第6章离子镀膜ppt课件.ppt

第第6章章 离子镀膜离子镀膜离子镀的英文全称离子镀的英文全称Ion Plating,简称简称IP它是在真空条件下，应用气体放电实现镀膜，即在它是在真空条件下，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，将蒸发物或其反应物蒸被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物或其反应物蒸镀在基片上镀在基片上离子镀把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发技术离子镀把辉光放电、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，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年来，在国内外得到迅速的发展6.1 离子镀原理离子镀原理•结构：热蒸发源，直流负高压，进气管路，。

1.工作原理工作原理•当真空度抽至当真空度抽至10-4Pa的髙真空的髙真空后，通入惰性气体（后，通入惰性气体（Ar），使），使真空度达到真空度达到1~10-1Pa•接通高压电源，则在蒸发源与接通高压电源，则在蒸发源与基片之间建立了一个低气压气基片之间建立了一个低气压气体的等离子体区体的等离子体区•使镀材气化蒸发，蒸发粒子进使镀材气化蒸发，蒸发粒子进入入Plasma区，与等离子区中区，与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体的正离子和被激活的惰性气体原子及电子发生碰撞，其中一原子及电子发生碰撞，其中一部分蒸发粒子被电离成正离子，部分蒸发粒子被电离成正离子，正离子在负高压电场加速的作正离子在负高压电场加速的作用下，到达并沉积在表面成膜；用下，到达并沉积在表面成膜；其中一部分获得了能量的原子，其中一部分获得了能量的原子，也到达表面并沉积成膜也到达表面并沉积成膜2.成膜机理成膜机理•1）蒸发原子与等离子区中的正离子和被激活的）蒸发原子与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子及电子发生碰撞，成为离子，或惰性气体原子及电子发生碰撞，成为离子，或获得能量的原子沉积在基片表面上成膜；获得能量的原子沉积在基片表面上成膜；•2）成膜前）成膜前Ar离子的溅射清洗基片。

由于基片处离子的溅射清洗基片由于基片处于负高压，于负高压，Ar+轰击表面溅射清洗表面轰击表面溅射清洗表面•3）基片在成膜过程中受到）基片在成膜过程中受到Ar+和被电离的蒸发和被电离的蒸发原子对基片的溅射原子对基片的溅射•必须淀积效应优于溅射剥离效应，沉积的离子必须淀积效应优于溅射剥离效应，沉积的离子原子数原子数n大于被溅射的原子大于被溅射的原子nj，即成膜条件，即成膜条件•成膜条件分析成膜条件分析•①①只考虑蒸发原子或离子的沉积作用，则单位时间内入只考虑蒸发原子或离子的沉积作用，则单位时间内入射到单位面积上淀积的蒸发原子数射到单位面积上淀积的蒸发原子数n可用下式表示可用下式表示•式中，式中，μ——淀积原子在基片表面的淀积速率淀积原子在基片表面的淀积速率(μm/min）；）；ρ——薄膜的密度薄膜的密度(g/cm3)；；M—淀积物质淀积物质的摩尔质量，的摩尔质量，NA=6.029×1023，阿伏伽德罗常数例如，，阿伏伽德罗常数例如，对于对于Ag，， 当其蒸发速率为当其蒸发速率为1μm/min时，时， Ag的的 •则则 。

•②②溅射剥离效应溅射剥离效应•设离子电流密度为设离子电流密度为j，则单位时间内轰击到基片表面的离，则单位时间内轰击到基片表面的离子数，溅射率为子数，溅射率为ηη，则单位时间内溅射的原子数，则单位时间内溅射的原子数nj,•式中，是一价正离子电荷量（只考虑一价正离子），式中，是一价正离子电荷量（只考虑一价正离子），j是是入射离子形成的电流密度入射离子形成的电流密度3.离子能量离子能量•离子的溅射、沉积均与离子能量有关离子的溅射、沉积均与离子能量有关 ；；•Vc为衬底阴极所加的负偏压，离子的平均为衬底阴极所加的负偏压，离子的平均能量为能量为eVc/10当Vc为为1~5kV时，离子的时，离子的平均能量为平均能量为100~500 eV •这有沉积和溅射作用同时存在这有沉积和溅射作用同时存在•D.G.Teer测出金属的离化率只有测出金属的离化率只有0.1~1%4.中性原子•受到碰撞的中性金属粒子的数量大约为金属离子数的受到碰撞的中性金属粒子的数量大约为金属离子数的20倍；倍；•但是，并非所有的高能中性原子都能到达基板通常，约但是，并非所有的高能中性原子都能到达基板通常，约有有70%左右可到达基板，其余左右可到达基板，其余30%则到达器壁、夹具等处。

则到达器壁、夹具等处 •这些高能中性原子的平均能量为这些高能中性原子的平均能量为eVc/22，当，当Vc为为1~5kV时，其平均能量为时，其平均能量为45~225eV考虑到粒子间碰撞几率不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伏范围内相同，离子和高能中性原子的能量将在零至数千伏范围内变化，个别粒子的能量也能达到变化，个别粒子的能量也能达到1~5keV•D.G.Teer测出金属的离化率只有测出金属的离化率只有0.1~1%中性能量的原中性能量的原子为其的子为其的20倍•所以，由于产生了大量高能中性原子，故提高了蒸发粒子所以，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的总能量因此，使得离子镀具有许多优点5.离子入射到固体表面的三种现象•金属离子照射到固体表面上，根据入射的离子能量金属离子照射到固体表面上，根据入射的离子能量E值的值的大小的不同，一般来说可以产生下述三种现象：大小的不同，一般来说可以产生下述三种现象：• （（1）沉积现象（）沉积现象（ ））• （（2）溅射现象（）溅射现象（ ））• （（3）离子注入现象（）离子注入现象（ ）。

