蒸發(fā)和濺射法的優(yōu)點(diǎn)l 有一個(gè)具有偏置電壓（-V）的氣體放電空間l 被沉積的物質(zhì)（金屬原子、氣體分子）在放電空間內(nèi)部分離化 偏置極 地電極 (1963)u 使用電子束蒸發(fā)法提供沉積所需的物質(zhì) （在早期，濺射法還不成熟，真空電弧法還未出現(xiàn)）u 以襯底作為陰極、整個(gè)真空室作為陽(yáng)極，組成一個(gè)類似于二極濺射裝置的放電系統(tǒng)u 真空室內(nèi)充入 0.1-1.0 Pa 的 Ar 氣u 在薄膜沉積前和沉積中，采

4、用高能量的離子流對(duì)襯底和薄膜表面進(jìn)行持續(xù)的轟擊 u 在薄膜沉積前，在極之間施加25kV的電壓，使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生等離子體。Ar+ 離子在電壓驅(qū)動(dòng)下對(duì)襯底進(jìn)行轟擊u 在不間斷離子轟擊的情況下開(kāi)始物質(zhì)的蒸發(fā)沉積過(guò)程。蒸發(fā)出來(lái)的粒子將與等離子體發(fā)生相互作用。由于 Ar+ 的電離能比被蒸發(fā)元素的電離能更高，因而在等離子體內(nèi)將會(huì)發(fā)生 Ar+ 離子與蒸發(fā)原子之間的電荷交換，蒸發(fā)原子發(fā)生部分的電離u 含有相當(dāng)數(shù)量離子的蒸發(fā)物質(zhì)在兩極間被加速，并帶著相應(yīng)的能量轟擊薄膜。但離子轟擊產(chǎn)生的濺射速率要低于蒸發(fā)沉積的速率 離子鍍的獨(dú)特之處：使用高能離子對(duì)襯底和薄膜表面進(jìn)行轟擊。因此，離化率 電離原子占全部被蒸發(fā)

5、原子的百分?jǐn)?shù) ni / n，是離子鍍過(guò)程最重要的參量 常見(jiàn)離子鍍過(guò)程的粒子離化率為離子鍍過(guò)程中粒子的離化率離子鍍的過(guò)程二極直流放電離子鍍射頻放電 離子鍍空心陰極 電弧離子鍍真空陰極電弧 離子鍍離化率ni / n0.1%10%20-40%60-80%離化率增加 離子的能量正比于加速電壓V ，即：提高粒子離化率的意義 在離子鍍過(guò)程中，中性粒子所攜帶的能量由熱蒸發(fā)時(shí)的加熱溫度所決定，即：w = 1/2kT 0.1eVwi = eV w； 100-1000eV因此，離子鍍時(shí)每個(gè)沉積原子的能量平均為wnnwwii/即它正比于粒子的離化率正比于粒子的離化率，遠(yuǎn)大于熱蒸發(fā)粒子的能量 離子鍍過(guò)程中，離子轟擊將

6、導(dǎo)致發(fā)生多個(gè)重要的物理效應(yīng): （1）表面物質(zhì)的濺射效應(yīng)（2）離子注入、在薄膜中誘發(fā)缺陷（3）使薄膜形貌與成分發(fā)生變化（4）使界面成分發(fā)生混雜（5）氣體原子的溶入（6）基片溫度升高（7）改變薄膜的應(yīng)力狀態(tài)，等離子鍍時(shí)發(fā)生的微觀效應(yīng)（1）濺射效應(yīng) 離子轟擊會(huì)引發(fā)表面原子的濺射，尤其是會(huì)優(yōu)先除去結(jié)合松散的原子，使吸附的氣體雜質(zhì)從基片表面脫附而清潔化（2）在薄膜中誘發(fā)缺陷 轟擊離子向薄膜中的晶格原子傳遞大量的能量，使其遷移到間隙位置上,在薄膜表層形成高密度的點(diǎn)缺陷,有時(shí)甚至使表面的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵?）薄膜形貌與成分發(fā)生變化 離子轟擊后,會(huì)增加基底和薄膜的表面粗糙度；轟擊會(huì)造成較小的晶粒、促進(jìn)較薄厚

