1.4　離子鍍膜

離子鍍膜技術(shù)（簡(jiǎn)稱離子鍍，IonPlating,IP）是美國(guó)Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出的。它是結(jié)合真空蒸發(fā)鍍和濺射鍍膜的特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種鍍膜技術(shù)。1971年Baunshah等發(fā)展了活性反應(yīng)蒸發(fā)（ARE）技術(shù)，并制備了超硬膜。1972年Moley和Smith把空心熱陰極技術(shù)應(yīng)用于薄膜沉積。而后，小宮宗治等進(jìn)一步發(fā)展完善了空心陰極放電離子鍍，并應(yīng)用于裝飾涂層和工模具涂層的沉積。1976年日本的村山洋一等發(fā)明了射頻離子鍍。俄國(guó)人在陰極電弧鍍方面做了大量研究工作。1981年美國(guó)Multi-Arc公司在購(gòu)買俄國(guó)人專利的基礎(chǔ)上推出了陰極電弧離子鍍?cè)O(shè)備，并推向世界。同時(shí)，歐洲的巴爾澤斯公司開(kāi)拓了熱絲等離子弧離子鍍技術(shù)。此后離子鍍技術(shù)迅速發(fā)展，目前該技術(shù)已流行全世界。

離子鍍是在真空條件下，應(yīng)用氣體放電或被蒸發(fā)材料的電離，在氣體離子或被蒸發(fā)物離子的轟擊下，將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。離子鍍是將輝光放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)技術(shù)結(jié)合在一起，顯著提高了沉積薄膜的性能，并還拓寬了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。離子鍍膜技術(shù)具有薄膜附著力強(qiáng)，繞鍍能力好，可鍍材料廣泛等一些優(yōu)點(diǎn)。

1.4.1　離子鍍?cè)?/h3>

圖1-29為直流二極型離子鍍裝置示意圖。當(dāng)真空抽至10-4Pa時(shí)，通入Ar使真空度達(dá)1～10-1Pa。接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立一個(gè)低壓等離子區(qū)，由于基片在負(fù)高壓并在等離子包圍中，不斷受到正離子的轟擊，因此可以清除基片表面。同時(shí)，鍍材氣化后，蒸發(fā)粒子進(jìn)入等離子區(qū)，與其他正離子和沒(méi)被激活的Ar原子及電子碰撞。其中一部分蒸發(fā)粒子被電離成正離子，在負(fù)高壓電場(chǎng)加速下，沉積到基片上形成薄膜。離子鍍膜層的成核與生成所需能量，不是靠加熱方式獲得，而是靠離子加速方式來(lái)激勵(lì)的。

圖1-29　離子鍍?cè)?/p>

1.4.2　離子鍍膜條件

作為離子鍍膜技術(shù)必須具備三個(gè)條件：一是應(yīng)有一個(gè)放電空間，使工作氣體部分電離產(chǎn)生等離子體；二是要將鍍材原子和反應(yīng)氣體原子輸送到放電空間；三是在要基片上施加負(fù)電位，以形成對(duì)離子加速的電場(chǎng)。

在離子鍍中，基片為陰極，蒸發(fā)源為陽(yáng)極。通常極間為1～5kV負(fù)高壓，由于電離作用產(chǎn)生的鍍材離子和氣體離子在電場(chǎng)中獲得較高的能量，它們會(huì)在電場(chǎng)加速下轟擊基片和鍍層表面，這種轟擊過(guò)程會(huì)自始至終。因此，在基片上同時(shí)存在兩種過(guò)程：正離子（Ar+或被電離的蒸發(fā)粒子）對(duì)基片的轟擊過(guò)程；膜材原子的沉積作用過(guò)程。顯然，只有沉積作用大于濺射作用時(shí)，基片上才能成膜。

若設(shè)正離子在達(dá)到基片的過(guò)程中與中性粒子的碰撞次數(shù)為dk/λ時(shí)，D.G.Teer給出了離子鍍過(guò)程中，由離子帶到基片表面的能量Ei的近似表達(dá)式：