• 沉积现象是指照射的金属离子附着在固体表面上的现沉积现象是指照射的金属离子附着在固体表面上的现象，这一现象与离子的动能有关，一般来说，动能小，附象，这一现象与离子的动能有关，一般来说，动能小，附着几率越大，获得的沉积速率也高着几率越大，获得的沉积速率也高•随着入射离子能量的增加，因离子轰击作用，基片原子即随着入射离子能量的增加，因离子轰击作用，基片原子即会被溅射出并进入到真空室中，这就是溅射作用这时已会被溅射出并进入到真空室中，这就是溅射作用这时已经附着在表面上的部分金属原子当受到后续入射的同种离经附着在表面上的部分金属原子当受到后续入射的同种离子的溅射作用后还会重新返回到真空室中子的溅射作用后还会重新返回到真空室中•而且，如果入射离子能量再进一步增大时，离子还会注入而且，如果入射离子能量再进一步增大时，离子还会注入到表面的原子层中，即产生离子注入现象到表面的原子层中，即产生离子注入现象•离子能量在离子能量在300eV以下时，沉以下时，沉积现象占优势，积现象占优势，Ge沉积量大沉积量大;•但是随着入射离子能量的增加，但是随着入射离子能量的增加，溅射现象逐渐占优势从而使溅射现象逐渐占优势从而使Ge的沉积量呈减少趋势。

从的沉积量呈减少趋势从测量测量Ge厚度来看，当离子能厚度来看，当离子能量超过量超过500eV时，时，Ge膜没有膜没有发现沉积这一能量值，正好发现沉积这一能量值，正好 与与Ge的自溅射产额等于的自溅射产额等于1时的时的能量相对应能量相对应•当能量超过当能量超过900eV时，时，Ge附附着量又呈现增加的趋势，即出着量又呈现增加的趋势，即出现了离子注入现象表现了离子注入现象表5-15是是相应于几种金属成膜时所需的相应于几种金属成膜时所需的最大临界能量范围最大临界能量范围•考虑薄膜沉积过程中基片表面的清洁状态时，由于物理吸附气体分子考虑薄膜沉积过程中基片表面的清洁状态时，由于物理吸附气体分子的能量约为的能量约为0.1~0.5eV，化学吸附气体的能量约为，化学吸附气体的能量约为1~8eV因此，只因此，只要恰当地选择离子的照射能量，要恰当地选择离子的照射能量，入射的离子入射的离子就可以把这两种分子从基就可以把这两种分子从基片表面上轰击掉，从而达到片表面上轰击掉，从而达到表面清洁表面清洁的目的•而且如采用而且如采用较高能量的离子对较高能量的离子对固体表面进行照射，不仅会引起基片原固体表面进行照射，不仅会引起基片原子的溅射，而且还能使基片近表面的原子发生离位，产生缺陷等。

这子的溅射，而且还能使基片近表面的原子发生离位，产生缺陷等这些原子的离位和缺陷，对于晶体膜的生长，可作为晶体生长所必需的些原子的离位和缺陷，对于晶体膜的生长，可作为晶体生长所必需的晶核同时，随着离子的轰击还会促进表面原子的扩散同时，随着离子的轰击还会促进表面原子的扩散•因此，束流沉积法与传统的薄膜沉积法相比较，在相同的基片温度下因此，束流沉积法与传统的薄膜沉积法相比较，在相同的基片温度下产生晶体生长的条件是容易实现的特别是在团簇离子束沉积中，沉产生晶体生长的条件是容易实现的特别是在团簇离子束沉积中，沉积粒子更易于在基片表面上移动，这种效果可以认为是表面迁移效果积粒子更易于在基片表面上移动，这种效果可以认为是表面迁移效果所产生的所产生的•离子镀的成膜的粒子与蒸发镀的粒子能量主要区别，蒸发原子直接到离子镀的成膜的粒子与蒸发镀的粒子能量主要区别，蒸发原子直接到达表面，达表面，0.1~1eV; 离子镀为蒸发离子或高能原子，能量在几百离子镀为蒸发离子或高能原子，能量在几百~几千几千eV•与溅射镀膜，离子轰击靶（阴极）溅射出原子成膜而离子镀中，离与溅射镀膜，离子轰击靶（阴极）溅射出原子成膜而离子镀中，离子或中性原子直接在负高压（阴极）成膜。

子或中性原子直接在负高压（阴极）成膜6.2 离子镀的特点离子镀的特点 (1）膜层附着性能好膜层附着性能好 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溅射清洗清洗，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，，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主要原因之直至整个镀膜过程完成，这是离子镀获得良好附着力的主要原因之一 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，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，可在膜基界面形成组分过渡层或膜材与基材的成分混合层，可在膜基界面形成组分过渡层或膜材与基材的成分混合层，Mattox 称之为称之为“伪扩散层伪扩散层“，能有效改善膜层的附着性能能有效改善膜层的附着性能 （（2）膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）膜层的密度高（通常与大块材料密度相同）。

离子镀过程中，膜材离子和高能中性原子带有较高的能量到达基片，离子镀过程中，膜材离子和高能中性原子带有较高的能量到达基片，可以在基片上扩散、迁移而且膜材原子在空间飞行过程中即使形可以在基片上扩散、迁移而且膜材原子在空间飞行过程中即使形成了蒸气团，到达基片时也能被离子轰击碎化，形成细小的核心，成了蒸气团，到达基片时也能被离子轰击碎化，形成细小的核心，生长为细密的等轴结晶生长为细密的等轴结晶 在此过程中，高能氩离子对改善膜层的结构，并使之形成接近块材在此过程中，高能氩离子对改善膜层的结构，并使之形成接近块材的密度值，发挥了重要作用的密度值，发挥了重要作用 也可以说，镀层质量高，主要是由于淀积膜层不断受到正离子轰击，也可以说，镀层质量高，主要是由于淀积膜层不断受到正离子轰击，从而引起冷凝物发生溅射，使膜层致密，针孔和空气孔大大减少的从而引起冷凝物发生溅射，使膜层致密，针孔和空气孔大大减少的缘故•（（3）绕射性能好绕射性能好 •离子镀过程中，部分膜材离子被离化成正离子后，它们将离子镀过程中，部分膜材离子被离化成正离子后，它们将沿着电场的电力线方向运动，凡是电力线分布之处，膜材沿着电场的电力线方向运动，凡是电力线分布之处，膜材离子都能到达。