7、度的薄膜形成連續(xù)薄膜；形成亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)，以及形成非化學(xué)計(jì)量比的化合物等。如在放電時(shí)引入活性氣體，則可促使活性粒子進(jìn)入薄膜中，形成諸如碳化物、氮化物等。離子鍍時(shí)發(fā)生的微觀效應(yīng)（續(xù)）（4）界面成份混雜 高能粒子的注入、表面原子的反沖注入等，將引起近表層發(fā)生非擴(kuò)散型的元素混雜，形成 “偽擴(kuò)散層”（或過(guò)渡層），其厚度可達(dá)幾個(gè)微米（5）使薄膜中溶入氣體 離子轟擊使原來(lái)并不會(huì)溶解的氣體也會(huì)進(jìn)入薄膜表層，使薄膜中溶解幾個(gè)原子百分比的氣體組分 (6）沉積溫度提高 大部分轟擊粒子的能量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，它使薄膜受到加熱作用，其溫度上升?）改變薄膜的應(yīng)力狀態(tài) 高能粒子的轟擊可使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而強(qiáng)化薄膜的表面層離

8、子鍍時(shí)發(fā)生的微觀效應(yīng)（續(xù)）離子鍍中離子轟擊對(duì)薄膜制備過(guò)程的好處p 襯底表面的清潔化、合金化，提高薄膜附著力襯底表面的清潔化、合金化，提高薄膜附著力p 促進(jìn)薄膜形核、改善薄膜覆蓋能力促進(jìn)薄膜形核、改善薄膜覆蓋能力p 薄膜結(jié)構(gòu)的致密化與薄膜應(yīng)力的調(diào)整薄膜結(jié)構(gòu)的致密化與薄膜應(yīng)力的調(diào)整p 化合物薄膜的形成化合物薄膜的形成作為離子鍍方法的有機(jī)組成部分，離子轟擊可有效降低襯底污染，形成 “偽擴(kuò)散層” 界面，提高薄膜附著力離子轟擊可通過(guò)清潔表面、引入缺陷、離子注入、促進(jìn)擴(kuò)散、粒子再濺射等，促進(jìn)薄膜新相的形核，并提高薄膜覆蓋能力離子轟擊可提高薄膜致密度、硬度，改變薄膜應(yīng)力狀態(tài)，改善薄膜結(jié)構(gòu)及性能的穩(wěn)定性離子轟

9、擊可提供活性基團(tuán)、促進(jìn)擴(kuò)散和提供激活能，提高表面活性、促進(jìn)低溫下化合物薄膜的生成各種各樣的離子鍍方法n 二極直流放電離子鍍 n 活化反應(yīng)離子鍍（或活化反應(yīng)蒸鍍，ARE）n 射頻放電離子鍍n 濺射離子鍍（偏壓濺射）n 空心陰極電弧離子鍍n 熱弧離子鍍n 真空陰極電弧離子鍍 - 多弧離子鍍 離子鍍可以有很多種不同的形式，其主要區(qū)別在于其(a)使源物質(zhì)蒸發(fā)、(b)使其蒸氣離化并提高其離化率的方法活化反應(yīng)離子鍍方法出現(xiàn)前 : 設(shè)想：當(dāng)需要沉積化合物薄膜時(shí)，可通入活性氣體，利用真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點(diǎn)，生成化合物薄膜活性氣體熱蒸發(fā)法n早期的反應(yīng)蒸發(fā)法，使金屬蒸氣通過(guò)活性氣氛（如O2、NH3、CH4

10、）后，反應(yīng)沉積成相應(yīng)的化合物。其結(jié)果是化學(xué)反應(yīng)不易進(jìn)行得很徹底，沉積物的化學(xué)成分常偏離化合物的化學(xué)計(jì)量比n由此，發(fā)展了活化反應(yīng)蒸發(fā)法 (activated reactive evaporation，ARE) ，讓金屬蒸氣通過(guò)活性氣體形成的等離子體區(qū)，使活性氣體和金屬原子均處于離化態(tài)，增加兩者的反應(yīng)活性，在襯底上形成相應(yīng)的化合物薄膜n在此基礎(chǔ)上，即形成了活化反應(yīng)離子鍍活化反應(yīng)離子鍍方法出現(xiàn)前后活化反應(yīng)離子鍍裝置的示意圖3 活化極活化極1 等離子體2 基體4 反應(yīng)氣體5 原子射流6 差壓板7 蒸發(fā)源8 真空室比二極直流放電離子鍍時(shí)多了一個(gè)環(huán)狀的活化極,它相對(duì)于蒸發(fā)源取正電位.該電極從蒸發(fā)源吸引來(lái)少

