離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用

1、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所/2007年12月 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所博士研究生讀書筆記(基礎(chǔ)理論課)課程名稱：離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用 學(xué)科專業(yè)：光學(xué)工程學(xué)生姓名：王聰娟導(dǎo)師姓名：邵建達(dá)、范正修入學(xué)時間：2005年9月2007年12月10日目 錄1.引言22.離子束沉積（IBD）薄膜原理32.1離子束的輸運(yùn)及非熱平衡沉積過程32.2惰性氣體離子的氣種效應(yīng)42.3離子束轟擊固體表面引起的重要效應(yīng)53.IBSD薄膜技術(shù)及應(yīng)用83.1控制生長薄膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的方法83.2薄膜結(jié)構(gòu)與薄膜內(nèi)應(yīng)力93.3IBSD薄膜技術(shù)的典型應(yīng)用94.雙離子束濺射沉積(DIBSD)薄膜技術(shù)105.IBRSD薄膜

2、方法及應(yīng)用106.IBAD 薄膜方法及應(yīng)用126.1離子轟擊對生長薄膜的基本作用126.2IBAD方法概述146.3IBAD光學(xué)薄膜的應(yīng)用161. 引言本讀書筆記主要參照離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用撰寫的。本書系統(tǒng)地介紹了IBD薄膜技術(shù)的原理、方法及應(yīng)用，重點(diǎn)放在技術(shù)基礎(chǔ)論述、制備方法研究和應(yīng)用方面，展現(xiàn)出了IBD薄膜技術(shù)豐富的科技研究與應(yīng)用碩果。為讀者提供了可直接引用的方法、數(shù)據(jù)及結(jié)果。由于該書內(nèi)容詳實(shí)，涉及面廣。根據(jù)本人研究方向的需要，就感興趣的離子束沉積薄膜原理及IBAD薄膜方法及應(yīng)用兩個章節(jié)做了細(xì)致深入的閱讀，并寫了該讀書筆記。2. 離子束沉積（IBD）薄膜原理2.1 離子束的輸運(yùn)及非熱平

3、衡沉積過程2.1.1 運(yùn)行離子的碰撞現(xiàn)象在離子源發(fā)射的離子到達(dá)靶面所經(jīng)歷的輸運(yùn)過程中，離子與氣體原子或與其他粒子可能發(fā)生多種形式的碰撞。其中，最重要的碰撞形式是Ar+離子與Ar原子之間的諧振電荷交換碰撞，表現(xiàn)出較大的碰撞截面或較小的平均自由程。當(dāng)輸運(yùn)中的離子與氣體原子發(fā)生碰撞時，離子將損失其部分能量。離子每運(yùn)行諧振電荷交換碰撞平均自由程的10%，約損失其攜帶能量的10%，當(dāng)離子運(yùn)行距離為平均自由程的80%85%時，已接近損失其攜帶的全部能量。發(fā)生諧振電荷交換碰撞后，Ar+離子的能量損失截面E和動量損失截面P的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為式中：z為離子的原子序數(shù)；Ei為離子能量。2.1.2 非熱平衡條件

4、下的IBSD薄膜原理與其他沉積薄膜方法相比，IBSD薄膜過程處于典型的非熱平衡狀態(tài)。控制IBSD 薄膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的基本因素之一是離子能量，若按玻耳茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K所表示的物理量綱含義，可將離子能量折算為等效溫度，則1eV能量的等效溫度為11600K，表明用離子能量標(biāo)定的等效溫度極高。用宏觀等效溫度來標(biāo)定離子能量的物理依據(jù)是微觀的離子“熱峰”現(xiàn)象。在離子轟擊材料表面的微小作用點(diǎn)上，部分離子能量瞬間轉(zhuǎn)變的熱產(chǎn)生脈沖式高溫，該溫度比沉積薄膜過程的宏觀溫度（5800）高4個數(shù)量級以上。因此，在IBSD薄膜系統(tǒng)中，離子濺射材料靶與沉積粒子生長薄膜過程處于極端非熱平衡狀態(tài)，