在离子镀中由于工件为阴极，且带负高压，离子都能到达在离子镀中由于工件为阴极，且带负高压，因此，工件的各个表面（包括孔、槽、面向蒸发源或背向因此，工件的各个表面（包括孔、槽、面向蒸发源或背向蒸发源的表面）都处于电场之中这样，膜材的离子就能蒸发源的表面）都处于电场之中这样，膜材的离子就能到达工件的所有表面到达工件的所有表面•另外，由于膜材在压强较高的情况下（另外，由于膜材在压强较高的情况下（>1Pa）被电离，）被电离，气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程λ比源基之间的距离比源基之间的距离h小，所以蒸气小，所以蒸气的离子或分子在它到达基片的路程中将与惰性气体分子、的离子或分子在它到达基片的路程中将与惰性气体分子、电子及其它蒸气原子之间发生多次碰撞，产生电子及其它蒸气原子之间发生多次碰撞，产生非定向的气非定向的气体散射效应，体散射效应，使膜材粒子散射在整个工件周围使膜材粒子散射在整个工件周围•由于上述原因，离子镀可以在基片的所有表面上淀积薄膜由于上述原因，离子镀可以在基片的所有表面上淀积薄膜这是真空蒸发所无法比拟的这是真空蒸发所无法比拟的•(4) 可镀材质范围广泛可在金属或非金属表面上镀金属可镀材质范围广泛。

可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料如塑料、石英、陶瓷和橡胶等材料，以及或非金属材料如塑料、石英、陶瓷和橡胶等材料，以及各种金属、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔点材料各种金属、合金和某些合成材料、敏感材料、高熔点材料等•（（5）） 有利于化合物膜层的形成有利于化合物膜层的形成•在离子镀技术中，在蒸发金属的同时，向真空室通入某些在离子镀技术中，在蒸发金属的同时，向真空室通入某些反应性气体，则可反应生成化合物由于辉光放电低温等反应性气体，则可反应生成化合物由于辉光放电低温等离子体中高能电子的作用，将电能变成了金属粒子的反应离子体中高能电子的作用，将电能变成了金属粒子的反应活化能，所以可在较低温度下形成在高温下靠热激发才能活化能，所以可在较低温度下形成在高温下靠热激发才能形成的化合物形成的化合物•（（6）） 淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜通常，淀积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜通常，离子镀淀积几十微米厚的膜层时，其速度较其他镀膜方法离子镀淀积几十微米厚的膜层时，其速度较其他镀膜方法快试验表明：离子镀钛每小时约为快试验表明：离子镀钛每小时约为0.23㎜㎜，镀不锈钢约，镀不锈钢约为为0.3㎜㎜。

6.3 离子轰击的作用离子轰击的作用1.离化率离化率•离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比离化率是指被电离的原子数占全部蒸发原子数的百分比例是衡量离子镀特性的一个重要指标是衡量离子镀特性的一个重要指标•特别在反应离子镀中更为重要因为它是衡量活化程度特别在反应离子镀中更为重要因为它是衡量活化程度的主要参量被蒸发原子和反应气体的离化程度对薄膜的主要参量被蒸发原子和反应气体的离化程度对薄膜的各种性质都能产生直接影响的各种性质都能产生直接影响•在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电在离子镀中轰击离子的能量取决于基片加速电压，加速电压典型能量值为压，加速电压典型能量值为50~5000eV离子的平均能量为子的平均能量为eVc/10.离子的平均能量为离子的平均能量为5~500 eV. •溅射所产生的中性原子也有一定的能量分布，溅射所产生的中性原子也有一定的能量分布，其平均能量约为几个电子伏其平均能量约为几个电子伏•在普通的电子束蒸发中，若蒸发温度为在普通的电子束蒸发中，若蒸发温度为2000K，则蒸发原子的平均能量为，则蒸发原子的平均能量为0.2eV•各种镀膜方法所达到的能量活性系数各种镀膜方法所达到的能量活性系数ε值见表值见表4-2。

•由表可见，在离子镀中可以通过改变由表可见，在离子镀中可以通过改变Ui和和ni/ne,使使ε值提高值提高2~3个数量级个数量级•图4-2 能量活性系数与离化率、离子平均加速电压的关系（1800K）•如离子的平均加速电压较低时如离子的平均加速电压较低时,例如例如Ui=500V，离化率为，离化率为3*10-3时，离时，离子镀的能量活性系数则与溅射时相同因此，在离子镀过程中离化率子镀的能量活性系数则与溅射时相同因此，在离子镀过程中离化率的高低非常重要的高低非常重要•图图4-2是在典型的蒸发温度时，能量活性系数与离化率和的关系从是在典型的蒸发温度时，能量活性系数与离化率和的关系从该图可看出，能量活性系数与加速电压的关系，在很大程度上受离化该图可看出，能量活性系数与加速电压的关系，在很大程度上受离化率的限制为了提高离子镀活性系数，通常可通过提高离子镀装置的率的限制为了提高离子镀活性系数，通常可通过提高离子镀装置的离化率来实现几种离子镀装置的离化率值见表离化率来实现几种离子镀装置的离化率值见表4-3所示 离子离子镀装置装置二极型二极型离子离子镀射射频激励激励型型离子离子镀空心阴空心阴极放极放电型离子型离子镀电弧放弧放电型离型离子子镀离化离化率率0.1~2%10%22~40%60~80%表表4-3 几种离子镀装置的离化率几种离子镀装置的离化率 2.溅射清洗溅射清洗•在薄膜淀积之前的离子轰击对基片表面的在薄膜淀积之前的离子轰击对基片表面的作用如下：作用如下：•1）溅射清洗作用。