11、量的電子，提高了蒸發(fā)粒子的離化率偏置極 地電極 活化極 (1972)n 化合物的沉積與離子的活化過(guò)程相分離，且可分別得到獨(dú)立控制，提高物質(zhì)的離化率n 維持比濺射沉積法高一個(gè)數(shù)量級(jí)的沉積速率n 襯底溫度低在較低的溫度下即可獲得相應(yīng)的金屬化合物薄膜n 可在任意基底上，包括金屬、非金屬上獲得化合物薄膜活化反應(yīng)離子鍍的優(yōu)點(diǎn)n 活化反應(yīng)離子鍍技術(shù)可以被用于各種氧化物、碳化物、氮化物薄膜的沉積,如 Y2O3, TiN, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC等 n 活化反應(yīng)離子鍍方法的優(yōu)點(diǎn)在于其沉積溫度較低（與后面要介紹的化學(xué)氣相沉積技術(shù)相比），因而可被用于制備各種不能經(jīng)受高溫的耐磨零件的涂層活化反

12、應(yīng)離子鍍其缺點(diǎn): 離化率和活化程度仍然較低，因此又發(fā)展了熱電子輔助的活化反應(yīng)離子鍍熱電子輔助的 這比活化反應(yīng)離子鍍又多了一個(gè)發(fā)射熱電子的熱陰極(輔助極，形成三極離子鍍)，可降低氣體壓力，提高過(guò)程的可調(diào)節(jié)性S. Wouters et al. /Surface and Coatings Technology 92 (1997) 56-61n 利用熱陰極的方法使之在陰極、陽(yáng)極之間發(fā)生輝光放電而形成等離子體，提高蒸氣粒子、反應(yīng)氣體原子的離化率，強(qiáng)化電離作用n 利用熱陰極的好處是可降低氣體放電的壓力（10-2Pa），減少氣體對(duì)蒸發(fā)原子的散射。被蒸發(fā)物質(zhì)的原子在通過(guò)等離子體區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生部分的離化，它們與活性

13、氣體離子一起被偏壓加速至襯底表面并形成化合物薄膜熱電子輔助的活化反應(yīng)離子鍍熱電子發(fā)射陰極的作用明顯表現(xiàn)在陽(yáng)極伏安特性曲線上活化反應(yīng)離子鍍法在低于120V時(shí)陽(yáng)極電流只有幾毫安；在輔助情況下，陽(yáng)極電流大幅度增加，產(chǎn)生輝光放電不需再使用電子槍，僅由熱電子發(fā)射極提供電子就可以維持等離子體熱電子輔助前后, 活化反應(yīng)離子鍍的陽(yáng)極伏安特性曲線熱陰極的作用 n 蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生過(guò)程不僅可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)，且可在沉積速率保持恒定時(shí)，大幅度增強(qiáng)等離子體，提高蒸發(fā)物質(zhì)的離化率n 發(fā)射極提供的熱電子可獨(dú)立產(chǎn)生等離子體，因而電阻和激光蒸發(fā)也可作為蒸發(fā)手段，而不必一定采用電子束加熱蒸發(fā)源熱電子輔助的活化反應(yīng)離子鍍的特點(diǎn)n

14、 與活化反應(yīng)離子鍍同期，發(fā)明了射頻放電離子鍍（RF-IP）, 其蒸發(fā)源仍采用電子束蒸發(fā)方式n 在蒸發(fā)源與基體之間設(shè)置射頻感應(yīng)線圈，電子在其射頻電場(chǎng)作用下震蕩運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了電子到達(dá)陽(yáng)極的路徑，增加了電子與氣體及蒸氣原子碰撞的幾率，能在10-1-10-3Pa低氣壓下穩(wěn)定放電（通常二極直流放電離子鍍的氣壓為1Pa左右）。因此，在電子束作蒸發(fā)源時(shí)，不必設(shè)置維持氣壓的隔板n 射頻放電離子鍍時(shí)，被蒸鍍物質(zhì)原子的離化率可達(dá) 10%射頻放電離子鍍裝置的示意圖加速區(qū)蒸發(fā)區(qū)離化區(qū)(1973)偏置極 射頻放電離子鍍裝置內(nèi)部可分為三個(gè)區(qū)域u 以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)u 以射頻線圈為中心的離化區(qū)u 以襯底為中心，使離子加速

