离子束沉积薄膜技术及应用

中国科学院上海光学精密机械研究所博士研究生读书笔记(基础理论课)课程名称：离子束沉积薄膜技术及应用学科专业：光学工程学生姓名：王聪娟导师姓名：邵建达、范正修入学时间：2005年9月2007年12月10日《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟2目录1.引言........................................................................................................................................32.离子束沉积（IBD）薄膜原理.............................................................................................32.1离子束的输运及非热平衡沉积过程......................................................................................32.2惰性气体离子的气种效应......................................................................................................42.3离子束轰击固体表面引起的重要效应..................................................................................63.IBSD薄膜技术及应用..........................................................................................................93.1控制生长薄膜结构及性质的方法..........................................................................................93.2薄膜结构与薄膜内应力........................................................................................................103.3IBSD薄膜技术的典型应用..................................................................................................104.双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术...............................................................................105.IBRSD薄膜方法及应用.....................................................................................................116.IBAD薄膜方法及应用......................................................................................................126.1离子轰击对生长薄膜的基本作用........................................................................................126.2IBAD方法概述.....................................................................................................................156.3IBAD光学薄膜的应用.........................................................................................................17中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月31.引言本读书笔记主要参照《离子束沉积薄膜技术及应用》撰写的。本书系统地介绍了IBD薄膜技术的原理、方法及应用，重点放在技术基础论述、制备方法研究和应用方面，展现出了IBD薄膜技术丰富的科技研究与应用硕果。为读者提供了可直接引用的方法、数据及结果。由于该书内容详实，涉及面广。根据本人研究方向的需要，就感兴趣的离子束沉积薄膜原理及IBAD薄膜方法及应用两个章节做了细致深入的阅读，并写了该读书笔记。2.离子束沉积（IBD）薄膜原理2.1离子束的输运及非热平衡沉积过程2.1.1运行离子的碰撞现象在离子源发射的离子到达靶面所经历的输运过程中，离子与气体原子或与其他粒子可能发生多种形式的碰撞。其中，最重要的碰撞形式是Ar+离子与Ar原子之间的谐振电荷交换碰撞，表现出较大的碰撞截面或较小的平均自由程。当输运中的离子与气体原子发生碰撞时，离子将损失其部分能量。离子每运行谐振电荷交换碰撞平均自由程的10%，约损失其携带能量的10%，当离子运行距离为平均自由程的80%~85%时，已接近损失其携带的全部能量。发生谐振电荷交换碰撞后，Ar+离子的能量损失截面σE和动量损失截面σP的近似数学表达式分别为)(0036.01)(0057.01241241nmEznmEziPiE式中：z为离子的原子序数；Ei为离子能量。2.1.2非热平衡条件下的IBSD薄膜原理与其他沉积薄膜方法相比，IBSD薄膜过程处于典型的非热平衡状态。控制IBSD薄膜结构及性质的基本因素之一是离子能量，若按玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K所表示的物理量纲含义，可将离子能量折算为等效温度，则1eV能量的等效温度为11600K，表明用离子能量标定的等效温度极高。