5、維持這種狀態(tài)穩(wěn)定存在的條件就是離子與濺射原子的穩(wěn)定能量差。正因?yàn)镮BSD方法可以有效地控制離子和濺射原子的能量及通量，以及系統(tǒng)構(gòu)件的溫度，因而使低溫生長薄膜的非熱平衡過程成為這種方法的基本原理之一。2.2 惰性氣體離子的氣種效應(yīng)在IBSD薄膜過程中，使用種類不同的惰性氣體離子束會使濺射沉積薄膜的微結(jié)構(gòu)及性質(zhì)出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱為惰性氣體離子的氣種效應(yīng)。本節(jié)專門提出和分析氣種效應(yīng)是為了研究以下重要內(nèi)容。(1) 不同種類離子轟擊靶面形成快速氣體原子的差異。(2) 了解氣種效應(yīng)改變?yōu)R射粒子通量的構(gòu)成。(3) 氣種效應(yīng)特別能引起薄膜哪些微結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的變化。(4) 因轟擊靶的惰性氣體離子種類不同而引起濺

6、射原子通量角分布有何變化，進(jìn)而如何改變沉積薄膜厚度的分布。(5) 不同種類的快速氣體原子形成薄膜含氣量的差別。(6) 轟擊靶的不同種氣體離子在靶面產(chǎn)生的快速氣體原子的數(shù)量及性質(zhì)會出現(xiàn)哪些變化。綜合上述需要研究的內(nèi)容，可將惰性氣體離子束產(chǎn)生的氣種效應(yīng)歸納如下：2.2.1 薄膜中摻氣的氣種效應(yīng)迄今為止，依據(jù)相關(guān)的理論和不同的實(shí)驗(yàn)，許多學(xué)者對IBSD薄膜過程的摻氣機(jī)理提出了各種看法，其要點(diǎn)可歸納如下。(1) 轟擊金屬靶的離子引起靶表面原子發(fā)生級聯(lián)碰撞動量交換過程，在產(chǎn)生濺射原子的同時，入射離子在金屬靶面激發(fā)二次電子，其中一定數(shù)量的離子與二次電子在靶面發(fā)生三體復(fù)合過程，形成快速氣體原子，以背散射方式射

7、離靶面和參與轟擊生長薄膜過程，其中的一部分將會摻入生長薄膜。(2) 入射金屬靶面的部分離子可淺層注入靶表面晶粒間的空隙中。隨著離子束濺射靶面，這些淺層注入的離子又被濺射出來，形成濺射快速氣體原子參與轟擊生長薄膜過程，其中的一部分摻入生長薄膜。(3) 如果入射金屬靶面的離子能量高于形成金屬離子所需的電離能，那么在離子碰撞金屬原子瞬間，脫離金屬原子的電子可轉(zhuǎn)給入射離子，使電離態(tài)的離子返回基態(tài)形成俄歇中和原子。俄歇中和過程將入射靶面部分離子轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖贇怏w原子，并參與轟擊生長薄膜過程，其中的一部分摻入生長薄膜。(4) 金屬靶面反射的轟擊離子參與轟擊生長薄膜過程，其中的一部分摻入生長薄膜。(5) 快速氣

8、體原子與沉積原子發(fā)生非彈性碰撞，被撞擊的沉積原子反彈注入薄膜時，快速氣體原子隨著摻入薄膜。上述的幾種過程所產(chǎn)生的薄膜摻氣量并不相同。通常，靶面反射離子和濺射快速氣體原子都具有摻入生長薄膜的能量，但快速俄歇?dú)怏w原子最具重要性和研究興趣，因?yàn)楫?dāng)離子在靶面發(fā)生俄歇中和時，往往從金屬表面發(fā)射出俄歇二次電子，其發(fā)射系數(shù)與靶面散射氣體原子數(shù)量存在穩(wěn)定的比例關(guān)系，可用于定性描述散射氣體原子在薄膜中的摻氣量。不同的IBD薄膜方式的摻氣機(jī)理有所不同。例如，對于IBSD薄膜方式，摻入薄膜中的氣體主要來自靶面的背散射氣體原子和反射離子；雙離子束濺射沉積（DIBSD）薄膜方式（包括濺射及輔助離子轟擊）的主要摻氣來自靶