15、并沉積的離子加速區(qū)n 調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、線圈激勵(lì)功率、偏壓等，可對(duì)蒸發(fā)、離化、加速三個(gè)過(guò)程進(jìn)行獨(dú)立控制n 尤其是可依靠提高射頻激勵(lì)增加離化率，優(yōu)化薄膜沉積過(guò)程濺射離子鍍(sputtering ion plating)是在濺射沉積法的基礎(chǔ)上，在基片上施加偏壓，并可通入反應(yīng)氣體，形成薄膜的方法。在濺射一講中,我們已將其稱為偏壓濺射。根據(jù)濺射過(guò)程中放電的特征，又分為直流濺射離子鍍、射頻濺射離子鍍、反應(yīng)控濺射離子鍍等。濺射離子鍍(偏壓濺射)空心陰極電弧離子鍍裝置的示意圖HCD電子槍 反應(yīng)氣體 真空室工件 電源 蒸發(fā)源 使用45或90偏轉(zhuǎn)型HCD電子槍HCD: hollow cathode dischar

16、ge活化極 偏置極 (1972)n 用空心陰極電子槍代替了普通的電子槍，即構(gòu)成了空心陰極離子鍍?？招年帢O與坩堝間構(gòu)成了蒸發(fā)源，與活化極間構(gòu)成了離化源n 空心陰極電弧放電的情況下,可產(chǎn)生數(shù)百安培的電子束，比其他離子鍍方法高100倍；使其偏轉(zhuǎn)后即可用于熱蒸發(fā)。濃度極高的蒸氣流通過(guò)蒸發(fā)源上方的等離子區(qū)時(shí)被激發(fā)和電離，形成大量的離子和高能中性粒子，不僅可形成密度達(dá)1015/cm2.s的離子流，還攜帶了比其他離子鍍方法高2-3數(shù)量級(jí)的高能中性粒子，飛向施加負(fù)偏壓的基底，沉積形成薄膜。物質(zhì)的蒸發(fā)速率高，薄膜的沉積速率快空心陰極電弧離子鍍n 空心陰極離子鍍的最大特點(diǎn)是電流大,所蒸發(fā)的物質(zhì)離化率高。被蒸發(fā)物質(zhì)

17、的離子將造成對(duì)襯底的高強(qiáng)度的轟擊，形成高致密度的薄膜n 其放電氣壓為0.1-1Pa，不再需要電子束蒸發(fā)時(shí)所需的壓力隔離n 電壓低，裝置簡(jiǎn)單可靠空心陰極電弧離子鍍的特點(diǎn)該技術(shù)自1972年出現(xiàn)后，獲得廣泛應(yīng)用，已成功地被用于裝飾、耐磨等薄膜沉積另外一種空心陰極電弧離子鍍裝置和其示意圖u 使用電子束蒸發(fā)源物質(zhì)u 使用一對(duì)直線形 HCD 電子槍進(jìn)行蒸發(fā)物質(zhì)的離化H. Morgner et al. / Surface and Coatings Technology 108 109 (1998) 513 519HCD電子束電子束蒸發(fā)源熱陰極電弧離子鍍的示意圖熱燈絲電源離化室上聚焦線圈下聚焦線圈偏壓下的工件

18、蒸發(fā)源坩堝陽(yáng)極熱燈絲進(jìn)氣口電弧n 與空心陰極時(shí)相似，用熱陰極 (hot cathode）也可形成熱陰極電弧離子鍍n 在真空室的頂部安裝有熱燈絲陰極離化室。熱燈絲陰極被外熱式地加熱至熱電子發(fā)射溫度n 形成的高密度的低能電子束，起著蒸發(fā)源和離化源的作用n 電子束使氣體發(fā)生電離并蒸發(fā)物質(zhì)，在坩堝接電源正極的情況下，在真空室內(nèi)形成低壓電弧柱熱陰極電弧離子鍍n 沉積室外設(shè)兩個(gè)聚焦線圈，對(duì)電弧柱形成聚焦作用，工件放在電弧弧柱的周?chē)?，以形成薄膜。薄膜沉積面積大n 這種離子鍍方法的離化率與空心陰極電弧離子鍍時(shí)相仿或略高熱陰極電弧離子鍍離子鍍的另一種重要形式是工業(yè)上大量采用的真空陰極電弧離子鍍（VAD），右圖是