溅射清洗作用 此作用可有效地清除基此作用可有效地清除基片表面所吸附的气体、各种污染物和氧化片表面所吸附的气体、各种污染物和氧化物如入射离子能量高、活性大，还可与物如入射离子能量高、活性大，还可与基片物质发生化学反应乃至化学溅射基片物质发生化学反应乃至化学溅射•2）产生缺陷和位错网产生缺陷和位错网•3）破坏表面结晶结构如果离子轰击产生）破坏表面结晶结构如果离子轰击产生的缺陷是很稳定的，则表面的晶体结构就的缺陷是很稳定的，则表面的晶体结构就会被破坏而变成非晶态结构同时，气体会被破坏而变成非晶态结构同时，气体的掺入也会破坏表面的结晶结构的掺入也会破坏表面的结晶结构•4）气体掺入气体掺入 低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、膜之中不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕获位置、基片温度及淀积粒子的能量大小一般，非晶材料捕集气基片温度及淀积粒子的能量大小一般，非晶材料捕集气体能力比晶体材料强当然，轰击加热作用也会使捕集的体能力比晶体材料强当然，轰击加热作用也会使捕集的气体释放在某种工艺条件下，掺入气体量可高达百分之气体释放。

在某种工艺条件下，掺入气体量可高达百分之几•5）表面成分变化表面成分变化 由于系统内各成分的溅射率不同，会由于系统内各成分的溅射率不同，会造成表面成分与整体成分的不同，表面区的扩散对成分有造成表面成分与整体成分的不同，表面区的扩散对成分有显著影响高缺陷浓度和高温也会促进扩散点缺陷易于显著影响高缺陷浓度和高温也会促进扩散点缺陷易于聚集在表面，缺陷的移动会使溶质发生偏析并使较小的离聚集在表面，缺陷的移动会使溶质发生偏析并使较小的离子在表面聚集子在表面聚集•6）） 表面形貌变化表面形貌变化 表面经离子轰击后，无论晶体和非表面经离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙晶体基片的表面形貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率度增大，并改变溅射率•7）温度升高温度升高 因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能3.粒子轰击对薄膜生长的影响粒子轰击对薄膜生长的影响 •在离子镀时，一方面有镀材粒子淀积到基片上，另一方面在离子镀时，一方面有镀材粒子淀积到基片上，另一方面有高能离子轰击表面，使一些粒子溅射出来当前者的速有高能离子轰击表面，使一些粒子溅射出来。

当前者的速率大于后者，薄膜就会增厚这一特殊的淀积与溅射的综率大于后者，薄膜就会增厚这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界面具有许多特点合过程使膜基界面具有许多特点•1）） 首先是在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子不首先是在溅射与淀积混杂的基础上，由于蒸发粒子不断增加，在膜基面形成断增加，在膜基面形成“伪扩散层伪扩散层”这是一种膜基界面这是一种膜基界面存在基片元素和蒸发膜材元素的物理混合现象即在基片存在基片元素和蒸发膜材元素的物理混合现象即在基片与薄膜的界面处形成一定厚度的组分过渡层与薄膜的界面处形成一定厚度的组分过渡层•这种过渡层，可以使基片和膜材料的不匹配性分散在一个这种过渡层，可以使基片和膜材料的不匹配性分散在一个较宽的厚度区域内，从而缓和了这种不匹配程度这对提较宽的厚度区域内，从而缓和了这种不匹配程度这对提高膜基界面的附着强度十分有利直流二极型离子镀、银高膜基界面的附着强度十分有利直流二极型离子镀、银膜与铁基界面间可形成膜与铁基界面间可形成100nm厚的过渡层而且负偏压越厚的过渡层而且负偏压越高，过渡层越厚高，过渡层越厚•2）） 离子轰击的表面形貌受到破坏，可能比未破离子轰击的表面形貌受到破坏，可能比未破坏的表面提供更多的成核位置，即使在非反应系坏的表面提供更多的成核位置，即使在非反应系统中成核密度也较高。

统中成核密度也较高•由于这种特有的微观结构（形貌粗糙、缺陷密度由于这种特有的微观结构（形貌粗糙、缺陷密度高），加之表面沾污物的清除以及阻碍扩散和反高），加之表面沾污物的清除以及阻碍扩散和反应成核的障碍层的破坏，也将为淀积粒子提供良应成核的障碍层的破坏，也将为淀积粒子提供良好的核生长条件好的核生长条件•此外，膜料粒子注入表面也可成为成核位置显此外，膜料粒子注入表面也可成为成核位置显然，较高的成核密度对于减少基片与膜层界面的然，较高的成核密度对于减少基片与膜层界面的空隙十分有利无疑，这也是离子镀具有良好附空隙十分有利无疑，这也是离子镀具有良好附着力的原因之一着力的原因之一•3）离子对膜层的轰击作用，对膜的形态和结晶组）离子对膜层的轰击作用，对膜的形态和结晶组分也有影响在蒸发中由于几何阴影效应，峰区分也有影响在蒸发中由于几何阴影效应，峰区的择优生长使淀积膜呈柱状结构，导致岛沟的出的择优生长使淀积膜呈柱状结构，导致岛沟的出现•而离子镀膜时，由于离子的轰击作用，使岛上的而离子镀膜时，由于离子的轰击作用，使岛上的粒子向岛沟转移，能消除柱状结晶，减轻阴影效粒子向岛沟转移，能消除柱状结晶，减轻阴影效应，而且，随着基片负偏压的增高，轰击基片离应，而且，随着基片负偏压的增高，轰击基片离子能量也将增加，这种消除结晶的效应就越显著，子能量也将增加，这种消除结晶的效应就越显著，这时，代之而形成的将是均匀的颗粒状结晶。