9、面的背散射氣體原子、反射離子及輔助轟擊的離子；離子束輔助蒸發(fā)沉積，即離子束輔助沉積（IBAD）薄膜方式不存在靶面背散射原子和反射離子，主要摻氣來源是輔助轟擊離子的淺層注入。通過對快速Ar原子束輔助轟擊電子束蒸發(fā)Cu薄膜的摻氣特性的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1) Ar+離子與Cu原子的到達(dá)通量比越大，襯底溫度越高，薄膜的含氣率也越大。(2) 轟擊薄膜的粒子（原子或離子）能量是控制薄膜含氣率的主要因素，而轟擊薄膜氣體粒子的通量和襯底（或襯底上薄膜）溫度屬于次要因素。2.3 離子束轟擊固體表面引起的重要效應(yīng)2.3.1 離子束清洗和增強(qiáng)薄膜附著力的作用一、 離子束轟擊表面的清洗作用在所有干性和濕性清洗材料表面的

10、方法中，離子束濺射清洗表面的作用最為徹底，而且清洗工藝靈活性最強(qiáng)。采用傾斜入射離子束濺射襯底表面時，不僅可徹底清除表面的雜質(zhì)異物層，而且可以同時拋光表面，改善表面的微粗糙度和提高在其上生長的晶粒的均勻性。如果清洗只是為了去除襯底表面異物層，則離子轟擊造成的表面損傷、形成摻氣原子和表面結(jié)構(gòu)再造等并不重要。而且，離子束轟擊產(chǎn)生的這類表面特征往往有利于增強(qiáng)薄膜的附著力。如果清洗的材料不允許離子束轟擊造成表面晶態(tài)的嚴(yán)重?fù)p傷，過分改變表面材料成分的配比和表面的物理及化學(xué)性質(zhì)，那么，如何正確選用離子束能量就成為這種清洗方法的關(guān)鍵。有人用材料的濺射閾值來標(biāo)定離子束清洗的安全能量，但在有效和安全方面很難有明顯

11、的界定。若以清洗產(chǎn)生的損傷強(qiáng)度為條件，則選擇的離子能量應(yīng)使受損傷的材料表面性質(zhì)處于可接受的程度之內(nèi)。二、 離子束清洗增強(qiáng)襯底表面對薄膜的附著力作用在沉積薄膜之前進(jìn)行離子束濺射預(yù)清洗的首要作用是去掉襯底表面的雜質(zhì)物粒子，徹底裸露真實(shí)的襯底表面原子。離子轟擊可使襯底表面的原子活化，提高襯底表面原子的極化率，從而縮短沉積原子與襯底表面原子之間的距離，改善2種原子的結(jié)合能，增強(qiáng)薄膜對襯底的附著強(qiáng)度。在通常使用的離子轟擊能量和轟擊時間內(nèi)，大量離子的直接沖擊和在表面層產(chǎn)生的原子級聯(lián)碰撞過程引起晶格振動，襯底表面原子結(jié)構(gòu)將會由有序變?yōu)闊o序，伴隨該過程產(chǎn)生出大量的結(jié)構(gòu)缺陷和晶格損傷。襯底表面出現(xiàn)正或負(fù)離子空位

12、點(diǎn)所引起的主要效應(yīng)包括以下幾個。(1) 離子束轟擊在襯底表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化層，與初始沉積于其上的薄膜層構(gòu)成薄膜與襯底之間的過渡層，只要過渡層原子間的結(jié)合能高于襯底表面原子結(jié)合能就會提高薄膜的附著力。(2) 離子束轟擊可在襯底表面產(chǎn)生離子空位點(diǎn)，其相對面密度可達(dá)0.1%?？瘴稽c(diǎn)的電荷效應(yīng)可促進(jìn)沉積原子與空位點(diǎn)形成離子鍵結(jié)合。2.3.2 離子束轟擊引起材料表面損傷及缺陷增強(qiáng)擴(kuò)散現(xiàn)象一、 濺射清洗引起的表面損傷及消除方法離子束清洗可去除襯底表面的雜物層或變質(zhì)層，而且還可對清洗的表面進(jìn)行離子束拋光。然而，離子束轟擊也不可避免地引起各類表面損傷，包括結(jié)構(gòu)缺陷、摻氣、成分失配和晶格紊亂等。高能量的離子轟擊會