（1-25）

式中，N0為離開(kāi)負(fù)輝區(qū)的粒子數(shù)；Ve為基片偏壓。在離子鍍系統(tǒng)中，λ/dk≈1/20。因此，離子的平均能量為eVe/10。當(dāng)Ve為1～5kV時(shí)，粒子的平均能量為100～500eV。

由于受到碰撞的中性粒子數(shù)量約為dk/λN0,即約為離子數(shù)的20倍，但并非所有的高能中性原子都到達(dá)基板。通常只有70%左右的原子到達(dá)基板,其余30%則到達(dá)器壁、夾具等處。這些高能中性原子平均能量為eVe/22，當(dāng)Ve為1～5kV時(shí)，其平均能量為45～225eV?？紤]到碰撞概率不同，離子和高能中性原子的能量將在零到數(shù)千電子伏特之間變化，個(gè)別的離子能量可達(dá)1～5keV。D.G.Teer測(cè)出了金屬離化率，只有0.1%～1%,但由于產(chǎn)生了大量中性原子,故提高了蒸發(fā)粒子的總能量。因此，離子鍍還是具有許多優(yōu)點(diǎn)的。

離子能量以500eV為界，分為高能和低能。離子鍍技術(shù)通常是采用低能離子轟擊。當(dāng)離子能量低于200eV，對(duì)提高沉積原子的遷移率和附著力，對(duì)表面弱吸附原子的解吸，改善膜的結(jié)構(gòu)和性能有利。若離子能量過(guò)高，則會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，使膜層產(chǎn)生空隙和導(dǎo)致膜層應(yīng)力增加。

表1-7收集了一些離子轟擊改性實(shí)例。離子到達(dá)比是轟擊膜層的入射離子通量Ψi與沉積原子通量Ψd之比，即Ψi/Ψd。離子鍍時(shí)，每個(gè)沉積原子由入射離子獲得的平均能量，稱能量獲取值Ea（eV）。

Ea=EiΨi/Ψd

（1-26）

式中，Ei為入射離子能量,eV；Ψi/Ψd為離子到達(dá)比。由于反濺射作用，離子到達(dá)比越高，則鍍膜速率越低。

1.4.3　離子鍍的特點(diǎn)

與蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜相比，離子鍍膜有如下特點(diǎn)。

（1）膜層附著性能好。因?yàn)檩x光放電產(chǎn)生大量高能粒子對(duì)基片表面產(chǎn)生陰極濺射，可清除基片表面吸附的氣體和污染物，使基片表面凈化，這是獲得良好附著力的重要原因之一。在離子鍍膜過(guò)程中，濺射與沉積并存。在鍍膜初期可在膜基界面形成混合層。即“擴(kuò)散層”可有效改善膜層附著性能。

（2）膜層密度高。在離子鍍膜過(guò)程中，膜材離子和中性原子帶有較高能量到達(dá)基片，在其上擴(kuò)散、遷移。膜材原子在空間飛行過(guò)程中形成蒸氣團(tuán)，到達(dá)基片時(shí)也被粒子轟擊碎化，形成細(xì)小核心，生長(zhǎng)為細(xì)密的等軸晶。在此過(guò)程中，高能Ar+對(duì)改善膜層結(jié)構(gòu)，提高膜密度起重要作用。

（3）繞鍍性能好。在離子鍍過(guò)程中，部分膜材原子被離化后成為正離子，將沿著電場(chǎng)電力線方向運(yùn)動(dòng)。凡是電力線分布處，膜材離子都可到達(dá)。離子鍍中工件各表面都處于電場(chǎng)中，膜材離子都可到達(dá)。另外，由于離子鍍膜是在較高壓強(qiáng)（≥1Pa）下進(jìn)行，氣體分子平均自由程比源-基距小，以至膜材蒸氣的離子或原子在到達(dá)基片的過(guò)程中與Ar+產(chǎn)生多次碰撞，產(chǎn)生非定向散射效應(yīng)，使膜材粒子散射在整個(gè)工件周圍。所以，離子鍍膜技術(shù)具有良好的繞鍍性能。