19、其使用的電弧源真空陰極電弧離子鍍是以陰極直接作為蒸發(fā)源的離子鍍技術(shù)n 以被蒸發(fā)的物質(zhì)為陰極，而真空室為陽(yáng)極n 使觸發(fā)極與陰極短接，在其脫離的瞬間，引發(fā)電弧放電?；」夥烹婋妷褐挥?0V左右，電流則達(dá)100A量級(jí)n 低溫的陰極金屬表面并不形成大的熔池；放電不依靠氣體，而是靠向真空中噴發(fā)的源物質(zhì)蒸氣維持的。陰極上形成為數(shù)眾多、在極表面迅速無(wú)規(guī)跳動(dòng)的微小陰極斑點(diǎn)，弧斑電流密度高達(dá)105-107A/cm2n 電弧放電將在陰極局部釋放出巨大的熱量，使陰極局部物質(zhì)大量噴發(fā)出來(lái)。它一方面可維持氣體的放電過(guò)程，另一方面則可提供離子鍍所需的源物質(zhì)，即: 陰極本身既是蒸發(fā)源，又是離化源真空陰極電弧離子鍍的工作原理n

20、 陰極斑點(diǎn)在其經(jīng)過(guò)的地方留下放電蒸發(fā)的痕跡，其直徑只有1-100m。斑點(diǎn)的數(shù)量與放電電流強(qiáng)度成正比，但流過(guò)的電流密度極高，且每個(gè)斑點(diǎn)能夠持續(xù)的時(shí)間很短，只有幾十微秒n 由于放電電流密度很大，蒸發(fā)出大量的金屬蒸氣，使陰極附近氣壓增高，分子自由程很短，金屬原子在電弧等離子體中大量離化。由于形成了強(qiáng)電弧放電等離子體，因而粒子的離化率可達(dá) 60% -90%n 工件接 50-1000V 負(fù)偏壓，吸引大量高能離子轟擊工件與薄膜表面真空陰極電弧離子鍍的工作原理（續(xù)）n 接受離子轟擊，發(fā)射二次電子，維持電弧放電n 源物質(zhì)熱噴發(fā)n 顆粒的噴濺 磁場(chǎng)將電子以及等離子體約束在陰極表面附近，且起著推動(dòng)陰極斑點(diǎn)不斷移動(dòng)

21、的作用。 無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，弧斑匯集成一個(gè)大弧斑。加磁場(chǎng)后，增加了弧斑的運(yùn)動(dòng)速度和弧斑的數(shù)量，加大弧斑的分散程度，使大弧斑被分散成許多小弧斑。但若磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，弧斑過(guò)度集中于軸線附近，也不利于陰極表面的均勻燒蝕。真空陰極電弧離子鍍中的磁場(chǎng)u 工作真空度高，氣體雜質(zhì)污染少u(mài) 薄膜沉積速率高（10-1000m/hr）u 蒸發(fā)粒子的離化率高（可高達(dá)80%）u 離子的能量高（數(shù)百至數(shù)千電子伏特量級(jí)）u 向真空室內(nèi)通人反應(yīng)氣體，調(diào)整壓力至10-1-102Pa，則可進(jìn)行化合物薄膜的沉積，如TiN、TiC、CrN、ZrN等等真空陰極電弧離子鍍的優(yōu)點(diǎn) 利用多個(gè)陰極電弧蒸發(fā)源的陰極電弧離子鍍被稱為多弧離子鍍 多弧離子鍍已成

22、為獲得廣泛應(yīng)用的PVD薄膜制備方法n 陰極電弧離子鍍的不足之處是其在陰極噴發(fā)出金屬蒸氣的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)的顆粒噴濺，其粒徑可達(dá) m 級(jí)。大量顆粒沉積在工件表面，將影響薄膜的質(zhì)量n 解決顆粒物噴濺問(wèn)題有兩種基本途徑：減少顆粒物的產(chǎn)生、在其輸運(yùn)過(guò)程中將其濾除n 前者包括電弧電源的改進(jìn)、陰極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等。但這些方法雖能減少微粒物的數(shù)量，但并不能避免其出現(xiàn)陰極電弧離子鍍中顆粒物的噴濺問(wèn)題n 第二種方法，即過(guò)濾的方法，主要是利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)作用，可較為徹底地去除顆粒n 但這一方法的缺點(diǎn)是陰極電弧離子鍍控制顆粒物的方法u 可提供的束流直徑小，通常在200mm以下u 源物質(zhì)的傳輸效率有待提高。目前