13、造成了深層晶格結(jié)構(gòu)缺陷.當(dāng)離子束以某一角度刻蝕晶體材料時，可能會產(chǎn)生表面溝道效應(yīng)。離子損傷引起的缺陷易于移動和形成簇團(tuán)，也會合并形成位錯環(huán)網(wǎng)絡(luò)。損傷強(qiáng)度還取決于受離子束轟擊表面的溫度。離子束轟擊可能使某些材料，如半導(dǎo)體或無機(jī)物喪失表面結(jié)晶性，也可使某些材料產(chǎn)生相變。在相當(dāng)寬的能量范圍內(nèi)，轟擊離子都可形成淺層注入的氣體原子，高能量注入的氣體原子還可能在表面層形成氣泡。針對不同材料及應(yīng)用條件，離子束濺射清洗使用的能量范圍較寬，實(shí)用化的能量一般限制在1000eV以下。二、 損傷深度與離子能量的關(guān)系阿斯普尼斯通過分析用不同氣體離子轟擊不同材料所出現(xiàn)的損傷深度的差異，建立了計算能量范圍200eV1000

14、eV的離子損傷深度為式中：Wt為受轟擊材料的原子量；t為材料密度；Ei為離子能量；Zi、Zt為離子、材料的原子序數(shù)。如果材料為化合物，上式中的參量Zt、Wt及t可用化合物成分的加權(quán)平均值代替。許多離子損傷是可以消除的。熱退火是消除晶體表面構(gòu)造損傷的基本方法。當(dāng)清洗用的離子能量低于1000eV 時，選用的退火溫度一般為材料熔點(diǎn)溫度的2/3。對于化合物情況，選用的退火溫度必須低于化合物的分解溫度。三、 離子損傷及產(chǎn)生缺陷的分布在一定溫度的條件下，注入雜質(zhì)原子的縱向分布范圍可超過離子射程，證實(shí)了離子束轟擊產(chǎn)生了雜質(zhì)原子的增強(qiáng)擴(kuò)散。如果將離子束轟擊表面所形成的空格點(diǎn)、晶面無序、位錯、摻氣和成分失衡點(diǎn)等

15、結(jié)構(gòu)缺陷及化學(xué)缺陷也看成雜質(zhì)，那么這些雜質(zhì)也將伴隨離子束清洗過程增強(qiáng)擴(kuò)散。如果離子束清洗樣片的溫度足夠低，可認(rèn)為產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷和摻入的Ar原子不再向深處擴(kuò)散，那么離子束轟擊表面形成無序化損傷層的深度只取決于離子射程，通常情況下都比較淺。如果離子束清洗的樣片溫度高，則產(chǎn)生的缺陷密度及其擴(kuò)散范圍都會明顯增大。大量的點(diǎn)缺陷和摻入的Ar原子發(fā)生遷移，并有可能聚集，在表面層下鼓起Ar氣泡，引起晶格膨脹，產(chǎn)生比較均勻的晶格畸變性的彈性應(yīng)力。為了制備出平整光滑、表面晶粒取向高度一致和無摻雜的表面，在離子束清洗時，必須維持足夠低的樣片溫度。為此，應(yīng)盡量采用低能離子束清洗。低能離子束轟擊也可產(chǎn)生大量的濺射原子，離

