《薄膜材料与薄膜技术第三章薄膜的物理制备方法（3）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《薄膜材料与薄膜技术第三章薄膜的物理制备方法（3）（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、薄膜材料与薄膜技术,第三章 薄膜的物理制备方法（3）离子镀、离子助、外延,薄膜的物理制备技术,一、离子镀1.原理；2.特点；3.作用；4. 类型 二、离子助1. 离子束溅射；2.离子束清洗；3. 离子束轰击；4. 离子束掺杂；5. 离子束表面改性；6. 离子束薄膜合成； 三、外延1. 常规外延； 2. 分子束外延； 3. 液相外延；4. 热壁外延； 5. 低压外延； 6. MOCVD外延,本章主要内容,离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基片上。离子镀把气体的辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在
2、一起，不仅明显地提高了镀层的各种性能，而且大大地扩充了镀膜技术的应用范围。离子镀兼有真空蒸发、溅射的优点，还具有独特的优点：如与基片结合牢固，沉积具有绕射性，沉积速率高，对镀件的清洗简单等。近年来在国内外都得到迅速发展。,一、离子镀,1. 离子镀膜的原理,(1).离子镀膜系统典型结构,基片为阴极；蒸发源为 阳极；蒸发源气体被电离形 成离子；淀积和溅射同时进行；,离子镀膜的原理,(3). 离子镀膜的成膜条件,淀积过程：,溅射过程：,(2). 实现离子镀膜的必要条件,造成一个气体放电的空间；将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间，使其部分离化。,2、离子镀膜的特点,1 膜层附着性好； 2
3、膜层密度高（一般与块体材料相同）； 3 绕射性能好； 4 可镀材料范围广泛； 5 有利于化合物膜层的形成； 6 淀积速率高； 7 清洗工序简单、对环境无污染。,优点,离子镀膜的特点,薄膜中的缺陷密度较高，薄膜与基片的过度 区较宽，应用中受到限制（特别是电子器件和IC）。 2.由于高能粒子轰击，基片温度较高，有时不得不对基片进行冷却。 3.薄膜中含有气体量较高。,缺点,3、离子轰击的作用,离子镀膜的整个过程中都存在着离子轰击。,(1). 离化率：指被电离的原子数占全部蒸发原子的百分数。,中性粒子的能量,离子的能量,薄膜表面的能量活性系数,式中， 单位时间在单位面积上所淀积的离子数； 是蒸发粒子的
4、动能； 是单位时间对单位面积轰击的离子数； 为离子的平均能量。,离子轰击的作用,当 远小于 时，,离子镀膜中的活化系数与离化率、基片加速电压、蒸发温度等因素有关。,离子轰击的作用,离子轰击的作用,(2). 溅射清洗薄膜淀积前对基片的离子轰击。将产生如下结果：,溅射清洗作用产生缺陷和位错网破坏表面晶格气体掺入表面成分改变表面形貌变化温度升高,离子轰击的作用,(3). 粒子轰击对薄膜生长的影响影响薄膜的形态、晶体结构、成分、物理性能相许多其它特性。,离子轰击能消除柱状晶粒，形成粒状晶粒结构的显微结构影响薄膜的应力。离子轰击强迫原子处于非平衡位置，使应力增加。可提高金属薄膜的疲劳寿命（成倍提高）。,
5、4、离子镀膜的类型,按薄膜材料气化方式分类：,按原子或分子电离和激活方式分类：,电子加热、电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放电加热等。,辉光放电型、电子束型、热电子型、电弧放电型、以及各种离子源。,一般情况下，离于镀膜设备要由真空室、蒸发源(或气源、溅射源等)、高压电源、离化装置、放置基片的阴极等部分组成。,离子镀膜的类型,(1). 直流二极型离子镀,直流二极型离子镀的特征是利用二极间的辉光放电产生离子、并由基板所加的负电压对其加速。,轰击离子能量大，引起基片温度升高，薄膜表面粗糙，质量差；工艺参数难于控制。,由于直流放电二极型离子镀设备简单，技术容易实现，用普通真空镀膜机就可以改装，因此也