这时，代之而形成的将是均匀的颗粒状结晶•4）内应力受离子轰击的影响也很明显内应力受离子轰击的影响也很明显•内应力是由那些尚未处于一种最低能量状态的原子所产生内应力是由那些尚未处于一种最低能量状态的原子所产生的•粒子的轰击一方面迫使一部分原子离开平衡位置而处于一粒子的轰击一方面迫使一部分原子离开平衡位置而处于一种较高的能量状态，从而引起内应力的增加，种较高的能量状态，从而引起内应力的增加，•另一方面，粒子轰击使基片表面所产生的自加热效应又有另一方面，粒子轰击使基片表面所产生的自加热效应又有利于原子的扩散因此，恰当的利用轰击的热效应或进行利于原子的扩散因此，恰当的利用轰击的热效应或进行适当的外部加热，一方面可使内应力减小，适当的外部加热，一方面可使内应力减小，•另外，也对提高膜层组织的结晶性能有利通常，蒸发薄另外，也对提高膜层组织的结晶性能有利通常，蒸发薄膜具有张应力，溅射淀积的薄膜具有压应力，离子镀薄膜膜具有张应力，溅射淀积的薄膜具有压应力，离子镀薄膜也具有压应力也具有压应力6.4 离子镀的类型离子镀的类型•根据膜材不同的气化方式和离化方式，可根据膜材不同的气化方式和离化方式，可构成不同类型的离子镀膜方式。

靶材的气构成不同类型的离子镀膜方式靶材的气化方式有：电阻加热、电子束加热、等离化方式有：电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热、阴极弧光子电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等放电加热等. •直流二极型离子镀的结构原理直流二极型离子镀的结构原理如图如图4-1所示其特征是利用二所示其特征是利用二电极间辉光放电产生离子，并电极间辉光放电产生离子，并由基板上所加的负偏压对离子由基板上所加的负偏压对离子加速按巴邢定律和气体放电加速按巴邢定律和气体放电理论，其辉光放电的气压只能理论，其辉光放电的气压只能维持在维持在 •由于工作压强较高，故对蒸镀由于工作压强较高，故对蒸镀熔点在熔点在1400℃℃以下的金属如以下的金属如 • 等多采用电阻等多采用电阻加热式蒸发源如用电子束蒸加热式蒸发源如用电子束蒸发源，必须利用压差板把电子发源，必须利用压差板把电子枪室和离子镀膜室分开，并采枪室和离子镀膜室分开，并采用两套真空系统，以保证电子用两套真空系统，以保证电子枪工作所需的高真空度枪工作所需的高真空度。

1.直流二极型离子镀•直流二极型离子镀的放电空间电荷密直流二极型离子镀的放电空间电荷密度较低，阴极电流密度仅度较低，阴极电流密度仅0.25~0.4，，离化率较低，一般为百分之零点几，离化率较低，一般为百分之零点几，最高也只有最高也只有2%•用它镀制的膜层均匀、具有较好的附用它镀制的膜层均匀、具有较好的附着力和较强的绕射性，设备也比较简着力和较强的绕射性，设备也比较简单，镀膜工艺容易实现，可用普通的单，镀膜工艺容易实现，可用普通的镀膜机改装，因此目前仍具有较强一镀膜机改装，因此目前仍具有较强一定的实用价值定的实用价值•其缺点是由于轰击粒子能量大，对形其缺点是由于轰击粒子能量大，对形成的膜层有剥离作用，同时会引起基成的膜层有剥离作用，同时会引起基片的温升，结果使膜层表面粗糙，质片的温升，结果使膜层表面粗糙，质量差，量差，•另外，由于工作真空度低会对膜层造另外，由于工作真空度低会对膜层造成污染，特别是辉光放电电压和离子成污染，特别是辉光放电电压和离子加速电压不易分别调整，因此工艺参加速电压不易分别调整，因此工艺参数较难控制数较难控制•特点：特点：①①绕射性好，附着力好；绕射性好，附着力好；• ②②设备简单，可用普通镀膜机改造，镀膜工艺容易设备简单，可用普通镀膜机改造，镀膜工艺容易控制。

控制•缺点：缺点：①①放电空间电荷密度低，阴极电位密度仅放电空间电荷密度低，阴极电位密度仅0.25~0.4，离化率较低，一般为百分之零点几，最高也只有，离化率较低，一般为百分之零点几，最高也只有2%• ②②所加电压较高，离子轰击能量大，会因起基片温升所加电压较高，离子轰击能量大，会因起基片温升大，有明显的剥离作用，薄膜表面粗糙，质量差，沉积速大，有明显的剥离作用，薄膜表面粗糙，质量差，沉积速率较低• ③③辉光放电电压和离子加速电压不易分别调整，工艺辉光放电电压和离子加速电压不易分别调整，工艺参数较难控制参数较难控制• ④④由于工作气压低，薄膜质量较差，工作时需加电子由于工作气压低，薄膜质量较差，工作时需加电子束差压、零两个工作室束差压、零两个工作室2.三极和多阴极型离子镀三极和多阴极型离子镀•利用热阴极利用热阴极6发射大量热电子，在收集极发射大量热电子，在收集极4的作用下横向穿的作用下横向穿过蒸发粒子流，发生碰撞电离和二极型相比，三极型的过蒸发粒子流，发生碰撞电离和二极型相比，三极型的离化率可明显提高，基板电流密度可提高离化率可明显提高，基板电流密度可提高10~20倍。