16、子與濺射原子的能量轉(zhuǎn)移雖然減小了對材料的損傷深度，但產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性缺陷的濃度梯度較大，從而引起缺陷的橫向增強(qiáng)擴(kuò)散。此外，離子轟擊也大大提高了點(diǎn)缺陷的跳動頻率，從而加快了缺陷的擴(kuò)散速度。3. IBSD薄膜技術(shù)及應(yīng)用 IBSD薄膜方法可以用于制取單層或多層薄膜、進(jìn)行薄膜材料改性、常溫或低溫外延生長薄膜和研究薄膜性質(zhì)及其微結(jié)構(gòu)相關(guān)性，特別適合于開發(fā)新功能的薄膜材料和薄膜膜系，用于制造金屬、合金、介質(zhì)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)及各種聲、光、電和磁等器件。IBSD薄膜系統(tǒng)中的靶和襯底易于維持低溫狀態(tài)，與發(fā)射離子束及離子轟擊的熱過程構(gòu)成非熱平衡體系。所以，IBSD薄膜方法適合在低溫條件下濺射和沉積對溫度敏感材

17、料的薄膜。3.1 控制生長薄膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的方法在IBSD薄膜的過程中，離子通量、離子能量、通入離子源的氣體種類、濺射角、沉積角、靶材料原子濺射額和沉積溫度都是影響播磨生長速率的因素。調(diào)整濺射原子沉積角會引起生長薄膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化，如改變生長薄膜的晶粒取向及晶面優(yōu)選度，雜質(zhì)含量和表征金屬薄膜質(zhì)量的光學(xué)反射率、電阻率及內(nèi)應(yīng)力等。一般情況下，薄膜厚度增加可能導(dǎo)致膜層附著力變差，而IBSD薄膜對襯底有很好的附著強(qiáng)度，并且具有優(yōu)良的厚度適應(yīng)性，在一定厚度范圍內(nèi)基本不變。薄膜厚度的增長可能導(dǎo)致應(yīng)力性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)薄膜較薄時，薄膜與襯底之間的界面特性基本決定著薄膜應(yīng)力狀態(tài)；而當(dāng)薄膜較厚時，決定應(yīng)力狀態(tài)的主要

18、因素轉(zhuǎn)移到薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部本身。1968年，克勞霍姆(R.Kloholm)等人，提出個與產(chǎn)生應(yīng)力相關(guān)的參數(shù)，即薄膜無序結(jié)構(gòu)材料的自退火速率Rf和沉積速率RD。當(dāng)薄膜表面材料自退火速率足夠快和薄膜表面膜層被新膜層覆蓋前來得及演變?yōu)橛行蚧瘯r，自退火才能消除薄膜的內(nèi)應(yīng)力。在通常的沉積溫度條件下，往往出現(xiàn)Rf<RD情況，來不及自退火的無序結(jié)構(gòu)材料膜層被連續(xù)埋在薄膜內(nèi)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)應(yīng)力的積累?？朔@種膜層應(yīng)力積累的方法之一就是提高襯底的溫度，用離子束輔助轟擊和對薄膜做后熱處理等也是行之有效的辦法。3.2 薄膜結(jié)構(gòu)與薄膜內(nèi)應(yīng)力濺射沉積金屬薄膜內(nèi)應(yīng)力性質(zhì)的轉(zhuǎn)變不僅涉及到臨界工作氣體壓強(qiáng)pc，而且也涉及到離子

19、束臨界濺射角c，即薄膜內(nèi)應(yīng)力在濺射角s=c時發(fā)生應(yīng)力性質(zhì)轉(zhuǎn)變。從多種金屬薄膜內(nèi)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，選用的工作氣體壓強(qiáng)或離子束濺射角稍有偏離pc或c時，不管增大或減少工作氣體壓強(qiáng)或離子束濺射角，都會使薄膜內(nèi)應(yīng)力大幅度增加。3.3 IBSD薄膜技術(shù)的典型應(yīng)用在1970年至1971年期間，Aissenberg及Chabot等人先后報道了沉積出具有類似金剛石性質(zhì)的C薄膜，標(biāo)志著IBD非天然材料薄膜技術(shù)發(fā)展到了高級階段。從20世紀(jì)80年代中期以來，IBD薄膜應(yīng)用發(fā)展很快。美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室報道，用離子束沉積出有光生伏打效應(yīng)的薄膜，并制造出了ITO薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太陽能電池。IBSD的類金剛石碳（DLC）或立