用宏观等效温度来标定离子能量《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟4的物理依据是微观的离子“热峰”现象。在离子轰击材料表面的微小作用点上，部分离子能量瞬间转变的热产生脉冲式高温，该温度比沉积薄膜过程的宏观温度（5℃~800℃）高4个数量级以上。因此，在IBSD薄膜系统中，离子溅射材料靶与沉积粒子生长薄膜过程处于极端非热平衡状态，维持这种状态稳定存在的条件就是离子与溅射原子的稳定能量差。正因为IBSD方法可以有效地控制离子和溅射原子的能量及通量，以及系统构件的温度，因而使低温生长薄膜的非热平衡过程成为这种方法的基本原理之一。2.2惰性气体离子的气种效应在IBSD薄膜过程中，使用种类不同的惰性气体离子束会使溅射沉积薄膜的微结构及性质出现差异，这种现象称为惰性气体离子的气种效应。本节专门提出和分析气种效应是为了研究以下重要内容。(1)不同种类离子轰击靶面形成快速气体原子的差异。(2)了解气种效应改变溅射粒子通量的构成。(3)气种效应特别能引起薄膜哪些微结构及性质的变化。(4)因轰击靶的惰性气体离子种类不同而引起溅射原子通量角分布有何变化，进而如何改变沉积薄膜厚度的分布。(5)不同种类的快速气体原子形成薄膜含气量的差别。(6)轰击靶的不同种气体离子在靶面产生的快速气体原子的数量及性质会出现哪些变化。综合上述需要研究的内容，可将惰性气体离子束产生的气种效应归纳如下：2.2.1薄膜中掺气的气种效应迄今为止，依据相关的理论和不同的实验，许多学者对IBSD薄膜过程的掺气机理提出了各种看法，其要点可归纳如下。(1)轰击金属靶的离子引起靶表面原子发生级联碰撞动量交换过程，在产生溅射原子的同时，入射离子在金属靶面激发二次电子，其中一定数量的离子与二次电子在靶面中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月5发生三体复合过程，形成快速气体原子，以背散射方式射离靶面和参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分将会掺入生长薄膜。(2)入射金属靶面的部分离子可浅层注入靶表面晶粒间的空隙中。随着离子束溅射靶面，这些浅层注入的离子又被溅射出来，形成溅射快速气体原子参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。(3)如果入射金属靶面的离子能量高于形成金属离子所需的电离能，那么在离子碰撞金属原子瞬间，脱离金属原子的电子可转给入射离子，使电离态的离子返回基态形成俄歇中和原子。俄歇中和过程将入射靶面部分离子转变为快速气体原子，并参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。(4)金属靶面反射的轰击离子参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。(5)快速气体原子与沉积原子发生非弹性碰撞，被撞击的沉积原子反弹注入薄膜时，快速气体原子随着掺入薄膜。上述的几种过程所产生的薄膜掺气量并不相同。通常，靶面反射离子和溅射快速气体原子都具有掺入生长薄膜的能量，但快速俄歇气体原子最具重要性和研究兴趣，因为当离子在靶面发生俄歇中和时，往往从金属表面发射出俄歇二次电子，其发射系数与靶面散射气体原子数量存在稳定的比例关系，可用于定性描述散射气体原子在薄膜中的掺气量。不同的IBD薄膜方式的掺气机理有所不同。例如，对于IBSD薄膜方式，掺入薄膜中的气体主要来自靶面的背散射气体原子和反射离子；双离子束溅射沉积（DIBSD）薄膜方式（包括溅射及辅助离子轰击）的主要掺气来自靶面的背散射气体原子、反射离子及辅助轰击的离子；离子束辅助蒸发沉积，即离子束辅助沉积（IBAD）薄膜方式不存在靶面背散射原子和反射离子，主要掺气来源是辅助轰击离子的浅层注入。通过对快速Ar原子束辅助轰击电子束蒸发Cu薄膜的掺气特性的研究结果发现：(1)Ar+离子与Cu原子的到达通量比越大，衬底温度越高，薄膜的含气率也越大。《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟6(2)轰击薄膜的粒子（原子或离子）能量是控制薄膜含气率的主要因素，而轰击薄膜气体粒子的通量和衬底（或衬底上薄膜）温度属于次要因素。2.3离子束轰击固体表面引起的重要效应2.3.1离子束清洗和增强薄膜附着力的作用一、离子束轰击表面的清洗作用在所有干性和湿性清洗材料表面的方法中，离子束溅射清洗表面的作用最为彻底，而且清洗工艺灵活性最强。采用倾斜入射离子束溅射衬底表面时，不仅可彻底清除表面的杂质异物层，而且可以同时抛光表面，改善表面的微粗糙度和提高在其上生长的晶粒的均匀性。如果清洗只是为了去除衬底表面异物层，则离子轰击造成的表面损伤、形成掺气原子和表面结构再造等并不重要。而且，离子束轰击产生的这类表面特征往往有利于增强薄膜的附着力。如果清洗的材料不允许离子束轰击造成表面晶态的严重损伤，过分改变表面材料成分的配比和表面的物理及化学性质，那么，如何正确选用离子束能量就成为这种清洗方法的关键。有人用材料的溅射阈值来标定离子束清洗的安全能量，但在有效和安全方面很难有明显的界定。若以清洗产生的损伤强度为条件，则选择的离子能量应使受损伤的材料表面性质处于可接受的程度之内。二、离子束清洗增强衬底表面对薄膜的附着力作用在沉积薄膜之前进行离子束溅射预清洗的首要作用是去掉衬底表面的杂质物粒子，彻底裸露真实的衬底表面原子。离子轰击可使衬底表面的原子活化，提高衬底表面原子的极化率，从而缩短沉积原子与衬底表面原子之间的距离，改善2种原子的结合能，增强薄膜对衬底的附着强度。在通常使用的离子轰击能量和轰击时间内，大量离子的直接冲击和在表面层产生的原子级联碰撞过程引起晶格振动，衬底表面原子结构将会由有序变为无序，伴随该过程产生出大量的结构缺陷和晶格损伤。衬底表面出现正或负离子空位点所引起的主要效应包括以下几个。中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月7(1)离子束轰击在衬底表面产生结构变化层，与初始沉积于其上的薄膜层构成薄膜与衬底之间的过渡层，只要过渡层原子间的结合