23、彎管結(jié)構(gòu)最高的傳輸效率僅為 25 左右u 不易組成多弧源陣列(即構(gòu)成多弧離子鍍)，不宜大面積和大批量生產(chǎn)彎管過(guò)濾式真空陰極電弧源的示意圖 顆粒過(guò)濾裝置穹頂過(guò)濾式真空陰極電弧源的示意圖 工件離子流擋板磁場(chǎng)線圈電弧斑點(diǎn)陰極陽(yáng)極顆粒過(guò)濾裝置離子鍍的優(yōu)點(diǎn)之一在于其高的薄膜沉積速率離子鍍技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（一）n 離子鍍具有上述優(yōu)點(diǎn)的原因在于它充分利用了真空蒸發(fā)法薄膜沉積速率高的特點(diǎn) 磁控濺射和離子鍍方法薄膜動(dòng)態(tài)沉積速率的比較（nm/min) 薄膜種類 薄膜制備方法 脈沖磁控濺射 空心陰極電弧離子鍍 Al2O3 80 1,800-2,700 SiOx 120 540-10,800 TiO2 45 900-1,4

24、00H. Morgner et al. / Surface and Coatings Technology 108 109 (1998) 513 519離子鍍的優(yōu)點(diǎn)之二在于它所制備的薄膜結(jié)構(gòu)致密，且薄膜與襯底之間具有良好的附著力離子鍍技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（二）n 離子鍍具有上述優(yōu)點(diǎn)的原因在于: 在薄膜沉積前及沉積的同時(shí),用離子轟擊襯底和薄膜表面，可在薄膜與襯底之間形成粗糙、潔凈的界面；形成均勻致密的薄膜結(jié)構(gòu)。 這一作用與偏壓濺射(即濺射離子鍍)的作用相類似離子鍍的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以提高薄膜對(duì)于復(fù)雜外形表面的覆蓋能力，或稱為薄膜沉積過(guò)程的繞射能力離子鍍技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（三）n 離子鍍具備這一特性的原因在于： 與

25、純粹的蒸發(fā)、濺射沉積相比，在離子鍍進(jìn)行的過(guò)程中，沉積原子將從與離子的碰撞中獲得一定的能量，加上離子本身對(duì)薄膜的轟擊，這些均會(huì)使得原子在沉積至襯底表面時(shí)具有更高的動(dòng)能和遷移能力離子鍍技術(shù)的其他名稱離子鍍方法又被稱之為：u IVD ion vapor deposition u IAD ion assisted deposition u bias sputtering，sputter ion plating u energy-assisted deposition 離子鍍甚至可被認(rèn)為只是一般薄膜沉積法（蒸發(fā)、濺射法）的一個(gè)工藝參數(shù)離子鍍技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域離子鍍的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括：u 工具耐磨涂層u

26、民用產(chǎn)品的裝飾涂層u 潤(rùn)滑涂層離子鍍的新的應(yīng)用領(lǐng)域包括：u 磁記錄介質(zhì)的防護(hù)涂層u 半導(dǎo)體器件加工技術(shù)中的薄膜沉積（如集成電路多層布線的薄膜填充）n 由以上討論我們知道，離子對(duì)襯底、薄膜的轟擊是一常用的薄膜制備手段。但在許多情況下，等離子體放電的過(guò)程不易控制，因而離子的方向性、能量、密度等很難得到綜合優(yōu)化。為解決離子轟擊方法的這一問(wèn)題，人們還發(fā)展了離子束輔助沉積技術(shù)（IBAD）n 在離子束輔助沉積技術(shù)中，使用單獨(dú)的離子源來(lái)完成對(duì)于襯底、薄膜的轟擊n IBAD 方法多用于要求致密、附著性好、抗磨、性能穩(wěn)定、耐候性好的光學(xué)薄膜的制備其他的PVD: 離子束輔助沉積 它又被稱為: Vacuum bas