20、方氮化硼（c-BN）薄膜具有極高的硬度和抗磨能力。此外，在集成光學(xué)方面已經(jīng)采用IBSD薄膜技術(shù)制造窄帶反射濾波器、薄膜光波導(dǎo)、寬帶濾波器、射束分裂器、氟化釷和氟化鎂激光反射層等。4. 雙離子束濺射沉積(DIBSD)薄膜技術(shù)DIBSD薄膜技術(shù)有以下2個要點(diǎn)： 主源發(fā)射離子束轟擊材料靶，向襯底發(fā)送具有一定能量的濺射原子通量，濺射原子沉積在襯底表面形成和生長薄膜； 輔源發(fā)射不同種類的氣體離子束可預(yù)先轟擊清洗襯底，或轟擊襯底表面處于形成及生長階段的薄膜，用于增強(qiáng)薄膜生長。DIBSD薄膜過程有以下幾種工作方式由于構(gòu)成合金薄膜成分的金屬原子的再濺射額，往往不同于該種金屬原子的濺射額以及輔助轟擊離子可以形成

21、摻入薄膜的氣體原子，會導(dǎo)致合金薄膜成分發(fā)生變化。輔助離子轟擊不僅改變生長薄膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括改變晶粒尺寸、晶向優(yōu)選 、晶格常數(shù)、薄膜表面形態(tài)、增強(qiáng)表面或體擴(kuò)散、薄膜應(yīng)力大小及性質(zhì)轉(zhuǎn)變和相應(yīng)的機(jī)械、電、光、磁、超導(dǎo)和其他薄膜性質(zhì)等，而且可合成非天然存在的薄膜材料。5. IBRSD薄膜方法及應(yīng)用用IBRSD方法制取化合物薄膜時，必須控制反應(yīng)氣體離子通量和選擇合適的反應(yīng)氣體工作壓強(qiáng)或分壓強(qiáng)，才能同時產(chǎn)生2個合適的靶面過程：一個是形成化合物的穩(wěn)定覆蓋過程；另一個是維持合適的濺射過程。這2個并存過程維持靶面化合物的生成速率與濺射速率的動態(tài)平衡，決定了化合物薄膜的沉積速率。 IBRSD過程的基本方式：1)

22、 直接反應(yīng)型離子源發(fā)射反應(yīng)氣體離子轟擊靶面使靶面金屬原子或合金分子活化的同時，部分離子在靶面經(jīng)俄歇中和過程轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨姆磻?yīng)氣體原子或分子，進(jìn)而與活化的靶面金屬原子或合金分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物分子的覆蓋層；與此同時，離子束濺射靶面化合物覆蓋層產(chǎn)生濺射化合物分子通量，沉積在襯底表面生長化合物薄膜。2) 間接反應(yīng)型真空室沖入反應(yīng)氣體，如果它在溫度合適的靶面有足夠的吸附速率，離子源發(fā)射的惰性氣體離子使吸附的反應(yīng)氣體粒子與靶材料粒子產(chǎn)生足夠的化合反應(yīng)速率，則在靶面維持化合物覆蓋層的生成速率和濺射速率的動態(tài)平衡，產(chǎn)生穩(wěn)定的濺射化合物分子通量和生長化合物薄膜。3) 混合型將反應(yīng)氣體與惰性氣體按一定比例

23、充入離子源，通過發(fā)射混合氣體離子束濺射金屬或合金靶沉積化合物薄膜，則離子源不僅發(fā)射離子束，同時也向靶表面發(fā)射反應(yīng)氣體分子束。4) 雙離子束型采用雙離子束同時工作，一個惰性氣體離子束用于濺射金屬或合金靶產(chǎn)生濺射粒子通量，另一個反應(yīng)氣體離子束輔助轟擊沉積于襯底表面的金屬原子或合金成分原子，在襯底表面反應(yīng)合成化合物和生長薄膜，構(gòu)成反應(yīng)增強(qiáng)型雙離子束反應(yīng)合成薄膜過程。由于化學(xué)反應(yīng)過程只發(fā)生在襯底及薄膜表面，所以物理濺射與反應(yīng)合成基本為相互獨(dú)立的過程。6. IBAD 薄膜方法及應(yīng)用6.1 離子轟擊對生長薄膜的基本作用6.1.1 離子轟擊對初始生長薄膜形態(tài)的影響弱劑量的離子束轟擊增強(qiáng)襯底表面沉積原子的遷移