（4）可鍍材質(zhì)范圍廣泛，可在金屬、非金屬表面鍍金屬或非金屬材料。

（5）有利于化合物膜層形成。在離子鍍技術(shù)中，在蒸發(fā)金屬的同時(shí)，向真空通入活性氣體則形成化合物。在輝光放電低溫等離子體中，通過(guò)高能電子與金屬離子的非彈性碰撞，將電能變?yōu)榻饘匐x子的反應(yīng)活化能，所以在較低溫度下，也能生成只有在高溫條件下才能形成的化合物。

（6）沉積速率高，成膜速度快。如，離子鍍Ti沉積速率可達(dá)0.23mm/h,鍍不銹鋼可達(dá)0.3mm/h。

1.4.4　離化率與離子能量

在離子鍍膜中有離子和高速中性粒子的作用，并且離子轟擊存在整個(gè)鍍膜過(guò)程中。而離子的作用與離化率和離子能量有關(guān)。離化率是被電離的原子數(shù)與全部蒸發(fā)原子數(shù)之比。它是衡量離子鍍活性的一個(gè)重要指標(biāo)。在反應(yīng)離子鍍中，它又是衡量離子活化程度的主要參量。被蒸發(fā)原子和反應(yīng)氣體的離子化程度對(duì)沉積膜的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生直接影響。在離子鍍中，中性粒子的能量為Wv，主要取決于蒸發(fā)溫度，其值為

Wv=nvEv

（1-27）

式中，nv為單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上所沉積的粒子數(shù)；Ev為蒸發(fā)粒子動(dòng)能，Ev=3kTv/2，其中，k為Boltzmann常數(shù)；Tv為蒸發(fā)物質(zhì)溫度。

在離子鍍膜中，離子能量為Wi，主要由陰極加速電壓決定，其值為

Wi=niEi

（1-28）

式中，ni為單位時(shí)間對(duì)單位面積轟擊的離子數(shù)；Ei為離子平均能量，Ei≈eUi，其中Ui為沉積離子平均加速電壓。

由于荷能離子的轟擊，基片表面或薄膜上粒子能量增大和產(chǎn)生界面缺陷使基片活化，而薄膜也在不斷的活化狀態(tài)下凝聚生長(zhǎng)。薄膜表面的能量活性系數(shù)ε可由下式近似給出

ε=（Wi+Wv）/Wv=（niEi+nvEv）/nvEv

（1-29）

這個(gè)活性系數(shù)是增加離子作用后和凝聚能與單純蒸發(fā)時(shí)凝聚能的比值。由于nvEv?niEi，可得

（1-30）

式中，Tv為熱力學(xué)溫度，K；ni/nv為離子鍍的離化率；C為可調(diào)節(jié)參數(shù)。

由式（1-30）看出，在離子鍍過(guò)程中，由于基片的加速電壓Ui的存在，即使離化率很低也會(huì)影響離子鍍的能量活性系數(shù)。在離子鍍中轟擊離子的能量取決于基片加速電壓，一般為50～5000eV，濺射原子的平均能量約為幾個(gè)電子伏特。而普通熱蒸發(fā)中溫度為2000K，蒸發(fā)原子的平均能量約為0.2eV。表1-8中給出各種鍍膜所達(dá)到的能量活度系數(shù)。而在離子鍍中可以通過(guò)改變Ui和ni/nv，使ε提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，離子平均加速電壓Ui=500V,ni/nv=3×10-3時(shí)，離子鍍的能量活性系數(shù)與濺射相同。圖1-30是蒸發(fā)溫度為1800K,能量活性系數(shù)ε、離化率ni/nv和加速電壓Ui的關(guān)系。由圖1-30可以看出，能量活性系數(shù)ε和加速電壓Ui的關(guān)系在很大程度上受離化率的限制。通過(guò)提高離化率可提高離子鍍的活性系數(shù)。