倍 •多阴极型是把被镀基片作为阴极（主阴极），在其旁侧配置几个热阴多阴极型是把被镀基片作为阴极（主阴极），在其旁侧配置几个热阴极（多阴极），利用热阴极发出的电子促进气体电离，实际上是在热极（多阴极），利用热阴极发出的电子促进气体电离，实际上是在热阴极与阳极的电压下维持放电，见图阴极与阳极的电压下维持放电，见图4-6因这种方式可在低气压下因这种方式可在低气压下维持放电，故可实现低气压下的离子镀维持放电，故可实现低气压下的离子镀•这两种方式也属于直流放电型，是二极型的改进在直流放电离子镀这两种方式也属于直流放电型，是二极型的改进在直流放电离子镀中，将低能电子引入等离子区中的平均自由程增加，则可显著地提高中，将低能电子引入等离子区中的平均自由程增加，则可显著地提高蒸镀粒子的离化效果蒸镀粒子的离化效果 •由于主阴极（基板）上所加的维持辉光放由于主阴极（基板）上所加的维持辉光放电的电压不高，而且多阴极灯丝处于基板电的电压不高，而且多阴极灯丝处于基板四周，扩大了阴极区，改善了绕射性，减四周，扩大了阴极区，改善了绕射性，减少了高能离子对基板的轰击作用从而避少了高能离子对基板的轰击作用从而避免了二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、免了二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、升温快而且难以控制的缺点。

升温快而且难以控制的缺点•由于在也可以维持稳定的放电，比二极型的真空度高一个数由于在也可以维持稳定的放电，比二极型的真空度高一个数量级，所以镀膜质量好，光泽而致密同时，因低能电子的量级，所以镀膜质量好，光泽而致密同时，因低能电子的引入使离化率有较大提高，可达引入使离化率有较大提高，可达10%左右这种镀膜方式已左右这种镀膜方式已成功地用于活性反应离子镀上，并在手表外壳上得到了较为成功地用于活性反应离子镀上，并在手表外壳上得到了较为理想的理想的TiN镀层•另外，通过调节多阴极灯丝的负电位，可调节其接收的离子另外，通过调节多阴极灯丝的负电位，可调节其接收的离子量，从而调节到达基片的离子数量，这也有利于控制基片的量，从而调节到达基片的离子数量，这也有利于控制基片的温度如果基片为绝缘体，也可通过多阴极灯丝的电子发射温度如果基片为绝缘体，也可通过多阴极灯丝的电子发射消除基片上的电荷积累，使镀膜工艺得以进行因此，多阴消除基片上的电荷积累，使镀膜工艺得以进行因此，多阴极式扩展了离子镀的应用领域极式扩展了离子镀的应用领域3.活性反应离子镀活性反应离子镀•在离子镀过程中，若在真空室中导入能和在离子镀过程中，若在真空室中导入能和金属蒸气反应的气体，如金属蒸气反应的气体，如 等代替等代替Ar或将其掺入或将其掺入Ar气中，并用各种放气中，并用各种放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活离化，促进其间的化学反应，在基子激活离化，促进其间的化学反应，在基片表面上就可获得化合物薄膜。

片表面上就可获得化合物薄膜 • 选择不同的反应气体，可得到不同选择不同的反应气体，可得到不同的化合物薄膜的化合物薄膜ARE法镀膜的特点法镀膜的特点是：是：•基片加热温度低基片加热温度低 由于电离增加了由于电离增加了反应物的活性，故容易在较低的温反应物的活性，故容易在较低的温度下获得附着力良好的碳化物、氮度下获得附着力良好的碳化物、氮化物等膜层若采用了化物等膜层若采用了CVD法，基法，基板则要加热到板则要加热到1000℃℃左右•可在任何基材上制备薄膜，如金属、可在任何基材上制备薄膜，如金属、玻璃、陶瓷、塑料等，并可获得多玻璃、陶瓷、塑料等，并可获得多钟化合物膜，这是钟化合物膜，这是ARE离子镀的一离子镀的一个十分显著的特点个十分显著的特点•淀积速率高淀积速率高 每分钟可达数微米，每分钟可达数微米，比溅射淀积速率至少高一个数量级，比溅射淀积速率至少高一个数量级，而且可制备厚膜而且可制备厚膜•调整或改变蒸发速度及反应气体的调整或改变蒸发速度及反应气体的压力，可十分方便地制取不同性质压力，可十分方便地制取不同性质的同类化合物的同类化合物•清洁无公害清洁无公害4.射频离子镀射频离子镀•种离子镀技术放电稳定，能在髙种离子镀技术放电稳定，能在髙真空下镀膜。

因为采用了射频激真空下镀膜因为采用了射频激励方式，所以被蒸镀物质气化发励方式，所以被蒸镀物质气化发展的离化率可达展的离化率可达10%左右，工作左右，工作压力一般为压力一般为10-1-10-3Pa，仅为直，仅为直流二极型的流二极型的1%，一般射频线圈为，一般射频线圈为7圈，高度为圈，高度为7㎝㎝，用直径，用直径3㎜㎜的铜的铜丝绕制而成，安装在蒸发源和基丝绕制而成，安装在蒸发源和基板之间，基板与蒸发源的距离为板之间，基板与蒸发源的距离为20㎝㎝，射频频率为，射频频率为13.56MHz或或18MHz，功率多为，功率多为1~2kw,直流偏直流偏压为压为0~-1500V•射频离子镀的特点是：射频离子镀的特点是：•蒸发、离化和加速三种过程可分别独立控制；离化率介于蒸发、离化和加速三种过程可分别独立控制；离化率介于直流放电型与空心阴极型之间直流放电型与空心阴极型之间•在在10-1-10-3Pa的髙真空下也能稳定放电，且离化率高，的髙真空下也能稳定放电，且离化率高，镀层质量好镀层质量好•易进行反应离子镀膜易进行反应离子镀膜•和其他离子镀相比，基片温升低，且容易控制和其他离子镀相比，基片温升低，且容易控制。