24、和結(jié)晶，驅(qū)動沉積原子隨機(jī)移向某些晶核，使生長的晶核尺寸及分布看上去很不均勻，而且沉積原子結(jié)晶從開始就表現(xiàn)出優(yōu)選晶向的特征。然而，當(dāng)輔助轟擊離子能量和通量增大時，不僅使沉積原子的遷移距離增大，而且也驅(qū)動晶核發(fā)生表面遷移，加速初始階段生長晶粒的聚合，在較高能量及低通量離子轟擊的條件下，還會在環(huán)繞較大“島”的周圍形成低沉積原子密度區(qū)，表明離子轟擊驅(qū)動襯底表面的沉積原子移向簇團(tuán)或“島”使其長得更大。6.1.2 離子轟擊引起不同襯底生長薄膜的選擇性沉積原子在襯底表面的粘附幾率取決于沉積原子與襯底表面原子之間的結(jié)合能，表現(xiàn)為不同襯底對沉積原子具有不同的粘附系數(shù)，于是完成第一原子層完全覆蓋襯底的速率也不同。

25、在不同襯底表面生成薄膜的初始階段施加離子束輔助轟擊，離子對沉積原子的再濺射降低了初始的薄膜生成和后續(xù)的薄膜生長速率，等同于減小了襯底對沉積原子的粘附系數(shù)，使得不同襯底表面的薄膜生長速率的差異變得更為明顯。6.1.3 離子轟擊引起納米薄膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的變化一、 晶格應(yīng)變量與應(yīng)力薄膜內(nèi)應(yīng)力p和垂直分量h隨歸一化平均離子能量的增加具有對稱性變化。蒸發(fā)沉積Ag薄膜的張應(yīng)力為+60MPa，離子束輔助轟擊使生長Ag薄膜的內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，當(dāng)歸一化平均離子能量En42eV時，薄膜壓縮應(yīng)力將穩(wěn)定在-450MPa，只要En10eV，Ag薄膜(111)晶面的晶格應(yīng)變性質(zhì)及對應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力性質(zhì)將發(fā)生轉(zhuǎn)變.二、 晶粒尺

26、寸與層積缺陷幾率與蒸發(fā)沉積Ag薄膜相比較，IBAD Ag薄 膜(111)晶面的XRD特征峰不僅發(fā)生了衍射角位置偏移，而且增寬了譜峰輪廓。譜峰輪廓的增寬表征Ag薄膜的晶粒尺寸變小和(111)晶面上存在的層積缺陷改變了晶格的應(yīng)變量。施加Ar+離子束輔助轟擊提高了開始生長薄膜時的成核密度，不僅減小了生長晶粒的尺寸，而且增加了雙晶缺陷的數(shù)量。在En=20eV的條件 下，受離子轟擊生長薄膜的雙晶生成幾率比蒸發(fā)沉積的薄膜高5倍(=0.015)之多。但當(dāng)En高于42eV時可大幅度減少值。三、 薄膜應(yīng)變量與位錯密度隨著轟擊離子能量En的提高，位錯密度呈現(xiàn)類似的增加，蒸發(fā)沉積薄膜的位錯最少，離子轟擊可產(chǎn)生大量位

27、錯。在En=20eV的條件下，Ar+離子轟擊可使Ag薄膜的位錯密度增加約1個數(shù)量級；提高En到42eV時可再增加50%；當(dāng)En超過42eV后，位錯密度趨于飽和，相應(yīng)的晶格應(yīng)變量及薄膜內(nèi)應(yīng)力也趨于飽和。四、 粒子轟擊生長薄膜的表面形態(tài)及成分H+離子束濺射產(chǎn)生平滑表面的作用，不同于因表面凹凸不平點(diǎn)位濺射速率不同而產(chǎn)生的離子束拋光過程。重離子濺射SiO2表面的粗糙度與其濺射速率相關(guān)；H+離子質(zhì)量很輕，對材料表面的濺射速率很低，其能量的主要作用是引起原子或晶界遷移，導(dǎo)致轟擊表面的平滑過程。Ar+離子束濺射Ni0.82-Fe0.18合金靶，施加離子轟擊使生長合金薄膜的Ni成分不足，提高襯底溫度使Ni成分