要提高離子鍍的能量系數(shù)必須提高離子鍍的離化率，離子鍍的發(fā)展也是不斷提高離化率的過(guò)程。表1-9是幾種離子鍍裝置的離化率比較。

1.4.5　離子的轟擊作用

離子鍍膜的一大特點(diǎn)就是離子參與整個(gè)鍍膜過(guò)程，并且離子轟擊引起的各種效應(yīng)，其中包括：離子轟擊基片，離子轟擊膜-基界面，離子轟擊生長(zhǎng)中的膜層所產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)。

（1）在薄膜沉積之前，離子對(duì)基片的轟擊作用如下：①濺射清洗作用。可有效地清除基片表面所吸附的氣體，各種污染物和氧化物。②產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)網(wǎng)。③破壞表面結(jié)晶結(jié)構(gòu)。④氣體的摻入。⑤表面成分變化，造成表面成分與整體成分的不同。⑥表面形貌變化，表面粗糙度增大。⑦基體溫度升高。

（2）離子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響作用如下：①膜基面形成“偽擴(kuò)散層”，形成梯度過(guò)渡，提高了膜-基界面的附著強(qiáng)度。如在直流二極離子鍍Ag膜與Fe基界面間可形成100nm過(guò)渡層。磁控濺射離子鍍鋁膜銅基時(shí)，過(guò)渡層厚為1～4μm。②利于沉積粒子形核。離子轟擊增加了基片表面的粗糙度、使缺陷密度增高，提供了更多的形核位置，膜材粒子注入表面也可成為形核位置。③改善形核模式。經(jīng)離子轟擊后，基體表面產(chǎn)生更多的缺陷，增加了形核密度。④影響膜形態(tài)核結(jié)晶組分。離子鍍能消除柱狀晶，代之為顆粒狀晶。⑤影響膜的內(nèi)應(yīng)力。離子轟擊一方面使一部分原子離開(kāi)平衡位置而處于一種較高能量狀態(tài)，從而引起內(nèi)應(yīng)力的增加，另一方面，粒子轟擊使基片表面的自加熱效應(yīng)又有利于原子擴(kuò)散。恰當(dāng)?shù)乩棉Z擊的熱效應(yīng)或引進(jìn)適當(dāng)?shù)耐獠考訜幔梢詼p小內(nèi)應(yīng)力，另外還可提高膜層組織的結(jié)晶性能。通常，蒸發(fā)鍍膜具有張應(yīng)力，濺射鍍膜和離子鍍膜具有壓應(yīng)力。⑥提高材料的疲勞壽命。離子轟擊可使基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力和基體表面強(qiáng)化作用。

1.4.6　離子鍍類型

離子鍍的分類方式有多種，一般從離子來(lái)源的角度分類，可把離子鍍分為蒸發(fā)源離子鍍和濺射源離子鍍兩大類。

蒸發(fā)源離子鍍有許多類型，按膜材氣化方式分，有電阻加熱、電子束加熱、高頻或中頻感應(yīng)加熱、等離子體束加熱、電弧光放電加熱等；按氣體分子或原子的離化和激發(fā)方式分,有輝光放電型、電子束型、熱電子束型、等離子束型、磁場(chǎng)增強(qiáng)型和各類型離子源等。

濺射離子鍍是通過(guò)采用高能離子對(duì)鍍膜材料表面進(jìn)行濺射而產(chǎn)生金屬粒子，金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子，它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜。濺射離子鍍有磁控濺射離子鍍、非平衡濺射離子鍍、中頻交流磁控離子鍍和射頻濺射離子鍍。

離子鍍技術(shù)的重要特征是在基片上施加負(fù)偏壓，用來(lái)加速離子，增加調(diào)節(jié)離子能量。負(fù)偏壓的供電方式，除傳統(tǒng)的直流偏壓外，近年來(lái)又興起采用脈沖偏壓。脈沖偏壓具有頻率、幅值和占空比可調(diào)的特點(diǎn)，使偏壓值、基體溫度參數(shù)可分別調(diào)控，改善了離子鍍膜技術(shù)工藝條件，對(duì)鍍膜會(huì)產(chǎn)生更多的新影響。