•但是，这种方法由于工作真空度较高，故镀膜的绕射性差，但是，这种方法由于工作真空度较高，故镀膜的绕射性差，射频对人体有害，应进行屏蔽盒防护除此以外，还有磁射频对人体有害，应进行屏蔽盒防护除此以外，还有磁控溅射离子镀、真空电弧离子镀、空心阴极离子镀装置等控溅射离子镀、真空电弧离子镀、空心阴极离子镀装置等目前，离子镀技术已在制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装目前，离子镀技术已在制备敏感、耐热、耐磨、抗蚀和装饰薄膜等方面，得到日益广泛的应用饰薄膜等方面，得到日益广泛的应用 5.电弧离子镀电弧离子镀•电弧离子镀是一种十分广泛，效率高电弧离子镀是一种十分广泛，效率高,性性能好的镀膜技术能好的镀膜技术•电弧离子镀是由美国电弧离子镀是由美国Multi-Arc公司和公司和Vac-Tec公司，联合开发公司，联合开发,目前已达到工业目前已达到工业实用化阶段实用化阶段 电弧离子镀的原理电弧离子镀的原理•圆板状阴极从背后用水强制冷却在弧光蒸发汽周围设置圆板状阴极从背后用水强制冷却在弧光蒸发汽周围设置磁场线圈，引弧电极安装在永久磁铁的回转轴上，磁场线磁场线圈，引弧电极安装在永久磁铁的回转轴上，磁场线圈中无电时，电极被复位弹簧压向阴极；圈中无电时，电极被复位弹簧压向阴极；DC电源加电在电源加电在阴极阳极之间形成电场，同时阴极基片上加上一定的电压阴极阳极之间形成电场，同时阴极基片上加上一定的电压.•在需要起弧时，给磁线圈通电，在需要起弧时，给磁线圈通电，作用于永久磁铁的外力使轴回作用于永久磁铁的外力使轴回转，引弧电极从阴极表面上离转，引弧电极从阴极表面上离开，在与靶分离时所产生的火开，在与靶分离时所产生的火花实现引弧，实现弧光放电。

花实现引弧，实现弧光放电•电弧离子镀的原理是基于冷阴电弧离子镀的原理是基于冷阴极真空弧光放电理论，认为放极真空弧光放电理论，认为放电过程是借助于场电子发射和电过程是借助于场电子发射和正离子发射在放电过程中，正离子发射在放电过程中，引弧后，由于表面场的作用，引弧后，由于表面场的作用，阴极局部阴极表面功函数小的阴极局部阴极表面功函数小的点开始发射电子，个别发射电点开始发射电子，个别发射电子密度高的点产生高密度的电子密度高的点产生高密度的电流，该电流产生的焦耳热使该流，该电流产生的焦耳热使该点温度上升而进一步发射热电点温度上升而进一步发射热电子•由于局部电流产生的焦耳热，使由于局部电流产生的焦耳热，使阴极材料在此局部产生爆炸性等阴极材料在此局部产生爆炸性等离子化而发射电子和离子，然后离子化而发射电子和离子，然后留下放电疤，同时放出熔融的阴留下放电疤，同时放出熔融的阴极材料粒子极材料粒子•发射的离子中的一部分在阴极表发射的离子中的一部分在阴极表面附近再次形成空间电荷层，产面附近再次形成空间电荷层，产生强电场，使新的功函数小的点生强电场，使新的功函数小的点开始发射电子开始发射电子•这个过程反复进行，弧光辉点在这个过程反复进行，弧光辉点在阴极表面上激烈地、无规则地运阴极表面上激烈地、无规则地运动，弧光辉点过后，在阴极表面动，弧光辉点过后，在阴极表面上留下分散的放电疤。

上留下分散的放电疤•放电开始，多数弧光辉点在阴极放电开始，多数弧光辉点在阴极上高速运动，电子和高度离子化上高速运动，电子和高度离子化的高能阴极材料的原子以等离子的高能阴极材料的原子以等离子束形式放出，其分散情况由圆维束形式放出，其分散情况由圆维阳极的顶角决定离子同时受到阳极的顶角决定离子同时受到加在阴极与基片之间的电压加速，加在阴极与基片之间的电压加速，打在基片，并沉积在基片上打在基片，并沉积在基片上•起辉后，弧光辉点在阴极表面上激烈地、无规则地运动，起辉后，弧光辉点在阴极表面上激烈地、无规则地运动，弧光辉点过后，在阴极表面上留下分散的放电疤，弧光辉点过后，在阴极表面上留下分散的放电疤， 理论和理论和实验证实，阴极辉光的数量一般与电流成正比增加，每一实验证实，阴极辉光的数量一般与电流成正比增加，每一个辉点的电流是常数，并随阴极材料不同而异个辉点的电流是常数，并随阴极材料不同而异 阴极材料阴极材料阴极阴极辉点点电流（流（A））Bi3~5Cd8Zn20Al30Cr50Ti70Cu75Ag60~100Fe600~100Mo150C200W300•不同阴极材料阴极辉光点的平均电位密度不同阴极材料阴极辉光点的平均电位密度•上述阴极辉光极小，测定为上述阴极辉光极小，测定为1~100μm，所以辉点，所以辉点内的电流密度值可达内的电流密度值可达105-107A/cm2，这些辉点犹，这些辉点犹如很小的发射点，每个点的持续时间很短，仅为如很小的发射点，每个点的持续时间很短，仅为几至几十几至几十μm。