28、過剩；即使在較低通量的離子束轟擊下，薄膜摻氣量可達(dá)到12；在無離子束轟擊時，薄膜含氣量下降1個數(shù)量級，而且提高襯底溫度可減少薄膜含氣量。6.1.4 晶格形變與應(yīng)力影響合金薄膜晶格尺寸的因素包括襯底溫度及相對成分含量，提高Ni-Fe薄膜中的Ni成分含量會減小晶格常數(shù)，并發(fā)現(xiàn)兩者也為線性變化關(guān)系。使用不同條件的離子束輔助轟擊生長薄膜時，可能會加大晶格形變系數(shù)，也可能因離子轟擊引起薄膜材料自退火效應(yīng)減小內(nèi)應(yīng)力和晶格形變量。6.1.5 離子的電荷效應(yīng)當(dāng)費(fèi)米能級不同的2種材料達(dá)到接觸面時，通過接觸面會產(chǎn)生電荷移動而形成新的費(fèi)米能級，移動的電荷在材料界面之間形成靜電引力，構(gòu)成了薄膜附著在襯底上的電學(xué)因素之

29、一。當(dāng)離子束轟擊生長薄膜時，離子攜帶的電荷必然增加薄膜與襯底界面間的電荷移動量。即使其中有限部分的電荷參與電荷移動也會改變兩者之間的附著力。在低劑量離子轟擊的條件下，轟擊離子的能量十分微小，不會給ZnO薄膜附著力帶來可觀的變化。因此，增強(qiáng)薄膜附著力的原因之一應(yīng)歸于離子電荷效應(yīng)。然而，大劑量的離子電荷對介質(zhì)薄膜生長可能帶來危害。在離子束沉積參數(shù)、襯底材料、襯底溫度和沉積速率相同的條件下，如果采用電荷中和的離子束直接沉積c-BN薄膜，則薄膜表面變得平滑和光潔。如果在沉積期間突然取消中和，則生長中的c-BN薄膜表面立即開始出現(xiàn)含雜質(zhì)C的瘤狀物，其他雜質(zhì)含量也會增加。6.1.6 離子束輔助轟擊生長薄膜

30、的致密化效應(yīng)在離子束轟擊薄膜表面產(chǎn)生的濺射過程中，會因表面沉積原子的增強(qiáng)遷移而減少空隙的生成密度，因而引起薄膜表面致密化過程。表面致密化在低能離子束轟擊條件即可產(chǎn)生，并在離子能量接近100eV時趨于飽和。因此，離子束轟擊使薄膜變得致密來自體致密和表面致密2種過程。6.2 IBAD方法概述6.2.1 IBAD化合物薄膜IBAD的 SiN 薄膜的粒子現(xiàn)象模型以 N2+離子束轟擊蒸發(fā)沉積Si原子生長 SiN 薄膜為例，假設(shè)IBAD 薄膜過程僅由蒸發(fā)沉積的Si原子與淺層注入 N+和 N2+離子形成的N原子生成SiN薄膜，那些未能與Si原子反應(yīng)生成氮化物的多余部分的注入N原子構(gòu)成薄膜摻氣成分。到達(dá)薄膜表面的Si原子沉積速率與N原子淺層注入速率比Rf，以及薄膜中所含N與Si成分原子數(shù)比x分別為6.2.2 IBAD金屬、化合物和氧化物薄膜對于金屬薄膜而言，提高轟擊生長薄膜的離子通量會顯著減小生長薄膜的晶粒尺寸，這是符合晶粒邊界的電子散射率決定金屬電阻率的理論的，因?yàn)榫ЯＴ酱?，電子散射率越低。在離子能量