27、ed ion plating相對(duì)高的真空度n離子束輔助沉積系統(tǒng)離子束輔助沉積系統(tǒng) 使用一個(gè)離子源對(duì)襯底進(jìn)行轟擊，而欲沉積的物質(zhì)則來(lái)自于一個(gè)蒸發(fā)源。它結(jié)合了高速蒸發(fā)沉積和偏壓濺射離子轟擊的特點(diǎn)，同時(shí)又具有離子束的能量、方向可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)n還有所謂的雙離子束沉積系統(tǒng)雙離子束沉積系統(tǒng) 分別使用兩個(gè)離子源，一個(gè)用于對(duì)靶物質(zhì)進(jìn)行濺射從而提供沉積所需的源物質(zhì)，另一個(gè)被用于對(duì)襯底施行離子轟擊。對(duì)兩個(gè)離子源進(jìn)行分別的控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜沉積速率和轟擊離子流的獨(dú)立調(diào)節(jié)離子束輔助沉積 Two separate ion sources are used in such a dual ion beam apparatu

28、s to deposit c-BN films.H. Yin et al. / Diamond & Related Materials 17 (2008) 276282從對(duì)蒸發(fā)、濺射、離子鍍?nèi)N物理氣相沉積方法的主要特性參數(shù)的比較可以看出: 從參與沉積的粒子的能量范圍來(lái)看，離子鍍技術(shù)有不同于蒸發(fā)、濺射兩種方法的特點(diǎn)從沉積速率來(lái)看，離子鍍的沉積速率與蒸發(fā)法的沉積速率相當(dāng)從薄膜質(zhì)量方面來(lái)看，離子鍍方法制備的薄膜接近甚至可以優(yōu)于濺射法制備的薄膜 方法 特性蒸鍍法濺射法離子鍍粒子能量(eV)原子0.1-11-100.1-1（此外還有高能中性原子）離子-數(shù)百數(shù)千沉積速率（m/min）0.1-70

29、0.01-0.5（磁控濺射可接近蒸鍍法）0.1-50 方法 特性蒸鍍法濺射法離子鍍薄膜特點(diǎn)密度低溫時(shí)密度較小，但表面光滑密度較高密度高氣孔率低溫時(shí)多氣孔少，但氣體雜質(zhì)多無(wú)氣孔，但缺陷多附著力不好較好很好內(nèi)應(yīng)力多為拉應(yīng)力多為壓應(yīng)力依工藝條件而定繞射性差較好較好例一：In2O3-SnO2 (10 wt.%) ITO 透明導(dǎo)電薄膜的真空陰極電弧離子鍍M.-H. Yang et al. / Thin Solid Films 40 484 (2005) 3945A.J.-C. Wen et al. / Surface & Coatings Technology 366 198 (2005) 36

30、2366真空陰極電弧離子鍍?cè)O(shè)備的示意圖其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：u高沉積速率u顆粒噴濺物污染ITO透明導(dǎo)電薄膜的制備條件p陰極靶：直徑 100 mm燒結(jié)In2O3SnO2 靶p襯 底：5050 mm2 Corning 7059 玻璃p超聲波清洗15分鐘，空氣干燥p背底真空度優(yōu)于10-3 Pa p-1000 V、2.5 Pa壓力下，Ar+ 離子轟擊10分鐘p200C、-100 V偏壓、不同O2 壓力下，進(jìn)行陰極電弧離子鍍沉積p靶電流 80 A，薄膜沉積時(shí)間 20 s。O2壓力對(duì)電弧離子鍍ITO薄膜的影響M.-H. Yang et al. / Thin Solid Films 40 484 (2005) 39

31、45顆粒噴濺物沉積是陰極電弧離子鍍薄膜的一個(gè)缺點(diǎn)ITO薄膜的X-射線衍射曲線M.-H. Yang et al. / Thin Solid Films 40 484 (2005) 3945晶體結(jié)構(gòu)為純In2O3相，并呈現(xiàn)出 (111)取向傾向O2壓力對(duì)ITO薄膜可見(jiàn)光透過(guò)率的影響M.-H. Yang et al. / Thin Solid Films 40 484 (2005) 3945氧壓力高時(shí)，光學(xué)透過(guò)率較高80% 沉積角度對(duì)ITO薄膜的影響沉積時(shí)的夾角越大，則顆粒噴濺物沉積越少u(mài) 換用InSn金屬靶u O2 壓力為 0.5 Pa沉積夾角對(duì)ITO薄膜沉積速率的影響但夾角提高時(shí)，薄膜沉積速率下降沉積夾角（） 薄膜厚度（nm） 沉積速率（nm/m