6、具有一定实用价值。特别是在附着力方面优于其它的离子镀方法。,离子镀膜的类型,(2). 三极和多阴极型离子镀（二极型改进）,离子镀膜的类型,（1）多阴极法中放电开始的气压为10-2Torr左右，而多阴极法为10-3Torr左右真空度大约高一个数量级。 （2） 二极型离子镀膜技术中，随着阴极电压降低，放电起始气压变得更高；而在多阴极方式中，阴极电压在200V就能在10-3左右开始放电。（3）在多阴极方式中，即使气压保持不变，只改变作为热电子发射源的灯丝电流，放电电流就会发生很大的变化，因此可通过改变辅助阴极(多阴极)的灯丝电流来控制放电状态。,特点：,离子镀膜的类型,（4）由于主阴极(基板)上所加
7、维持辉光放电的电压不高，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，减少了高能离子对工件的轰击作用，避免了直流二极型离子镀溅射严重、成膜粗糙、温升高而难以控制的弱点。,离子镀膜的类型,(3). 活性反应离子镀膜（ARE）,在离子镀膜基础上，苦导入与金属蒸气起反应的气体，如O2、N2、C2H2、CH4等代替Ar或掺入Ar之中，并用各种不同的放电方式使金属蒸气和反应气体的分子、原子激活、离化、使其活化，促进其间的化学反应，在基片表面就可以获得化合物薄膜，这种方法称为活性反应离子镀法。由于各种离子镀膜装置都可以改装成活性反应离子镀，因此，ARE的种类较多。,离子镀膜的类型,离子镀膜的类型
8、,ARE的优点：,（1）电离增加了反应物的活性，在温度较低的情况下就能获得附着性能良好的碳化物、氮化物薄膜。采用CVD法要加热到1000左右，而ARE侧法只需把基片加热到500左右。（2）可以在任何材料上制备薄膜，并可获得多种化合物薄膜。（3）淀积速率高。 一般每分钟可达几个微米，最高可达50m。而且可以通过改变电子枪的功率、基片蒸发源的距离、反应气体压力等实现对薄膜生长速率的有效控制。,离子镀膜的类型,（4） 调节或改变蒸发速率及反应气体压力可以十分方便地制取不同配比、不同结构、不同性质的同类化合物（见下表）。（5）由于采用了大功率、高功率密度的电子束蒸发源，几乎可以蒸镀所有金属和化合物。（
9、6）清洁，无公害。,ARE的缺点：电予枪发出的高能电子除了加热蒸发薄膜材料之外，同时还要用来实现对蒸气以及反应气体的离化。因此，ARE法在低的沉积速率下，很难维持等离子体。,(4). 射频离子镀膜技术,三个区域： （1）以蒸发源为中心的蒸发区； （2）以线圈为中心的离化区； （3）以基板为中心，使生成的离子加速，并沉积在基板。,通过分别调节蒸发源功率、线圈的激励功率、基板偏压等，可以对上述三个区域进行独立的控制，由此可以在一定程度上改善膜层的物性。,离子镀膜的类型,综上所述，射频放电离子镀具有下述特点：a. 蒸发、离化、加速三种过程可分别独立控制，离化率靠射频激励，而不是靠加速直流电场，基板周
10、围不产生阴极暗区。b. 在10-3-l0-6 Torr的较低工作压力下也能稳定放电，而且离化率较高，薄膜质量好。c. 容易进行反应离子镀。d. 和其它离子镀方法相比，基板温升低而且较容易控制。,离子镀膜的类型,二、离子助,离子助是离子束辅助沉积，或离子束增强沉积的简称。它结合了离子束溅射沉积、离子束轰击、离子束掺杂、离子束清洗、离子束混合等多种工艺，达到材料改性和薄膜合成目的。,简单的离子助示意,多功能离子束辅助沉积设备,主机,主 机,调试,1. 离子束溅射,离子助设备有单独的溅射离子源，以Ar为溅射气体，对放置于真空室的金属靶或介质靶溅射。溅射源的加速电压通常在0-5KV可调，溅射离子的入射
11、角在45-60（相对于靶面法线）, 我们的设备，溅射束强度在30-80mA，束斑直径50-60mm ，入射角60 。 在离子束溅射时，对靶会产生大量的热，溅射靶需要用水冷却。不冷却会导致介质靶的碎裂。 由于带电离子的轰击，如果溅射靶没有良好的接地，会产生大量的电荷堆积，阻止或影响后续溅射的效果。这种效应对介质靶的溅射尤其显著。,辅助离子源的主要用来作薄膜溅射沉积前的样品清洗溅射，也可以做气体离子的辅助注入。在做离子束清洗时，通入Ar做源气，Ar+以相对样品表面法线25-30的入射角，短时间溅射样品表面，去除样品表面的氧化层后再作离子束溅射沉积。辅助离子源的 加速电压在0.3-3kV可调，束流约