在此瞬间后，电流又分布到阴极表在此瞬间后，电流又分布到阴极表面的其它辉点上面的其它辉点上•从阴极弧光辉点放出的物质，大部分是离子和熔从阴极弧光辉点放出的物质，大部分是离子和熔融的粒子，中性原子的比例仅为融的粒子，中性原子的比例仅为1~2%阴极材料阴极材料如如Pb、、Cd、、Zn等低熔点金属离子是一价的，金等低熔点金属离子是一价的，金属的熔点越高，多价离子的比例越大属的熔点越高，多价离子的比例越大Ti,W离子离子有有5、、6价•设备操作时开始不通设备操作时开始不通N2，起弧后，首，起弧后，首先利用辉点喷射出来的先利用辉点喷射出来的Ti离子，轰击离子，轰击基片进行溅射清洗，同时对基片进行基片进行溅射清洗，同时对基片进行加热，然后导入加热，然后导入N2，使，使Ti和和N2混合成混合成等离子体，加速后在基片上沉积成等离子体，加速后在基片上沉积成TiN膜，这时真空室内的压强应足够低，膜，这时真空室内的压强应足够低，使其平均自由程比阴极和基片间的距使其平均自由程比阴极和基片间的距离大得多为宜离大得多为宜•当镀膜室压力低于当镀膜室压力低于10-1Pa，接通电源，，接通电源，引弧为防止引弧过程中电流过大而引弧。

为防止引弧过程中电流过大而溶蚀电极，限流电阻阻值的选择应按溶蚀电极，限流电阻阻值的选择应按使引弧电流为正常放电电流的最小电使引弧电流为正常放电电流的最小电流流20~25%来确定调节电流电位器可来确定调节电流电位器可以调节电弧电流和阴极的蒸发速率以调节电弧电流和阴极的蒸发速率由于某种原因一旦发生熄弧，则流经由于某种原因一旦发生熄弧，则流经电磁线圈的电流也自行消失，这时复电磁线圈的电流也自行消失，这时复位弹簧将使引弧电极复位而重新接通位弹簧将使引弧电极复位而重新接通引弧回路，自动恢复系统的正常工作引弧回路，自动恢复系统的正常工作•目前一般的电弧离子镀均有多个弧源，设目前一般的电弧离子镀均有多个弧源，设置多个电弧离子镀，简称多弧离子镀设备，置多个电弧离子镀，简称多弧离子镀设备，各个蒸发源均可独立控制，能获得较好的各个蒸发源均可独立控制，能获得较好的绕射性•弧光蒸发源主要工艺参数有电源功率、放弧光蒸发源主要工艺参数有电源功率、放电电压和电流等功率放电电压和电流电电压和电流等功率放电电压和电流 源源材材源源基基距距㎜㎜源源电压（（V））源源电流流（（A））工作工作负偏偏压（（V））工作工作电流流（（A））沉沉积速速率率(nm/s)显微微硬度硬度（（HV））45#19020120~150200~5001.2~1.39345045号钢沉积号钢沉积TiN膜典型工艺参数膜典型工艺参数 电弧离子镀的特点电弧离子镀的特点•（（1）能直接从阴极表面上产生等离子体，不要熔池，因）能直接从阴极表面上产生等离子体，不要熔池，因此弧光蒸发源在真空室内放置灵活，横竖均可，无需两个此弧光蒸发源在真空室内放置灵活，横竖均可，无需两个真空压差室。

真空压差室•（（2）阴极弧光辉点使阴极材料蒸发而形成定向的运动，）阴极弧光辉点使阴极材料蒸发而形成定向的运动，其能量达到其能量达到10~100eV的原子和离子束流，足以在基片上的原子和离子束流，足以在基片上形成附着力很强的膜层，膜层致密，强度和耐久性好，膜形成附着力很强的膜层，膜层致密，强度和耐久性好，膜基界面易产生原子扩散，所以莫的附着强度好基界面易产生原子扩散，所以莫的附着强度好•（（3）离化率高达）离化率高达60~80%，沉积速率可高达，沉积速率可高达10~100nm/s，也是这种设备优于其它离子镀设备的一个很重要的特点也是这种设备优于其它离子镀设备的一个很重要的特点•（（4）该设备简单，采用低压电源，工作安全可靠；）该设备简单，采用低压电源，工作安全可靠；•（（5）能镀复合膜、多层膜，低温特点，能在金属、非金）能镀复合膜、多层膜，低温特点，能在金属、非金属等橡胶、塑料上镀膜属等橡胶、塑料上镀膜电弧离子镀的应用电弧离子镀的应用•电弧离子镀应用面广，实用性强电弧离子镀应用面广，实用性强 除了具有其它除了具有其它各种离子镀方法的广泛各种离子镀方法的广泛 用途外，特别是在高速钢用途外，特别是在高速钢刀具镀覆刀具镀覆TiN膜层的应用发展更为迅速，已进入商膜层的应用发展更为迅速，已进入商业化阶段。

电弧镀的业化阶段电弧镀的TiN膜层硬度可达膜层硬度可达3000HV，，具有膜厚具有膜厚3.8~6.4μm TiN镀层的刀具，使用寿命镀层的刀具，使用寿命普遍为原来的普遍为原来的3~10倍，大力推广镀层刀具使金属倍，大力推广镀层刀具使金属切削费用减少切削费用减少10~100%切削速度提高，生产效切削速度提高，生产效率提高率提高40%，其经济效益十分可观其经济效益十分可观TiN可以处理可以处理各种规格的滚刀、钻头、锉刀、维切刀、铰刀、各种规格的滚刀、钻头、锉刀、维切刀、铰刀、拉刀等十五种以上的刀具和各种模具零件，并已拉刀等十五种以上的刀具和各种模具零件，并已应用于齿轮、轴承、活塞、阀门、轴类等机械零应用于齿轮、轴承、活塞、阀门、轴类等机械零件上。