1.4.6.1　直流二極離子鍍

直流（DC）二極離子鍍裝置如圖1-31所示，其特征利用二極間輝光放電產(chǎn)生離子，并由基片上施加1～5kV的負(fù)偏壓加速離子，工作氣體為Ar，氣壓為1～10Pa。產(chǎn)生輝光放電后，基體與蒸發(fā)源之間形成低溫等離子區(qū)。蒸發(fā)源產(chǎn)生的金屬氣原子在向基板運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與高能電子產(chǎn)生非彈性碰撞，使部分金屬氣原子電離形成金屬離子。離子在陰極位降區(qū)加速，其能量可達(dá)10～1000eV，轟擊基體表面。當(dāng)粒子的沉積速率大于基片的濺射速率時(shí)，在基片上沉積成膜。對(duì)蒸鍍?nèi)埸c(diǎn)<1400℃的金屬，Au,Ag,Cu,Cr等采用電阻加熱式蒸發(fā)源。如用電子束蒸發(fā)源必須利用壓差板以保證電子槍工作所需的高真空度。

直流二極離子鍍放電空間電荷密度較低，陰極電流密度僅0.25～0.4mA/cm2，離化率在百分之零點(diǎn)幾到2%之間。直流二極離子鍍?cè)O(shè)備較簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)繞射性，鍍膜工藝易實(shí)現(xiàn)，且膜層均勻、附著力較好。但其轟擊離子能量較高，對(duì)膜層有剝離作用，同時(shí)會(huì)使基片溫升，造成膜層表面粗糙，質(zhì)量較差。由于直流二極離子鍍工作真空低，膜層易污染。另外，直流二極離子鍍工藝參數(shù)較難控制：放電電壓和離子加速電壓不易分別調(diào)整。

1.4.6.2　三極和多極型離子鍍

圖1-32是三極型離子鍍示意圖，圖1-33是多陰極離子鍍示意圖。三極型離子鍍是蒸發(fā)源與基體之間加入電子發(fā)射極和收集極（正極）。在電子收集極的作用下，發(fā)射的大量低能電子進(jìn)入等離子區(qū)，增加了與鍍材的蒸發(fā)粒子流的碰撞概率，提高了離化率。直流二極型離子鍍的離化率只有2%，而三極型的熱電子發(fā)射可達(dá)10A，收集極電壓為200V以下，基體電流密度可提高10～20倍，離化率可達(dá)10%。

1—陽(yáng)極；2—進(jìn)氣口；3—蒸發(fā)源；4—電子吸收極；5—基板；6—電子發(fā)射極；7—直流電源；8—真空室；9—蒸發(fā)電源；10—真空系統(tǒng)

1—陽(yáng)極；2—蒸發(fā)源；3—基板；4—熱電子發(fā)射陰極；5—可調(diào)電阻；6—燈絲電源；7—直流電源；8—真空室；9—真空系統(tǒng)；10—蒸發(fā)電源；11—進(jìn)氣

三極型離子鍍也稱熱電子增強(qiáng)型離子鍍。其特點(diǎn)為：①由熱陰極燈絲電流和陽(yáng)極電壓變化，可獨(dú)立控制放電條件，可有效地控制膜層的晶體結(jié)構(gòu)和顏色、硬度等性能。②在主陰極（基片）上的維持輝光放電的電壓較低，減少了高能離子對(duì)基片的轟擊作用，使基片溫升得到控制。③工作氣壓可在0.133Pa，較二極型高一個(gè)數(shù)量級(jí)，膜層質(zhì)量好。

1.4.6.3　射頻離子鍍

射頻離子鍍（RadioFrequencyIonPlating,RFIP）是由日本的林三洋一在1973年提出，基本原理如圖1-34所示。采用RF激勵(lì)式技術(shù)穩(wěn)定，能在高真空下鍍膜，被蒸發(fā)物質(zhì)氣化粒子離化率可達(dá)10%，工作壓力為10-1～10-3Pa，為二極型的1%，一般RF線圈7圈，高度7cm，用直徑φ3mm銅線繞制，源基距20cm，射頻頻率f=13.56MHz或18MHz，功率為0.5～2kW,直流偏壓為0～-2000V。