12、20-60mA，束斑直径80-100mm, 。由于辅助离子束的入射角不与样品表面垂直，为了避免对沉积薄膜的显著溅射，在做辅助沉积的掺杂注入时，辅助束的能量不能太高（1000V),束流不能太大(40mA)，掺杂离子的质量不能太大（一般用N+）。,2. 离子束清洗,用于离子束轰击混合的离子可以用与注入角与样品表面垂直的气体离子或金属离子。对大多数离子助设备，都采用气体离子源与金属离子源独立分离的形式。采用同一注入窗口，而更换离子源的办法分别完成气体和金属离子的注入。而我们的多功能离子束增强沉积设备采用了气体和金属复合离子源，不必频繁地更换，即可实现气体离子注入和金属离子的注入，但也大大地增加了离子
13、源的研制难度。由于气体离子和金属离子以垂直方向注入样品表面，溅射效应很低，而对溅射沉积薄膜中分子的轰击作用显著。反冲原子将有效地进入衬底与沉积薄膜的界面，使离子助薄膜对衬底的粘附性很高，不易脱落。所以，离子束增强沉积在早期也称为离子束混合。,3. 离子束轰击混合,选择合适的气体和金属离子,在离子束溅射沉积的同时,对沉积薄膜的注入, 还可以实现对沉积薄膜的大剂量掺杂。但是，由于离子助设备为了获得mA级的大束流，且一般用于对纯度要求不高的材料表面该性，所以，通常没有分析器。气体和金属离子源产生的所有离子，包括一价和多价离子、分子离子等将全部注入样品。对沉积薄膜要求高纯度的掺杂，必须采用高纯度的源气
14、或高纯度的金属电极。而且，由于注入离子的质量和能量的多样性，掺杂注入的深度也具有较宽的分布。不过，因为强大的离子束流，可以对沉积薄膜实现高浓度的掺杂。,4. 离子束掺杂,我们的复合离子源不同与一般的直流高压加速方式，对离子采用高压脉冲方式加速。可以大大降低注入离子束对样品的热效应。脉冲加速方式还可降低高压电源的功率，可以将离子源高到60kV的电源与离子源复合安装，避免了高压的危险。金属-气体离子注入源，束斑直径180mm、引出电压20-60kV、脉冲流强200-500mA, 脉冲频率6、12、25、50Hz，不均匀性15-20%。,气体、金属复合离子源,考夫曼离子源,离子源,金属-气体复合离子
15、源和 辅助离子源,对材料表面的改性包括在衬底表面沉积具有特殊物理、化学或机械性能的薄膜,以及用离子注入的方法直接对衬底材料掺杂,在材料表面形成一层具有特殊性能的表面层,达到提高材料的硬度、抗蚀性、耐磨性等。通常，用作材料改性的注入离子主要有N+、Cr+、Ni+、Ti+、Mo+等。而N+和Ar是使用最多的气体离子。其它离子大多用金属源产生。在材料改性时，采用溅射沉积的同时做离子束轰击是使用较多的方法。离子束材料改性的优点是在低温下完成，不会使样品变形、不会明显地增加尺寸；缺点是表面层较薄。,5. 离子束材料表面改性,利用离子助方法可以方便地合成多种其它方法较难得到、具有特殊性能的功能薄膜。方法是
16、，合理地利用离子束溅射沉积、离子束轰击、离子注入等手段，巧妙地选择靶材料和不同的注入离子，发挥在离子束增强沉积过程中的物理和化学作用，设计新型功能薄膜的合成工艺。还可利用沉积后的退火，使薄膜 合成的工艺完善。以从V2O5粉末直接制备高取向VO2多晶薄膜和P型掺杂ZnO薄膜为例，讨论用离子束增强沉积方法合成功能薄膜的具体做法：,6. 离子束薄膜合成,氧化钒薄膜是室温红外成像和红外探测的重要敏感膜，目前制备的方法主要有溅射沉积、PLD、Sol-Gel等，得到的薄膜结构主要为VOx（X2），其室温温度系数在1.52.5%/K。很难得到性能更好的VO2薄膜。我们用离子束增强沉积方法，成功地从V2O5粉末直接制备出VO2多晶薄膜，其室温温度系数高达4%/K。溅射靶： V2O5粉末压制；溅射离子：Ar+；轰击离子：Ar+；注入降价离子：H+；工艺设计：用Ar+的轰击，使溅射沉积的氧化钒分子的V-O键断裂，用H+与部分O结合，使V降价，退火后合成VO2多晶薄膜。,从V2O5粉末制备VO2多晶薄膜,SEM photos of IBED film and sputtering film,
