离子轰击在离子镀过程中的作用

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1、离子轰击在离子镀过程中的作用 ?一、离子轰击基片表面所产生的各种效果 ?1. 离子溅射对基片表面产生清洗作用 ?这一作用可清除基片表面上的污染层和氧化物。如果轰击粒子能量高，化学活性大， 则可与基 片发生化学反应，其产物是易挥发或易溅射的，还可发生化学溅射从而会增加其溅射率。 ?2. 产生缺陷作用 ?轰击粒子传递给晶格原子的能量决定于粒子的相对质量，若入射粒子传递给靶原子的能量超过 离位阈（约25ev） ，则晶格原子就会产生离位并迁移到间隙位置中去，从而形成了空位和间隙 原子等缺陷。这些缺陷的凝聚会形成位错网络。尽管有缺陷的凝聚，但在离子轰击的表面层区 域仍然保留着级高残余浓度的点缺陷。 ?3

2、. 破坏表面结晶结构 ?如果离子轰击产生缺陷是充分稳定的，则表面的晶体结构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结晶的结构。 ?4. 改变表面形貌 ?无论对晶态基片还是非晶态基片，离子的轰击作用都会使表面形貌发生很大的变化，使表面粗 糙度增加。 ?5. 离子掺入 ?低能离子轰击会造成气体掺入表面和沉积膜之中。不溶性气体的掺入能力决定于迁移率、捕集 位置、温度以及沉积粒子的能量。一般说来，非晶材料捕集气体的能力比晶体材料强。当然， 轰击加热作用也会引起捕集气体的释放。 ?6. 温度升高 ?轰击粒子能量的大部分变成表面热。 ?7. 表面成分变化 ?由于溅射作用去造成表面成分与整体

3、材料成分的不同，表面区域的扩散会对成分产生明显的影 响。高缺陷浓度和高温会增强扩散。点缺陷易于在表面富集，缺陷的流动会使溶质偏析并使较 小的离子在表面富集。 二、离子轰击对膜基界面的影响?当膜材原子开始沉积时，离子轰击对基片和镀层交界面会产生如下几 ?点影响：?1. 物理混合 ?这一混合可使膜基界面形成“ 伪扩散层 ” 。这是由于离子镀膜的膜基界面存在基片元素和膜材元 素的物理混合现象。因为高能粒子注入，被溅射原子的被溅射以及表面原子的反冲注入都将引 起近表面区的非扩散型的混合，这种混合效果将有利于形成“ 伪扩散层 ” 界面。这对提高膜基界面的附着强度是十分有利的。?直流二极型离子镀、银膜与铁

4、基界面间可形成100nm 的 “ 伪扩散层 ” 。?磁控溅射离子镀在铜基片上镀铝膜时可形成10004000nm 的“ 伪扩散层 ” ，而且负偏压越高， 这种混合作用越大。 ?2. 增强扩散 ?近表面区的高缺陷浓度和较高的温度会提高扩散率。由于表面是点缺陷，小离子有偏析表面的 倾向，离子轰击有进一步强化表面偏析的作用并会增强沉积原子和基片原子的相互扩散。由于 这种作用，离子镀还能使金属材料表面合金化。利用磁控溅射离子镀技术在碳钢（A3）基片上 沉积镀膜时， 当基片偏压为-1500V 时，镀膜中出现了Al3Fe4和 Al5Fe2相；当基片偏压为-2000V时，镀膜中出现了Al13Fe4和 Al5F

5、e2以及 AlFe 等三个相。 ?3. 改善成核模式 ?原子凝结在基片表面上的特性由它的表面的相互作用及它在表面上的迁移特性所决定。如果凝 结原子和基片表面之间没有很强的相互作用，原子将在表面上扩散，直到它在高能位置上成核 或被其它扩散原子碰撞为止。这种成核模式称非反应性成核。一般说来，这种成核模式会造成 核与核的间距增大，即形成一个一个的晶核。核在一起生长的过程中，核与核的间隙会形成界 面气泡，从而引起非浸润型生长。直到这些核达到一定的大小，才开始生长到一起。这已经由 电镜观察得到证实。 ?4. 优先移除掉松散结合的原子 ?表面原子的溅射决定于局部的结合状态。对表面的离子轰击更有可能溅射掉结

6、合较为松散的原 子。这种效果在形成反应一扩散型的界面时更为明显。例如，通过溅射镀膜的方法在硅片表面上沉积铂，而且再溅射掉过量的铂，从而可以获得纯净的铂硅膜层。这一工艺过程就是一个 明显的例证。 ?5. 改善表面复盖度增加了绕射性 ?离子镀具有绕射性的主要原因是工作气压较高，蒸发原子受到气体原子的碰撞使散射作用增强 的结果。但是离子轰击的作用对其产生的良好绕射性也是不可忽视的。因为在普通的真空蒸镀中，如果蒸发到较高的气压将造成蒸气相在空间成核，结果会以细粉末的形式沉积，而在离子 镀的气体放电中，气相成核的粒子将呈现负电位受到处于负电位的基片的排斥。 三、离子轰击在薄膜生长中的作用 ?1. 离子轰

7、击作用能消除柱状晶 ?直流二极型离子镀铝膜基片负偏压为零时，铝膜断口为粗大的柱状晶组织，随基片负偏压的增 高，柱状晶逐渐消除，当偏压为3KV 时，柱状晶可完全消除。利用磁控溅射离子镀在铜基片上 沉积铝膜时， 其铝膜断口及表面微观组织形貌的结果表明：基片负偏压小于1000V 时是粗大的柱状晶，负偏压高于1000V 时可消除柱状晶。这是因为随着基片负偏压的增高，轰击基片的离 子能量也将增加，这就增强了高能离子对基片的轰击和溅射作用，从而破坏了粗大的柱状晶的形成条件，代之而形成的是均匀的颗粒状晶体。 ?2. 对膜层内应力的影响 ?残余内应力是最显而易见的受离子轰击影响的性能之一。通常，真空蒸镀薄膜具

8、有拉应力，溅 射沉积薄膜具有压应力。十分明显，当原子之间所处的位置比它们在平衡条件下所处的位置更 接近时即出现压应力，而由于大量的间隙原子存在，当原子之间的间隔在比平衡位置更大时就 出现了拉应力。由于沉积过程中的离子轰击强迫原子处于非平衡位置，因此必然增加其应力。 而且越难熔的材料在离子轰击时越易产生应力。尽管人们希望有较小的残余应力以获得较强的 附着力。但是在某些情况下，压应力还可以起到有益的作用，原因在于处于压缩状态下的材料裂纹不易扩展，因而比自由状态下的材料具有更强的抗破坏能力。 ?3.离子镀可提高金属材料的疲劳寿命 ?A3 钢标准试验分别经磁控溅射离子镀铝、钛、不锈钢及铬之后，疲劳寿命可提高1 倍至几倍。 之所以如此，是因为离子镀过程中高能粒子轰击基片使基片表面产生压应力和使基片表面合金 化，从而强化了基体表面的结果。 第四节离子镀过程中的离化率 ?离子镀膜区别于普通真空蒸镀的许多特性，均与离子、 高速中性粒子参与镀膜过程有关。因此， 作为被电离的原子数占全部被蒸发原子数的百分 ?比的离化率，是个非常重要的指标。特别是在活性反应离子镀中该指标更为重要。因为它是活 化程度的主要指标之一。被蒸发原子和反应气体的离化程度对镀层的各种性质（如附着力、硬 度、耐热抗蚀性、结晶结构等）都能产生直接影响。下面就不同离子镀方法中的离化率问题进 行定量的分析。