射頻離子鍍鍍膜室分為三個(gè)區(qū)域：以蒸發(fā)源為中心的蒸發(fā)區(qū)；以感應(yīng)線圈為中心的離化區(qū)；以基片為中心的離子加速區(qū)和離子到達(dá)區(qū)。通過(guò)分別調(diào)節(jié)蒸發(fā)源功率、感應(yīng)線圈的射頻激勵(lì)功率、基體偏壓，可以對(duì)三個(gè)區(qū)域獨(dú)立控制，而有效地控制沉積過(guò)程，改善鍍膜質(zhì)量。

射頻離子鍍的特點(diǎn)為：①蒸發(fā)、離化和加速三過(guò)程分別獨(dú)立控制；離化率（5%～15%）介于直流放電型與空心陰極型之間。②在10-1～10-3Pa高真空下，也能穩(wěn)定放電，離化率高，鍍層質(zhì)量好。③易進(jìn)行反應(yīng)離子鍍，適宜制備化合物薄膜和對(duì)非金屬基體沉積。④基片溫升低，操作方便。⑤由于工作真空高，沉積粒子受氣體粒子的散射較小，故鍍膜繞鍍性差。⑥射頻輻射對(duì)人有害，應(yīng)有良好的接地線和應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘畏雷o(hù)。

1.4.6.4　空心陰極離子鍍

空心陰極放電（HollowCathodeDischarge,HCD）離子鍍又稱空心陰極離子鍍。它是在弧光放電和離子鍍基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種薄膜沉積技術(shù)。它是在空心熱陰極放電技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的。后來(lái)，日本人小宮宗澤將其實(shí)用化，應(yīng)用于裝飾鍍和刀具鍍硬膜工業(yè)生產(chǎn)。現(xiàn)在空心陰極離子鍍已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

空心陰極放電分為冷陰極放電和熱陰極放電，在離子鍍中通常采用熱空心陰極放電。空心陰極放電的原理為：在雙陰極產(chǎn)生的輝光放電中，若兩陰極的位降區(qū)相互獨(dú)立，則互不影響。若兩陰極靠近，使兩個(gè)負(fù)輝區(qū)合并，此時(shí)，從陰極k1發(fā)射的電子在k1陰極位降區(qū)加速，當(dāng)它進(jìn)入陰極k2的陰極位降區(qū)時(shí)，又被減速，并被反向加速后返回。若這些電子沒(méi)有被激發(fā)的話，它們將在k1和k2之間來(lái)回振蕩，這就增加了電子和氣體分子的碰撞概率，引起更多的激發(fā)和電離過(guò)程，使電流密度和輝光強(qiáng)度劇增，這種效應(yīng)稱空心陰極效應(yīng)。

若陰極是空心管，則空心陰極效應(yīng)更加明顯。圖1-35是管狀陰極內(nèi)部輝光分布情況。管狀空心陰極放電滿足下面的共振條件時(shí)，可獲得最大的空心陰極效應(yīng)：

2df=Ve

（1-31）

式中，d為圓管直徑;f為電子在空心陰極間振蕩的頻率;Ve為電子通過(guò)等效陰極被加速獲得的速度。

在空心陰極離子鍍裝置中，管狀陰極是用高熔點(diǎn)金屬Ta或W制成，坩堝作陽(yáng)極。待抽至高真空后，向Ta管中通入Ar氣后，施加數(shù)百伏電壓，開(kāi)始產(chǎn)生氣體輝光放電。由于空心陰極效應(yīng)使Ta管中電流密度很大，大量Ar+轟擊Ta管管壁，使管溫升至2300K以上。因Ta管發(fā)射大量熱電子，放電電流迅速增加，電壓下降，輝光放電轉(zhuǎn)為弧光放電，如圖1-36所示。這些高密度的等離子電子束受陽(yáng)極吸引，使坩堝中的鍍材熔化、蒸發(fā)。

空心陰極離子鍍裝置如圖1-37所示。此裝置為90°偏轉(zhuǎn)型HCD槍，也有45°偏轉(zhuǎn)型HCD槍的裝置。真空室工作壓力為1.33Pa，HCD槍功率一般為5～10kW，電子束功率密度可達(dá)0.1MW/cm2,可蒸發(fā)熔點(diǎn)在2000℃以下的高熔點(diǎn)金屬。在HCD離子鍍中通過(guò)通入不同的反應(yīng)氣體也可以獲得各種化合物薄膜，如CrN,TiN,AlN,TiC等。

空心陰極離子鍍的特點(diǎn)為：①離化率高，高能中性粒子密度大。HCD的離化率可達(dá)20%～40%，離子密度可達(dá)（1～9）×1015/（cm2·s），比其他離子鍍高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在沉積過(guò)程中還產(chǎn)生大量高能中性粒子比其他離子鍍高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。②膜層致密，質(zhì)量高，附著力強(qiáng)。由于大量離子和高能中性粒子轟擊，即使基片偏壓較低，也能起到良好的濺射清洗作用。同時(shí)，大量荷能粒子轟擊也促進(jìn)了膜-基原子間的結(jié)合和擴(kuò)散，以及膜層原子的擴(kuò)散遷移。提高了膜層附著力，并可獲得高質(zhì)量的金屬、合金或化合物薄膜。③繞鍍性好。由于HCD離子鍍工作氣壓為0.133～1.33Pa，蒸發(fā)原子受氣體分子散射效應(yīng)大，同時(shí)，金屬原子的離化率高，大量金屬原子受基板負(fù)電位吸引，因此具有較好的繞鍍性。④HCD電子槍采用低電壓大電流工作，操作簡(jiǎn)易、安全。

1.4.6.5　活性反應(yīng)離子鍍

活性反應(yīng)離子鍍，簡(jiǎn)稱ARE（ActivatedReactiveEvaporation），它是由美國(guó)的R.F.Bunshah于1972年首先發(fā)明的。它的原理為：在離子鍍過(guò)程中，在真空室中通入能與金屬蒸氣反應(yīng)的活性氣體,如O2,N2,C2H2,CH4等，代替Ar或?qū)⑵鋼饺階r氣中，并用各種放電方式使金屬蒸氣和反應(yīng)氣體分子激活離化，促進(jìn)其間化學(xué)反應(yīng)，在基片表面上生成化合物薄膜。

各種離子鍍裝置均可改成活性反應(yīng)離子鍍，ARE如圖1-38所示。這種裝置的蒸發(fā)源一般采用“e”型槍。為保持電子槍工作的真空度，真空室一般分為上、下兩室，上面為蒸發(fā)室，下面為電子束室。由電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)壓差孔偏轉(zhuǎn)聚焦在坩堝中心，使膜材蒸發(fā)。采用這種電子槍既可加熱蒸發(fā)高熔點(diǎn)金屬，又能激活金屬蒸氣粒子。選擇不同的反應(yīng)氣體，可得到不同的化合物薄膜。

ARE鍍膜的特點(diǎn)是：①基片加熱溫度低。由于電離增加了反應(yīng)物的活性，即使在較低的溫度下也能獲得性能良好的碳化物、氫化物等膜層。若采用CVD法需加熱到1000℃左右。②基材選擇廣泛。可在任何基材上沉積薄膜，如金屬、玻璃、陶瓷、塑料等，可制備多種化合物膜。③沉積速率高，可達(dá)每分鐘幾個(gè)微米，比濺射高一個(gè)數(shù)量級(jí)。④可通過(guò)調(diào)整或改變蒸發(fā)速度及反應(yīng)氣體壓力，制備不同化學(xué)配比和不同性質(zhì)的化合物薄膜。

由于ARE應(yīng)用廣泛，近幾年又在此基礎(chǔ)上發(fā)展出許多新類型，如：偏壓活性反應(yīng)離子鍍（BARE）、增強(qiáng)活性反應(yīng)離子鍍（EARE）等。